Leuchtfarben - Sek. I

V1 „Weinender Kastanienzweig“ in Wasser im UV-Licht; als Vergleich im Tageslicht (Video);
V2 Geldscheine, Kreditkarten, Textilien, „Kriminaltechnik“ etc. im „Schwarzlicht“ der UV-Lampe;
V3 Papier- oder Dünnschichtchromatographie von Blattgrünextrakt, rotes Leuchten der grünen Chlorophyllflecke im UV-Licht

Fachinhalte: Farbe als Stoffeigenschaft, die bei manchen Stoffen von der Art des Lichts abhängt, in dem der Stoff betrachtet wird; Chromatographie als Trennmethode für Stoffgemische
Hinweis: Weitere Versuche mit Leuchtfarben in Publikationen von M. Ducci et al.
Inhaltsfelder: Stoffe und Stoffeigenschaften, Trennung von Stoffgemischen und Nachweis der getrennten Stoffe (Sek. I)

Literatur: 22, 38, 46, 135, 166, 170 in der Literaturliste
Interaktionsbox Photo-Mol

Licht treibt Reaktionen an - Sek. I

V4 Schwärzung von Silbersalzen bei Licht;
V5 Blaufärbung der „intelligenten Folie“ mit LED-Taschenlampen verschiedener Farben und mit Sonnenlicht (Vorschrift zur Herstellung der "Intelligenten Folie");
V6 Härtung eines Gemisches für Zahnfüllungen im UV-Licht

Fachinhalte: Antrieb von chemischen Reaktionen durch Licht; Wirkung von Licht verschiedener Farben bei chemischen Reaktionen
Inhaltsfeld: Chemische Reaktion als Stoff-und Energieumwandlung; Beteiligung der Energie in Form von Licht (Sek. I)

Literatur: 63, 135, 210 in der Literaturliste
Interaktionsbox Photo-Mol

Licht aus Reaktionen - Sek. I

V7 „Kalte Weißglut“, d.h. Oxidation von Luminol mit (Luft)Sauerstoff;
V8 Verschiedene Varianten von Luminol-Oxidationen in Lösung mit Wasserstoffperoxid

Chemolumineszenzversuche: Vorschriften und Videos

Fachinhalte: Kaltes Licht aus chemischen Reaktionen; schnelle und langsame Oxidationen, Sauerstoff als Edukt bei Oxidationen
Hinweis: Weitere Versuche zur Chemolumineszenz in Publikationen von H. Brandl et al.
Inhaltsfelder: Chemische Reaktion als Stoff-und Energieumwandlung; Beteiligung der Energie in Form von Licht; Oxidation als Reaktion mit Sauerstoff (Sek. I)

Literatur: 212 in der Literaturliste

UV-Licht, Ozon und Photosmog - Sek. I, Sek. II

V9 Erzeugung von Ozon aus Sauerstoff mit UV-Licht (Video, Flash-Animation);
V10 Nachweise von Ozon durch:
a) Schatten auf einem Leuchtschirm (Video),
b) Chemolumineszenz von Safranin-T (Video) und
c) Wirkung von Ozon auf Gummi (Video);
V11 Photosmog aus Luft und Luftschadstoffen mit UV-Licht, Wirkung auf Blattgrün;
V12 Absorption von UV-Strahlung durch Sonnenschutzcremes

Ozon - Steckbrief, Ozon - Schlüsselsubstanz, Ozon - Chemie-Labothek Wuppertal

Fachinhalte: Zusammenhang Sauerstoff-Ozon- UV-Strahlung, Ozonloch und Photosmog
Inhaltsfeld: Luft - und Luftschadstoffe (Sek. I)

Literatur: 37, 44, 46, 166, 204 in der Literaturliste

Flammenfärbung durch Alkalimetallverbindungen - Sek. I

V13 Lithium-, Natrium- und Kaliumsalze in der Flamme mit und ohne Cobaltglas

Fachinhalte: Nachweismethoden, ggf. Energiestufenmodell für Atome
Inhaltsfeld: Elementfamilien (Sek. I)

Literatur: 46, 166 in der Literaturliste und alle Schulbücher für Sek. I

Solarwasserstoff und Brennstoffzelle - Sek. I, Sek. II

V14 Elektrolyse von Wasser mit Strom aus Solarzellen, getrennte Speicherung von Wasserstoff und Sauerstoff in den Perforationen einer platinierten Nickelfolie und ihre „sanfte“ Rückreaktion zu Wasser (Modell einer Brennstoffzelle)

Fachinhalte: Elektrolyse und Synthese von Wasser, Reaktionsgleichungen mit Energiebeteiligung, Wasserstoff als Energieträger, Energieumwandlungen: Licht → elektrische Energie → chemische Energie (die gespeichert wird) → elektrische Energie → mechanische Arbeit (Funktion der Solarzelle hier noch „black box“)
Inhaltsfeld: Wasser, Wasserstoff, Solar-Wasserstoff-Technik (Sek. I)

Literatur: 46, 135, 166, 210 in der Literaturliste


Elektrische Energie aus Licht - Sek. I, Sek. II

V15 Umwandlung von Licht in elektrische Energie in einer Zelle, die analog zum Daniell-Element aufgebaut ist, jedoch eine lichtempfindliche Photoanode aus TiO2 enthält, die im Gegensatz zur Anode aus Zink im Daniell-Element nicht abgebaut wird und nur bei Lichtbestrahlung funktioniert

vgl. Videos und Flash-Animationen bei Versuchsblock Photogalvanische und photoelektrochemische Zellen mit TiO2

Fachinhalte: Spannung nur bei Lichtbestrahlung der TiO2-Elektrode; diese ist der Minuspol, ändert sich aber nicht; Br--Ionen aus Lösung werden zu Br2
Inhaltsfeld: Elektrochemische Energiequellen (Sek. I)

Literatur: 74, 75, 100, 135, 166, 210 in der Literaturliste

Photochemische Radikalkettenreaktionen - Sek. II

V16 Zündung eines Chlor-Wasserstoff Gemisches 1:1 mit einem Lichtblitz (Chlorknallgas-reaktion), Nachweis des gebildeten Chlorwasserstoffs (Video, Flash-Animation);
V17 Bromierung von Heptan unter Bestrahlung mit a) blauem und b) rotem Licht;
V18 Lichtinitiierte Polymerisation von Acrylaten

Fachinhalte: Bindung in polaren HCl-Molekülen im Vergleich zu unpolaren H2- und Cl2-Molekülen; homolytische Bindungstrennung, Bindungsenergien und Energien von Lichtquanten, radikalische Kettenreaktionen
Inhaltsfelder: Polare Elektronenpaarbindung (Sek. I), Radikalische Substitution und Polymerisation; Lichtquanten E = h ∙ υ (Sek. II)

Literatur: 38, 46, 135, 166, 210 in der Literaturliste

Photochemische und thermische Z-E (cis-trans) Isomersierungen - Sek. II

V19 Isomerisierungen von E- und Z-Azobenzol auf DC-Folie bei Bestrahlung mit Tageslichtprojektor und Erwärmung mit Heizplatte (Video in Vorbereitung);
V20 Isomerisierungen von E- und Z- Dihydrodibenzodiazocin in Lösung bei Bestrahlung mit violettem und grünem Licht aus LED’s

Fachinhalte: Struktur und Eigenschaften von Z- und E-Isomeren (Konfiguration, Polarität, Stabilität, Löslichkeit), Energiediagramme für den thermischen und den photochemischen Reaktionsweg; molekulare Schalter mit Z-E-Azobenzol-Einheiten
Inhaltsfelder: Z-E (cis-trans) Isomerie; Energetik (thermische Aktivie-erungsenergie Ea; vs. photochemische Anregungs-energie E = h∙υ; (ggf. MO-Modell der π–Bindung) (Sek. II)

Literatur: 11, 21, 38, 54, 135 in der Literaturliste


Farbigkeit durch Lichtabsorption und Lichtemission - Sek. II

V21 Farbe durch Lichtabsorption von Chlorophyll-Lösungen: Absorptionsspektren in echten Farben und im Photometer;
V22 Farbe durch Lichtemission von Fluoreszein, Aesculin und anderen Fluorophoren, jeweils in Lösung und rigider Matrix aus Weinsäure, Cellulose oder Borsäure
a) Weinender Kastanienzweig (Video)
b) Laterna Magica (Video)
c) Schildbürgers Traum (Video);
V23 Erzeugung und Untersuchung von Echtfarbenemissionsspektren mithilfe eines Beugungs-gitters aus der Physiksammlung

Fachinhalte: Absorptionsspektren, Grundzustand und elektronisch angeregter Zustand, höchste besetzte und niedrigste unbesetzte Energiestufe, Schwingungszustände, Spin, Singlett- und Triplett-Zustand, Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Schwingungsrelaxation, Energiediagramme
Inhaltsfeld: Farbstoffe (Energiestufen-Modell, Photometrie, Farbigkeit durch Lichtabsorption und –emission); (ggf.: Emissionsspektren und Stokes-Shift; MO-Modell und delokalisierte π-Mole-külorbitale) (Sek. II)

Literatur: 22, 38, 49, 54, 56, 135, 170, 210 in der Literaturliste
Interaktionsbox Photo-Mol

Synthesen von Leuchtstoffen - Sek. II

V24 Synthese von Fluoreszein;
V25 Synthese eines Fluoreszenzkollektors aus PMMA, in das ein Fluorophor, z.B. aus einem Textmarker, einpolymerisiert wurde;
V26 Wirkung des Fluoreszenzkollektors auf eine Silicium-Solarzelle

Versuchsvorschriften

Fachinhalte: Elektrophile Substitution an Aromaten, radikalische Polymerisation, Konzentration und Farbänderung des Lichts im Fluoreszenzkollektor
Inhaltsfelder: Grundreaktionen in der organischen Chemie (Sek. II)
Physik: Reflexionsgesetze in der Optik (Sek. II)

Literatur: 107, 135, 170 in der Literaturliste

Photochromie, Solvatochromie, intelligente Folie - Sek. II


V27 Hin- und Herschalten der Farbe von Spiropyran in Toluol mit Licht bzw. Wärme
Spiropyran-Chamäleon in Lösung (Video);
V28 Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeiten bei der photochemischen Blaufärbung und der thermischen Entfärbung der Lösung (ggf. auch im Photometer);
V29 Abhängigkeit der Farbe von bestrahlter Spiropyran-Lösung (Merocyanin) von der Polarität des Lösemittels (Toluol, Aceton, Ethanol);
V30 Immobilisierung von Spiropyran in einer Polystyrol-Matrix (intelligente Folie)
Versuchsvorschrift zur Herstellung einer intelligenten Folie,
Flash-Animation: Photochromes System Spiropyran-Merocyanin;
V31 Schreiben, Speichern, Löschen und Überschreiben auf der intelligenten Folie;
V32 Fluoreszenz und Fluoreszenzlöschung auf der intelligenten Folie - Photochromie als reversible Isomerisierung zwischen Spiropyran und Merocyanin;

Fachinhalte: Solvatochromie als Ergebnis der Wechselwirkung der Merocyanin-Moleküle mit den Lösemittel-Molekülen verschiedener Polaritäten, Energiediagramme photochemischer und thermischer Reaktionen, photostationärer Zustand und chemisches Gleichgewicht
Inhaltsfelder: Relation: Struktur-Eigenschaften, Reaktionskinetik, Energetik, chemisches Gleichgewicht; (grundsätzliche Unterschiede thermischer und photochemischer Reaktionen, Materialien mit photoaktiven molekularen Schaltern); (Sek. II)
Informatik: binäre codes, und molekulare Logikbausteine

Literatur: 45, 54, 135, 170, 207, 210 in der Literaturliste und
S. Krees, PdN-ChiS, 61(2), 18 (2012)
Interaktionsbox Photo-Mol

Elektrolumineszenz EL und Elektrochemolumineszenz ECL - Sek. II


V33 Bau und Betrieb einer OLED (organic light emitting diode) mit einer Emissionsschicht aus einem halbleitenden Polymer, einer Anode aus FTO-Glas (oder FTO-PET-Folie) und einer Kathode aus Galinstan (Video, Flash-Animation);
V34 Bau und Betrieb einer ECL-Zelle mit einem Rutheniumphenanthrolin-Komplex als Emitter, Elektroden aus platinierten Nickelfolien (Rasierscherblättern) und EDTA als Opferdonor
Flash-Animationen:V35 Bau und Betrieb einer ECL-Zelle aus einer Halbzelle wie in V34 und einer Halbzelle mit Luminol in alkalischer Lösung - simultane, verschiedenfarbige Emission an beiden Elektroden - Elektrische Halbleiter aus Makromolekülen mit durchgehender Bindungsdelokalisation;

Fachinhalte: Ladungsinjektion aus einer Gleichstromquelle in das polymere Material, Diffusion der Ladungsträger und Rekombination der Elektron-Loch Paare e-/h+ unter Emission eines Photons; Generierung von elektronisch angeregten Zuständen in einem Ruthenium-Komplex durch anodische Oxidation (Elektronsnextraktion) gefolgt von Elektrodeninjektion aus den Teilchen des Opferdonors (EDTA); Vergleich der EL und ECL mit der Photolumineszenz
Inhaltsfelder: Kunststoffe (Struktur und Eigenschaften makromolekularer Verbindungen – insbes. innovative Kunststoffe);
Elektrochemie (kaltes Licht und durch Emission von Photonen aus elektrisch und chemisch erzeugten angeregten Zuständen); (Sek. II)

Physik: Wirkungsgrade von LED’s und OLED’s im Vergleich zu anderen Lichtquellen

Literatur: 82, 135, 169, 183, 191, 192, 210 in der Literaturliste





Organische Photovoltazellen OPV - Sek. II

V36 Bau, Betrieb und Charakterisierung einer OPV mit aktiver Schicht aus einem leitenden Polymer (P3HT) und einem Fulleren-Derivat (PCBM) (Video, Flash-Animation)

Fachinhalte: Elementarprozesse von der Absorption des Photons bis zum Elektronenfluss
Fachinhalte: Kunststoffe; Nano-Kohlenstoff; Donator-Akzeptor Prinzip (Sek. II)

Literatur: 183, 191, 212 in der Literaturliste

Photogalvanische und photoelektrochemische Zellen mit TiO2 - Sek. II

V37 Bau der 2-Topf, 1-Topf und Kompakt-Zelle mit TiO2-Photoelektroden aus Hombikat 100, U- und I-Messungen bei Bestrahlung mit Licht verschiedener λ-Bereiche;
Photoelektroden mit Titandioxid, Video Kompaktzellen bei Sonnenbelichtung
V38 Nachweis der Produkte Br2(aq) und H2(g) bei der 2-Topf-Zelle;
Photogalvanische Zellen mit TiO2 in der Chemie-Labothek Wuppertal
V39 Sensibilisierung der TiO2-Photoelektroden mit Anthocyanen aus Himbeersaft, U- und I-Messungen bei Bestrahlung mit Licht verschiedener λ-Bereiche;
Video 1-Topf-Zelle ohne Sens., Video 1-Topf-Zelle mit Dia-Proj. und Sens.,
Video 1-Topf-Zelle mit LED und Sens.
Flash-Animation Photogalvanische Zelle, Flash-Animation Photoelektrochemische Zelle
V40 Bau von transluciden und transparenten Kompakt-Zellen mit Photoelektroden, die aus stabilisierten Suspensionen von Nano-TiO2 durch a) Rakeln und b) Spincoaten auf FTO-Glas aufgebracht wurden und mit transparentem Elektrolyt-Gel aus Polyvinylalkohol
Bau von transluciden und transparenten Kompaktzellen

Fachinhalte: TiO2 als elektrischer Halbleiter, Energiebänder-Modell, Bandlücke, Eg, elektrochemische Elementarprozesse an den Elektroden, bestimmende Faktoren für die Leerlaufspannung und für den Kurzschlussstrom einer Zelle, Wirkungsgrad einer Zelle, chemische Elementarprozesse bei der Sensibilisierung; Relation: Teilchenstruktur-Farbe des Stoffes und Relation: Energie der Lichtquanten-Farbe des Lichts
Inhaltsfelder: Elektrochemie (galvanische Zellen; elektrische Leitung in Metallen, Lösungen und Halbleitern); Energetik (Relation: Farbe-λ-E bei Photonen und Farbe-Eg bei Nanopartikeln)
Physik: elektrische Kenngrößen und Schaltungen;

Che/Phy: Nanostrukturierte Materialien

Literatur: 74, 75, 100, 105, 135, 199, 210, 212 in der Literaturliste

Homogene Photokatalyse in Photo-Blue-Bottle - Experimenten - Sek. II

V41 Blaufärbung der PBB-Lösung (wässrige Lösung aus Methylviologen = Substrat, Proflavin = Photokatalysator und EDTA = Opferdonor) durch Lichtbestrahlung (blaues oder weißes Licht) und Entfärbung durch Schütteln im halbvollen, verschlossenen Rggl.
(Versuchsvorschrift);
V42 PBB in Abwesenheit von O2 im vollen, verschlossenen Rggl.;
V43 PBB in einer elektrochemischen Messanordnung aus zwei elektrolytüberbrückten Halbzellen mit einer bestrahlten und einer unbestrahlten PBB-Lösung (Solar-Akku mit Halbzellen) (Video);
V44 Kompakt-Zelle aus FTO-Glas, Filterpapier mit PBB-Lösung und Rasierscherfolien (Solar-Akku als Kompakt-Zelle);
V45 PBB-Variationen mit alternativen Substraten und Photokatalysatoren

Fachinhalte: gekoppelte Reaktionszyklen des Substrats und des Photokatalysators, lichtgetriebene, Reaktionszyklen des Photokatalysators, Photoelektronentransfer, Redoxpaare und ihre Redoxpotentiale im Grundzustand und im angeregten Zustand, Lichtenergiekonversion und –speicherung im reduzierten Substrat, quantitative Ermittlung des Substrat-Umsatzes; Relation: Struktur-Farbe beim der farblosen und der blauen Form des Substrats
Inhaltsfelder: Stoffkreisläufe (PBB als Modellversuch zum Kreislauf Photosynthese-Zellatmung);
Elektrochemie (Redox-reaktionen und -potentiale, Nernst-Gleichung); Katalyse (Abgrenzung der Photokatalyse zur Katalyse)
Energetik (Umwandlung von Strahlungsenergie in chemische Bindungsenergie) (Sek. II)

Che/Bio: PBB und Kohlenstoff-Kreislauf in der Biosphäre

Literatur: 26, 43, 54, 66, 70, 135, 199 in der Literaturliste



Heterogene Photokatalyse - Sek. II

V46 Photokatalytische Reduktion von Methylenblau an TiO2 unter Stickstoffbegasung und Rückoxidation mit Luft (reversible Reaktionen am Chromophor);
V47 Photokatalytische Oxidation von Methylenblau an TiO2 unter Sauerstoffbegasung (irreversible Zerstörung des Chromophors);
V48 Vollständige Mineralisierung von Tetrahlorethen an TiO2 in einem Selbstbau-Solarreaktor und Nachweis der Reaktionsprodukte CO2(g) und HCl(aq);
V49 Photokatalytische Wasser-Photolyse in zwei Schritten mit CuCl und TiO2

Fachinhalte: Energiebänder-Modell zur Funktionsweise eines TiO2-Korns als Photokatalysator im heterogenen System; Photokatalyse als lichtinduzierter Elektronentransfer; Photokatalyse bei der Wasserspaltung mit Licht
Inhaltsfelder: Energetik, Katalyse
(umwelttechnische Ver-fahren, Möglichkeiten der Wassersoffgewinnung durch Wasserphotolyse) (Sek. II)

Technik: Konzeption und Bau von Solarreaktoren

Literatur: 23, 26, 33, 62, 116, 117, 119, 122, 130, 135, 176, 180 in der Literaturliste

Intermolekularer Energietransfer - Sek. II

V50 Stimulierte Fluoreszenz von Merocyanin (erzeugt in situ aus Spiropyran mit Licht) durch Immobilisierung in Polystyrol (in Lösung fluoresziert Merocyanin nicht);
V51 Fluoreszenzlöschung von Chlorophyll mit β-Carotin (Video);
V52 Protektion von Chlorophyll mit β-Carotin gegen photooxidativen Abbau bei starkem Licht an Luft (Video);
V53 – V63 Erhöhung der Lichtausbeute bei der Chemolumineszenz mithilfe von Fluorophoren (Rubren, Nilrot, Violanthron u.a.) – dazu ca. 10 Versuchsvarianten mit Luminol, Oxalsäureestern, Siloxen und Singulett-Sauerstoff (Videos zu Chemolumineszenz > Chemische Lichtspiele);

Fachinhalte: „Löschung“ von angeregten Zuständen durch inter-molekularen Energietransfer (ggf. Förster- und Dexter Mechanismus ansatzweise); Lebensdauer von Singlett- und Triplett-Zuständen; Quantenausbeute bei der Lumineszenz und ihre Beeinflussung durch die molekulare Umgebung des Luminophors: Einfluss der Lebensdauer des primär angeregten Teilchens auf den intermolekularen Energietransfer; Folgeprozesse nach dem Energietransfer: Lumineszenz (Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Chemolumineszenz, Elektrochemolumineszenz), unterschiedliche Typen chemischer Reaktionen
Inhaltsfelder: Energetik (Bedeutung des intermolekularen Energietransfers bei den akzesorischen Pigmenten im photosynthetischen Zentrum, der Photosensibilisierung von Materialien in der Photovoltaik und den Wirkstoffen in der photodynamischen Therapie in der Medizin) (Sek. II)

Literatur: 50, 52, 54, 57, 135, 170, 201, 212 in der Literaturliste