FCI Informationsserie Chemie – Schlüssel zur Energie von ... · 3 Inhalt Vorwort Arbeitsblätter und Versuche 1. Einleitung 2. Methodisch-didaktische Einführung 3. Grundbegriffe

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Inhalt

Vorwort

Arbeitsblätter und Versuche

1. Einleitung

2. Methodisch-didaktische Einführung

3. Grundbegriffe der Energie

4. Chemie und Energie

5. Beleuchtung

6. Wohnen und Wärme

7. Mobilität

8. Websites und Literatur

9. Glossar

Impressum

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6.1 Photovoltaik6.2 Solarthermie6.3 StationäreBrennstoffzelle6.4 Dämmmaterialien

7.1 MobileKommunikationundUnterhaltung7.2 EnergiesparendurchLeichtbau7.3 TreibstoffeausBiomasse

Aus Gründen der besseren Lesbarkeit wurde im gesamten Textheft

die männliche Sprachform gewählt.

Im Glossar können die mit * markierten Begriffe nachgeschlagen werden.

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EnergiegiltalsdasLebenselixierunsererZivilisation.SieistdietreibendeKrafthinterWachstumundWohlstand.ImUmgangmitihrzeichnetsichinternationaleinWandelab,hinzuverantwortungsvollerem,nachhal-tigeremHandeln.DieGründedafürliegenvorallemimKlimawandel,alsdessenHauptursachedievomMenschengemachtenKohlenstoffdioxidemissionengelten.EineffizientererUmgangmitEnergieerfordertInnovationeninzahlreichenBranchenundLebens-bereichen.VieledieserInnovationenstammenausderchemischenIndustrie.BeginnendbeiderMöglichkeit,VerbrennungsprozesseinKraftwerkenoderAntriebevonTransportmittelneffizienterzugestalten,überKonzeptezurNutzungbisherweitgehendungenutzterEnergieträgerwieWasserstoff,bishinzuneuenMaterialienfüreinewirkungsvollereUmwandlungvonSonnen-undWindenergie.DaEnergieeinenerheblichenKostenfaktorinderProduktiondarstellt,hatdiechemischeIndustriebereitsauswirtschaftlichenGründeneingroßesInteresse,indeneigenenBetriebenenergieeffizientzuproduzieren.DazugehörenauchStrategienzurEffizienzverbesse-rungimBereichderProzessführung,zumBeispieldurchverstärkteNutzungderKatalyse.EbensowichtigwiediefortschreitendeVerbesserungvonMaterialien,ProduktenundVerfahrenistdiechemischeEnergieforschung.SiebefasstsichzumTeilmitunkonventionellen,gänzlichneuenAnwendungen.IhreForschungsaktivitätensindeheraufmittel-oderlangfristigeZeiträumeausgelegtundwerden,realistischbetrachtet,auchnichtallezuErfolgenführen.NochistzumBeispielnichtklar,obeinesTagesWasserstofffürBrennstoffzellenantriebeinBioreaktorendurchMikroalgenproduziertwerdenkann.Oderwieschnellfoliendünne,transparenteundbeliebiggroßeFarbstoffsolarzellenmitausreichendemWirkungsgradtechnischundwirtschaftlichrealisierbarsind.

DievorliegendeInformationsseriebehandeltdieWechselbeziehungvonChemieundEnergieimKontextaktuellerAnwendungensowietechnischer,ökonomischerundökologischerChancen,aberauchHemmnisse.WirhabendiesesspannendeundgesellschaftlichwichtigeThemaanschaulichundfürdennaturwissenschaftlichenUnterrichtverwertbaraufbereitet.EbensowiedieanderenUnterrichtsmaterialiendesFondsderChemischenIndustriewirddieInformations-serie„Chemie—SchlüsselzurEnergievonmorgen“SchulenundBildstellenkostenloszurVerfügunggestellt.DasTextheftwirddurcheinebeiliegendeCD-ROMergänzt,aufderVorschlägefürSchüler-arbeitsblätterund-versuchegemachtwerden.SieenthältzudemdieAbbildungendesTextheftesalsPowerPoint-Dateien.DasTextheftunddiePowerPoint-DateienstehenauchimInternetunterwww.fonds.vci.dezumDownloadbereit.

FrankfurtamMain,imJuli2011DerHerausgeber

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InformationsserieChemie–SchlüsselzurEnergievonmorgen

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©2011FondsderChemischenIndustrie

Arbeitsblätter Physik — Übersicht

Experimente Physik — Übersicht

Experimente und weiterführende Aufgaben Chemie — Übersicht

PHY–AB Nr. Thema Niveau Kapitel Seitenbezug

1 Energieumwandlungsketten A Basis 3 10

2 Tabelle zur Energieumwandlung A Basis 3 10

3 Das Wachstum von Algen in Tropfsteinhöhlen B Mittelstufe 5 24

4 Wie viel Energie steckt in einer Badewanne voll warmem Wasser? B Mittelstufe 6.2 42

5 Modellrechnung zur Kraftstoffeinsparung B Mittelstufe 7.2 60

PHY–EX Nr. Thema Niveau Kapitel Seitenbezug

1 Einfache Experimente A Basis 3 10

2 Erwärmung von Körpern durch Wärmestrahlung B Mittelstufe 3 11

3 Messung des Wirkungsgrades eines elektrischen Wasserkochers B Mittelstufe 3 11

4 Vergleich der Beleuchtungsstärke einer Glühlampe und einer Energiesparlampe mithilfe der Fettfleckphotometrie

A Basis B Mittelstufe 5 22

5 Betrachtung der Spektren verschiedener Lampen mit einfachen Spektrometern B Mittelstufe 5 24

6a Die Sperrspannung verschiedenfarbiger LEDs [Grundversuch] C Oberstufe 5 31

6b Die Sperrspannung verschiedenfarbiger LEDs [fortgeschritten => Planck-Konstante] C Oberstufe 5 31

7 Experiment mit Solarzellen und einfachen „Verbrauchern“ A Basis 6.1 34

8 Der Wirkungsgrad einer Solarzelle C Oberstufe 6.1 37

9 Selbstbau eines Solarkocher-Modells A Basis 6.2 41

10 Wettbewerb zur Wärmedämmung mit verschiedenen Materialien

A Basis B Mittelstufe 6.4 50—51

CH–EX Nr. Thema Niveau Kapitel Seitenbezug

1 Modellversuch zum Autokatalysator B Mittelstufe 4 16

2 Kalorimeter und Wärmekapazität B Mittelstufe 4 19

3 Satz von Hess: Bestimmung der Reaktionsenthalpie B Mittelstufe 4 21

4 Betrieb einer Brennstoffzelle B Mittelstufe 6.3 45

5 Volta–Element — Die Idee des Herrn Volta B Mittelstufe 7.1 55

6 Elektrolyse einer Zinkbromidlösung an Kohleelektroden und deren Umkehrung B Mittelstufe 7.1 55

7 Wie ist eine Taschenlampenbatterie aufgebaut? B Mittelstufe 7.1 56

8 Blei-Akkumulator Wieder verwenden statt wegwerfen B Mittelstufe 7.1 56

9 Recycling von Akkuschrott B Mittelstufe 7.1 57

10 Lithium-Ionenbatterie Leistungswunder durch Lithium-Ionen C Oberstufe 7.1 58

11 Nickel/Metallhydrid-Akku(mulator) C Oberstufe 7.1 59

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ChemieundEnergiesindeinperfektesPaar.OhnedasphysikalischeVerständnisderEnergieundderUmwand-lungvonEnergieformenineinanderistdiewissenschaft-licheErklärungchemischerReaktionennichtmöglich.UmgekehrtspielenchemischeReaktioneneineent-scheidendeRolledabei,wiewirEnergiegewinnen,speichern,umwandelnundnutzen.InunseremAlltagfindenwirhierfürzahlreicheBeispiele.SielassenunsüberdasnaturwissenschaftlicheGrund-verständnishinausaufsehrlebensnaheWeiseerkennen,woNutzenundPerspektivenderWechselbeziehungvonChemieundEnergieliegen.WirsehenesdenErzeug-nissenderchemischenIndustrienichtimmeran—aberbereitsbeiderHerstellungvielerchemischerProduktespielenmoderneKatalysatoren,beispielsweisebiotech-nologischgewonneneEnzyme,eineimmerwichtigereRolle.Siehelfen,denEnergieaufwandunddenVerbrauchanwertvollenRessourcenimProduktionsprozessdeut-lichzusenken.

EnergieeinsparungendankChemie:DiesesPrinzipfindetsichinderLichttechnikebensowieimBauwesen.EsgiltinderFahrzeug-undLuftfahrtindustriegenausowieinderelektronischenKommunikationundUnterhaltung.LängsthabenKompaktleuchtstofflampendieklassischeGlühlampeinfastallenBereichenabgelöst.Ihnenfolgendiesehrkleinen,hellenundnochenergieeffizienterenLeuchtdioden(LEDs)aufBasisvonHalbleiterkristallennach.NochweitestgehendungenutztePotenzialesehenExpertenauchindenorganischenLeuchtdioden(OLEDs),weildiesewenigStromverbrauchenundfürdenDisplay-undBeleuchtungssektorflexibeleinsetzbarsind.

NichtLichtdurchStromfluss,sondernStromflussdurchLichteinfall—dasistdasGrundprinzipderPhotovoltaik.ImSpektrumdererneuerbarenEnergiengewinntdieNutzungderSonnenenergieimmergrößereBedeutung.Undauchhierkannmanbeobachten,wietechnologischerFortschrittdieWirkungsgradeundEinsatzmöglichkeitenvonSolarmodulenverbessert.DieszeigtsichetwaimVergleichderstarrenSolarzellenauskristallinemSiliciummitdenmodernen,flexiblenDünnschichtsolarzellen.AberdieForschungdenktnochweiter:Foliendünne,transpa-renteModulemitorganischenHalbleitermaterialien

könnten—angebrachtanderFassade—inZukunftganzeHochhäusermitStromversorgen,denndieseMaterialiensindphotoreaktiv,d.h.inihnenwirddurchBelichtungeineelektrischeSpannungerzeugt.SiewärendurchDrucktechnikeninderMassenproduktionsehrgünstigundumweltverträglichherzustellen.

NebendemLichtderSonneistauchdieWärmegewinnungund-speicherunginmodernenEnergiekonzeptenfestverankert.OhnewirksameAbsorbermaterialienwäreSolarthermiefürdieWarmwasserbereitungundHeizunglangenichtsoeffektiv.DiegewonneneWärmeauchimHauszuhalten,istmöglichdurchinnovativeDämm-stoffe,zumBeispielausorganischenPolymerenwiePolystyroloderanorganischenPolymerenwieSilikat-AerogelensowieNaturfasern.

Energiemussauchbereitgestelltwerden,damitwirmobilseinkönnen.DieVerbrennungfossilerEnergieträger,vorallemfürFahrzeugantriebe,istwegenderEndlich-keitdieserRohstoffeauflangeSichteinAuslaufmodell.EinemöglicheLösungdesProblemsistderUmstiegaufBiokraftstoffeausPflanzen.HierbefasstsichdieForschungintensivdamit,festeBiomassezuenergiereichenFlüssig-treibstoffenumzuwandeln.ParallelhierzubefindensichzahlreicheKonzeptederElektromobilitätbereitsinderErprobung.SchonheutegibtesinDeutschlandModellregionen,indenenakkubetriebenePkwfahrenundwoeinausreichendesNetzan„Stromtankstellen“aufgebautwird.DieswärenichtmöglichohnedieElektro-chemieundneueMaterialien,mitdenensichdieLeistungvonIonenakkusoderBrennstoffzellenoptimierenlässt.FortschritteaufdiesemGebietkommennichtnurdemVerkehrs-undTransportwesenzugute,sondernauchderLeistungunddemBedienkomfortdervielenkleinen„mobilenEndgeräte“,dieunstäglichbegleiten—wieLaptop,MP3-PlayeroderRasierapparat.

PowerausderChemiefürdenEnergiesektor—einThema,dasSpannunggarantiert.

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Methodisch-didaktischeEinführung

DerBegriff»Energie«spieltinallendreinaturwissen-schaftlichenFächernüberalleKlassenstufenhinwegeinezentraleRolle.FundamentaleGrößenwiedieEnergiewerdenallerdingsnurdannbegreiflich,wennmanklarmacht,welcheverschiedenenPhänomenesiejeweilszusammenfassenundwiesiedastun.DabeiwerdenGemeinsamkeitenundRegelnsichtbar.ÜberdieEnergiesindNaturerscheinungenmiteinanderverknüpft,dieausverschiedenenfachlichenPerspek-tivenbetrachtetwerdenkönnen.BeiderGestaltungdesInformationspaketessinddieAutorendavonausgegangen,dassfüreineaufbauende,vertikaleEntwicklungeinesBasiskonzeptsinjedemFacheineReihevonInhaltenundBegriffsbildungenalsverbindlicheAnforderungenvondenSchülernverstandenwerdenmüssen.DiesewerdenimvorliegendenInformationspaketaufdreiAnspruchs-niveausdargestellt.

Grundlagen—amPhänomenorientierte, exemplarischeBegegnungmitdemThema.

Darlegungderwesentlichenkonzeptuellen Prinzipienmiterstenquantitativenundformali- siertenZugängen,dieinhaltlichaufeinemoberen Mittelstufenniveauzurealisierensind.

KonkretisierunganausgewähltenBeispielenauf Oberstufenniveaumitdetailliertenchemisch- physikalischenErklärungen.

Aufdem1.NiveauerfolgteinekontextorientierteBegegnungmitdemThema,undgleichzeitigwerdenwichtigeBegriffewieEnergieformen,EnergiewandlungundEnergieentwertungpropädeutischthematisiert.AnweiterenBeispielenerfolgtaufdem2.NiveaumiterstenquantitativenBetrachtungendieEinführungwesentlicherGrößenundEinheitenfürdiephysikalisch-chemischeBeschreibungenergetischerVorgänge,hierunterbesondererBerücksichtigungderBegriffeWärmeleitung,WärmestrahlungundWirkungsgrad.InderdrittenEbenegehtesimOberstufenunterrichtschließlichumdieEinführungundinhaltlicheErläu-terung/ErklärungvonBegriffenwieEnthalpieundfreieEnthalpie.DieBeziehungderChemiezumThemaEnergiewirdebenfallsaufdendreiNiveausdargestellt.EsfindensichBeispielefüreinfacheBetrachtungenenergie-reicherStoffumwandlungüberelektrochemischeundkalorimetrischeProzessehinzuquantitativenBeschrei-bungdesEnergieumsatzesbeichemischerReaktionen.AlleAspektesindbegleitetvonArbeitsblätternderPhysikundChemiesowieeinerReiheerprobterExperimente,dieebensowiealleAbbildungenaufderCD-ROMzufindensind.DieBegleitmaterialiensindgezieltaufihrenmöglichenEinsatz(Niveau,Alters-gruppe)abgestimmt.DieZuordnungensindjeweilsangegeben,sodassdieUnterrichtsplanungerleichtertwird.

2. M

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A Basis

B Mittelstufe

C Oberstufe

2DiefürdiesesBasiskonzeptunerlässlichehorizontaleVerknüpfungzwischendenNachbardisziplinenChemie,BiologieundPhysikistjedochvonnichtmindererBedeutungundisteinbesonderesAnliegenderAutoren.NachdemdieGrundlagendesThemasbehandeltunddieBeziehungderChemiezumThemaherausgestelltwordenist,kanndieReihenfolgederThemenBeleuchtung,WohnenundWärmeundMobilitätfreikombiniertwerden.JedesTeilthemawirdimTextteileingeleitetundinwichtigenZusammen-hängenerläutert.DiedeneinzelnenTeilaspektenzugeordnetenArbeitsblättererlaubeneinvertieftesEindringenindieThematik.WomöglichundsinnvollsinderprobteExperimentebeschrieben,dieeineproblemorientierteundmotivierendeErarbeitungderTeilaspektebegleiten.AlleSchülermaterialiensindsoaufgebaut,dassalleinein„Nachlesen“und„Nach-kochen“nichtzumVerständnisführenwird.VielmehrstehtdieAuseinandersetzungdesSchülersmitdemLerngegenstandimMittelpunkt.

DieindiesemInformationspaketbehandeltenTeilthemensindvondenBildungsstandardsChemieundPhysikfürdenmittlerenSchulabschlussprin-zipiellabgedeckt,allerdingsinunterschiedlichemAusmaß.FürdenOberstufenunterrichtbestehenkeineProbleme,diegenanntenBeispielezuthematisieren;hierwirddieLehrkrafteigeneSchwerpunktesetzen.AlleAnwendungen,dieindiesemInformationspaketangesprochenwerden,spielennichtnurimAlltagderSchülerinnenundSchülereineunmittelbareundspürbareRolle;anihnenlassensichzugleichwichtigechemischeundphysikalischeKonzepteveranschau-lichenunderarbeiten.AufdieseWeisekönnensichKontextorientierungundKonzeptbezugsehrgutergänzen.DasInformationspakethilft,die(häufigunterschätz-ten)GradederVernetzungdesThemasEnergieinnerhalbeinesnaturwissenschaftlichenFachesundauchzwischendenFächernfürdieSchülerinnenundSchülersichtbarwerdenzulassen—einewichtigeVoraussetzungfüranschlussfähigesundnachhal-tigesLernen.

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COOH

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Fluorescein

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Energie—GrundlagenundDefinition

EnergieisteingrundlegenderBegriffdereserlaubt,VorgängeundGesetzmäßigkeiteninderNaturundinderTechnikzubeschreiben.

DochEnergieistnichtgleichEnergie.Siekommtinzahl-reichenFormenvor,dieaufunterschiedlicheWeisein-einanderumgewandeltwerdenkönnen:— DerMountainbike-Fahrer„arbeitet“sichdenBerg

hoch,ererlangtdabeiLageenergie.DabeinutzterdieEnergie,dieinseinerNahrungsteckt.Sieermög-lichtihm,Arbeitzuverrichten.InseinenMuskelzellenwirddiesechemische EnergieinBewegungsenergieumgewandelt—allerdingsnichtvollständig,denneinTeilwirdzuthermischer Energie:DerRadfahrerkommtinsSchwitzen.

— InSolarzellenwirdStrahlungsenergiedirektinelektri-sche Energieumgewandelt,einElektromotorwandelt

dieseelektrische EnergieinBewegungsenergie,einTauchsiederinthermische Energieum.

SogibtesvielfältigeBeispielefürEnergieformenundEnergiewandler.Wärmeentstehtübrigensimmer,wennEnergieformengewandeltwerden—umgekehrtkannWärmeenergiejedochnichtvollständiginandereEnergieformenum-gewandeltwerden.MansprichtdeshalbindiesemZusammenhangauchvon„Abwärme“oder„Energie-entwertung“.

A Basis

ABBILDUNG 3–1

Beispiele für Energiewandlung

METHODISCHE ANMERKUNG

Einfache Experimente (PHY–EX1)

Vorschlägefürzahlreiche,einfacheExperimentezum

Thema„Energieumwandlung“.


Energieumwandlungsketten (PHY–AB1) und Tabelle zur Energieumwandlung (PHY–AB2)

DieArbeitsblättervermittelneinVerständnisdavon,

woimAlltagEnergieumwandlungeineRollespielt.

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3

VomKochfeldzumSchutzanzug:WieWärmeübertragenwird

EnergiekannaufunterschiedlicheArtenübertragenwerden.EineMöglichkeitistdieÜbertragungdurchWärmestrah-lung,d.h.durchelektromagnetischeWellen,zumBeispieldurchsichtbaresLichtoderInfrarotlicht.LetzteresumfasstelektromagnetischeWellenmitWellenlängenzwischen780nmund1.000.000nm(1mm).EinKochfeldausGlas-keramiküberträgtseineWärmeenergieimWesentlichendurchInfrarotstrahlungaufTöpfeoderPfannen.

Wärme„steckt“inderschnellenSchwingungbeziehungs-weiseBewegungvonAtomenundMoleküleneinesStoffes.Mankann thermische EnergiealsoalsdieBewegungs-energiedieserTeilchenauffassen:JeschnellerdieseBewegung,destomehrthermische EnergiehateinFest-stoff,eineFlüssigkeitodereinGasunddestohöheristdieTemperatur.DurchKontaktzwischenKörpernunter-schiedlicherTemperaturfließt thermische EnergievomwärmerenzumkälterenKörper.WieschnelldieserWärme-fluss—diesogenannteWärmeleitung—erfolgt,istun-teranderemabhängigvonderWärmeleitfähigkeitderMaterialien.BeieinemHeizkörpersollWärmemöglichstschnellübertragenwerden.DeshalbbestehterauseinemMaterialmithoherWärmeleitfähigkeit(heutzutagemeistStahl)undistgerippt,sodassereinegroßeKontaktflächemitderzuerwärmendenLufthat.

Wärmeübertragungunerwünscht:FeuerwehrleuteimEinsatztragenHitzeschutzanzüge,dieausisolierendemMaterialbestehen,alsoeinemMaterialmitschlechterWärmeleitfähigkeit.AußerdemhabensolcheAnzügeeinemetallisierteOberfläche,dievonFlammenausgehendeInfrarotstrahlungreflektiert.

WieeffektivgeschiehtEnergieumwandlung?BeiHeizanwendungenistesdasZiel,denEnergiegehaltbeispielsweisevonHeizölmöglichstvollständiginnutz-bareWärmeenergiezuüberführen.DasVerhältnisvoneingesetzterzunutzbarerEnergiewirddabeialsWirkungsgradbezeichnet.

BeimodernenGasheizungenliegtdieserzumBeispielbeietwa0,9.Dasheißt:90ProzentderimGasenthaltenenchemischenEnergiewirdtatsächlichzumErwärmenderWohnunggenutzt.BeieinerherkömmlichenGlühlampehingegenwerdennuretwa5ProzentdereingesetztenelektrischenEnergieinsichtbaresLichtumgewandelt;dergroßeRest„verpufft“alsWärme.DererwähnteMountainbike-FahrerhatübrigenseinenmaximalenWirkungsgradvon0,3.

BeiderBetrachtungdesWirkungsgradesundderquan-titativenVerhältnissebeiderUmwandlungvonEnergie-formenstelltsichdieFragenachderEinheit,inwelcherwirEnergiemessen.Schauenwirunsgenauum,sobe-gegnetunsdieseEinheittäglich,undzwaraufLebens-mittelverpackungen:DasKilojoule.MankanndasJoule(nachdemenglischenPhysikerJamesJoule)unterschied-lichdefinieren,jenachdemobmanmechanischeArbeitoderWärmemengenbetrachtet.DochwirwollenunshieraufLetzteresbeschränken:UmeinGrammWasservon15°Cauf15,239°CzuerwärmenbenötigtmaneinJoule.

TABELLE 3–1

Wärmewirkungsgrade von Verbrennungsprozessen(Umwandlung chemischer in thermische Energie)

Wärmequelle Wirkungsgrad (%)Gasherd(Haushalt) 30–40Kohleofen 30–50Kohleofen(Industrie) 80–90Gasheizung 80–90

B Mittelstufe

Wirkungsgrad = η =nutzbare Energie

eingesetzte Energie

Waus

Wein

oder


Experiment zur Erwärmung von Körpern durch Wärmestrahlung (PHY–EX2)

Messung des Wirkungsgrades eines elektrischen Wasserkochers (PHY–EX3)

SieheVersuchsvorschriften.

12

EnergieimFluss—Emission,Absorption&Co.

AlleKörperemittierenundabsorbierenelektromagneti-scheStrahlungineinemweitenSpektrum.Wennelektro-magnetischeStrahlungaufeinenGegenstandtrifft,sowirdsieteilweisereflektiertundteilweiseabsorbiert—einfarbigerKörperreflektiertvielsichtbaresLicht,währendeindunklerKörperdengrößtenTeilabsorbiert.DievoneinerOberflächeemittierteStrahlungsleistunglässtsichmitdemStefan-Boltzmann‘schenGesetzbe-schreiben:

PE = e · σ · A · T4

PE:emittierteLeistunge: Emissionsgrad,liegtzwischen0und1 abhängigvonderOberflächenbeschaffenheitσ: Stefan-Boltzmann-Konstante(5,6703·10–8W·m–2·K–4)A: GrößederOberflächeT: absoluteTemperatur*inKelvin

EmittierteinKörpermehrStrahlungalserabsorbiert,sokühlterabunderwärmtdabeiseineUmgebung.Absor-bierterhingegenmehralseremittiert,erwärmtersichaufKostenderUmgebung.SomitkannmanfürdieNetto-StrahlungsleistungΔP einesKörpersmitderTemperaturT1ineinerUmgebungmitderTemperaturT2schreiben:

ΔP = e · σ · A · (T14 – T2

4)

WennT1undT2gleichgroßsind,absorbiertderKörpergenausovielStrahlungsleistungwieeremittiert—erbefindetsichalsomitderUmgebungimthermischenGleichgewicht.BetrachtetmandieWellenlänge,beiderdasEmissions-maximumeinesKörpersauftritt,soistdieseumgekehrtproportionalzudessenTemperatur.Andersausgedrückt:JehöherdieTemperatureinesKörpersist,destogeringeristdieWellenlängeimEmissionsmaximum.

DieserZusammenhangistdurchdasWien‘scheVerschie-bungsgesetzdargestellt:

λmax = 2,898 mm · K / T

NebendergeschildertenÜbertragungvonthermischerEnergiedurchStrahlungunddurchKonvektion,alsoStrömungsvorgänge,diedurchTemperaturunterschiedeausgelöstwerden(beispielsweiseübereinemHeizkörper),istdiedritteVariantedieWärmeleitunginKörpern,alsodurchdirekteWechselwirkungzwischenihrenAtomenundMolekülen.BetrachtetmanetwaeinenMetallstab,dereinReservoirmitEiswassermiteinemReservoirmitheißemWasserverbindet,sowirdsichdieTemperaturindiesenReservoirsdurchdenWärme-strom,derdurchdiesenStabfließt,angleichen.DieserWärmestromistgegebendurch:

I = ΔQ/Δt = k · A · ΔT/Δx

I: WärmestromΔQ: WärmemengeΔt: ZeitspannederWärmeübertragungk: WärmeleitfähigkeitdesWärmeleitersA: QuerschnittsflächedesWärmeleitersΔT: TemperaturdifferenzΔx: LängedesWärmeleiters

DerWärmestrom(inWatt)durchdenWärmeleiteristalsoproportionalzudessenQuerschnittsflächeA,demTemperaturgradientenΔT/ΔxunddemProportionalitäts-faktork,welcherdieWärmeleitfähigkeiteinesMaterialsangibt.BesondershoheWärmeleitfähigkeithabenMetallewieSilber(429)undKupfer(401),niedrigeWerteweisendagegenGlas(0,7bis0,9)oderHartholz(0,15)auf(WertejeweilsinW·K–1·m–1).

HINWEIS

Kelvin ist die Einheit der absoluten Temperatur.

Der absolute Nullpunkt (also 0 K) liegt bei

-273,15 °C.

C Oberstufe

HINWEIS

EnthalpieundEntropie:

Wirhabengesehen,dassEnergieformenineinander

umwandelbarsind.Energiekannwedervernichtet

nocherschaffenwerden.DiesefundamentaleGesetz-

mäßigkeitistdieAussagedeserstenHauptsatzesder

Thermodynamik*.Andersausgedrückt:

13

3

ΔU = Q + W

ΔU: ÄnderungderinnerenEnergieQ: nettozugeführteWärmemengeW: nettozugeführteArbeit

ErbeantwortetallerdingsentscheidendeFragennochnicht:WarumkönnenverschiedeneEnergieformenvoll-ständiginWärmeumgewandeltwerden,abernichtumgekehrt?OderwarumbeobachtetmanzumBeispielniemals,dassausKohlendioxidundWasserdampfausderLuftspontanunterEnergieaufnahmeausderUmge-bungMethanundSauerstoffentstehen?UmdieseundähnlicheFragenzubeantworten,wollenwirimFolgendeneinigebeispielhafteReaktionenetwasgenauerbetrachtenunddabeieinezurBeantwortungbenötigte,neueGrößeeinführen:VerbrenntmaneinMolMethan(HauptbestandteildesErdgases),sogeschiehtdasgemäßfolgenderReaktions-gleichung:

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O

ErfolgtdieVerbrennungbeikonstantem Volumen,soistdiefreiwerdendeWärmemenge(mansprichtauchvonWärmetönung)gleichderAbnahmederinnerenEnergiedesSystems,inunseremBeispielbeträgtdieseAbnahme890,4kJ·mol-1.BeidieserReaktionwirdWärmeandieUmgebungabgegeben,sieistalsoexotherm.SehrofterfolgenchemischeReaktionenaberbeikonstantem Druck,sodassmitderUmsetzungderReaktionspartnermeisteineAusdehnungoderKontraktiondesSystemsverbundenist.UmdiesezuberücksichtigenbenötigenwireineneueGröße,dieals Enthalpiebezeichnetwird.IhreÄnderungentsprichtderSummederÄnderungenderinnerenEnergieundderzurAusdehnungoderKontraktionaufgewendetenVolumenarbeit:

ΔH = ΔU + P · ΔV

ManchmalmachtmandieBeobachtung,dassReaktionenablaufenunddabeiihrerUmgebungWärmeentziehen,alsoendothermsind.DieBetrachtungderEnthalpie-änderungalleinereichtalsonochnichtaus,umzueinerAussagedarüberzugelangen,obeineReaktionmöglichistodernicht.WirbenötigeneineweitereGröße,diealsEntropie(FormelzeichenS)bezeichnetwirdunddie

mansichvereinfachtanschaulichalseinMaßfürdie„Unordnung“einesSystemsvorstellenkann.Ungeord-nete,entropiereicheZuständesindwahrscheinlicheralsgeordnete,entropiearmeZustände.GeordneteZuständegehensehrleichtinungeordneteüber,derumgekehrteWegerfordertEnergie.(InderWärmelehresprechenwirvoneinerEntropieerhöhungbei„Energieentwertung“,d.h.wenndieMengeannichtweiternutzbarerEnergieansteigt).EinBeispielfüreinesolcheendothermeReaktionistdieAuflösungeinerBrausetabletteinWasser.Brausetablet-tenundauchBrausepulverenthaltenüblicherweiseeinCarbonatundeineorganischeSäure.BeispielhaftsolldieReaktionzwischenNatriumhydrogencarbonatundCitro-nensäurebetrachtetwerden:

3 NaHCO3 + HOC(COOH)(CH2COOH)2

HOC(COONa)(CH2COONa)2 + 3 H2O + 3 CO2

DieLösungkühltsichdabeiab,demWasserwirdWärmeentzogen.GleichzeitigerhöhtsichdieEntropieSdesSystems.Andersausgedrückt:EsläufteinVorgangab,beidemdasSystemineinenZustandhöhererRealisierungswahrschein-lichkeit(freibeweglicheGasteilchenimVergleichzuzuvoramOrtgebundenenTeilcheninderBrausetablette)über-geht.DerumgekehrteVorgang,nämlichdassKohlen-dioxidausderUmgebungspontanineineNatriumcitrat-lösungunterBildungvonNatriumhydrogencarbonatundCitronensäureeinströmt,wirdniebeobachtet.DieÄnderungderEnthalpieerlaubteineAussagedarüber,obeineReaktionexothermoderendothermist.DieEnthalpielässtsichmitderEntropiezueinerneuenGröße,derfreien Enthalpiezusammenfassen.DieÄnde-rungdieserGrößewirdinderGibbs-Helmholtz-Gleichungdargestellt:

ΔG = ΔH – T · ΔS bzw. ΔG0 = ΔH0 – T · ΔS0

(DerIndex„0“bedeutet,dassmandieWerteunterStandardbedingungen,also1.013hPaund25°Cbetrachtet).AusgehendvondieserGleichungkannmanchemischeReaktionensystematisieren:

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BeidenhiergeschildertenFällenhandeltessichumdieEntropieänderungineinemSystem.Dazumussbemerktwerden,dasseineEntropieabnahmeineinemSystemmiteinermindestensebensogroßenEntropiezunahmederUmgebungeinhergeht.DieserzentraleSachverhaltwirdinderfolgendenFormu-lierungdeszweitenHauptsatzesderThermodynamikzumAusdruckgebracht:

EinespontaneÄnderungistimmermiteinerZunahmederGesamtentropiedesWeltallsverbunden.

DerzweiteHauptsatzliefertauchdieBegründungdafür,warumWärmenichtvollständiginmechanischeArbeitumgewandeltwerdenkann,denndieswürdezueinerAbnahmederGesamtentropiedesWeltallsführen.DieBetrachtungderEntropieistsehrnützlich,umdenAnteilderWärmeenergie,welcherinWärme-Kraft-MaschineninBewegungsenergieumgewandeltwird,zuermitteln.EinbekanntesBeispielfüreinesolcheWärme-Kraft-

MaschineistdieTurbineeinesKraftwerks.SieentziehteinemWärmereservoirmithoherTemperatur(heißerDampfausdemKessel)WärmeundgibtdieseaneinReservoirmitniedrigererTemperatur(Kühlwasser)ab.Dabeitrittaufder„Hochtemperaturseite“eineAbnahmederEntropieeingemäß

ΔSh = - Qh/Th

währendaufder„Niedrigtemperaturseite“eineZunahmederEntropiestattfindet:

ΔSn = + Qn/Tn

DadieEntropieänderunginsgesamtpositivseinmuss,gilt:

- Qh/Th + Qn/Tn > 0oderumgestelltQn > QhTn/ Th

EswirdderAnteilinnutzbareArbeitumgewandelt,dernichtwiederalsWärmeabgegebenwird.DiesenWirkungsgradkannmanschreibenals:

η = (Qh - Qn ) / Qh

ABBILDUNG 3–2

Schematischer Ablauf ein- und mehrstufiger chemischer Reaktionen

∆GR < 0 ∆GR > 0

Elementarreaktion 1 Elementarreaktion 2

Zwischenstand

12

Edukte

Edukte

Edukte

Produkte

Produkte

Produkte

E E

RKt RKt RKt

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TABELLE 3–2

Reaktionsbegünstigende Bedingungen

Enthalpie des (Reaktions-)Systems Entropie des (Reaktions-)Systems Reaktion läuft spontan abNimmtab(exotherm)(ΔH<0) nimmtzu(ΔS>0) ja(ΔG<0)Nimmtab(exotherm)(ΔH<0) nimmtab(ΔS<0) wennT·ΔS>ΔHNimmtzu(endotherm)(ΔH>0) nimmtzu(ΔS>0) wennT·ΔS>ΔHNimmtzu(endotherm)(ΔH>0) nimmtab(ΔS<0) nein(ΔG>0)

∆GR

15

3

DurchEinsetzendesobigenTermsfürQnlässtsichQheliminierenundmangelangtzu:

η = 1 - (Tn/Th )

DersoerhalteneCarnot-Wirkungsgradgibtdentheore-tischmaximalerreichbarenUmwandlungsgradvonWärmeinnutzbareArbeitan.FüreinmodernesDampf-kraftwerkmiteinerFrischdampftemperaturvon600°C(Th=873K)undeinerKondensatortemperaturvon18°C(Tn=291K)ergibtsicheinCarnot-Wirkungsgradvon0,67.InderPraxiswerdenaufgrundunterschiedlichsterFaktorengeringereWerteerzielt.DieUmwandlungvonWärmeinBewegungsenergiekannmansichanhanddesBeispielsderDampfturbineverdeutlichen:WasserwirdineinemVerdampfer(bspw.ineinemkohlebe-feuertenKessel,einemKernreaktoroderineinerspe-

ziellenSolarthermieanlage)durchZufuhrvonthermi-scherEnergieinDampfmithohemDruckundhoherTemperaturumgewandelt.DieserDampftreibtdieTurbi-nean(wobeiDampfturbinenoftmehrstufig,angepasstandieauftretendenDrücke,ausgelegtsind).Derabge-kühlteDampfwirdnunwiederverflüssigt(diedabeian-fallende„Abwärme“wurdeinderVergangenheithäufigbspw.aneinenFlussabgegeben—heuteistmanbe-müht,diesethermischeEnergiesinnvollzunutzen,bspw.zuHeizzwecken).DasnunwiederflüssigeWasserwirddemVerdampferzugeführtundderKreisistgeschlos-sen.ZurexaktenBeschreibungsolchersogenannterKreis-prozesseexistierenzahlreichetheoretischeModelle,de-renzentralesModellderCarnot‘scheKreisprozess*ist,ausdemsichderobendargestellteCarnot-Wirkungsgradergibt.

ABBILDUNG 3–3

Carnot‘scher Kreisprozess

Isolation

Isotherme Expansion

Isotherme Kompression

AdiabatischeKompression

AdiabatischeExpansion

Wärmereservoirmit Th

Wärmereservoirmit Tn

Gas

Gas

Gas

| Qh |

IsolationIsolation

Isolation

| Qn |

P

V

1 2

2 3

3 4

4 1

Gas

1

2

3

4

Adiabate

Isotherme

Qh

Qn

Modifiziertnach:PaulA.Tipler,GeneMosca,„PhysikfürWissenschaftlerundIngenieure“,2.Auflage(2007),SpektrumAkademischerVerlagHeidelberg,S.596

16

EnergiereicheStoffumwandlungen

AusdemSchulunterrichtkennenwirdieReaktionvonmetallischemNatriummitWasserzuWasserstoffundNatriumhydroxid.BeidieserReaktionwirdWärmeenergiefreigesetzt,eshandeltsichalsoumeineexothermeReak-tion.ImAlltagbegegnenunszahlreicheweitereBeispielefürexothermeUmsetzungen.SozählenalleVerbren-nungsvorgängedazu,beispielsweisedieVerbrennungvonHaushaltsabfällenineinemMüllheizkraftwerk.FindeteineReaktionhingegenunterWärmeaufnahmeausderUmgebungstatt,sosprichtmanvoneinerendo-thermenReaktion.VieleReaktionenbenötigendarüberhinauseinenKatalysator,alsoeinenStoff,derdieReaktionüberhaupterstermöglichtoderzumindestbeschleunigtundzwarohnedabeiselbstverbrauchtzuwerden.Bei-spielsweiseermöglichenerstdiePlatinmetalleimAbgas-katalysatoreinesAutosdieReaktionvonKohlenstoffmono-xidundunverbranntenKohlenwasserstoffenzuKohlen-stoffdioxidundWassersowiedieReaktionvonKohlen-stoffmonoxidundStickstoffmonoxidzuStickstoffundKohlenstoffdioxid.DieseReaktionensindzwarexotherm,würdenaberunterdenimAbgasherrschendenBedin-gungenohneKatalysatornichtstattfinden.EineandereFormderKatalysefindetsichbeiselbstreinigendenFarbenaufBasisvonnanostrukturiertem*Titanoxid:Diesenut-zendieEnergiedesSonnenlichtes,umausWasserundLuftsauerstoffineinerendothermenReaktionRadikalezubilden,dieSchmutz(organischeSubstanzen)zerstö-

renundaußerdemdesinfizierendeWirkungbesitzen.ImZugederBemühungen,denAnteilerneuerbarerEnergienanunsererEnergieversorgungzusteigern,gewinntdieNutzungvonBiomassealsEnergieträgerzunehmendanBedeutung.UmausBiomassenieder-molekulareVerbindungenzugewinnen,unterziehtmansiederPyrolyse*,alsoeinerthermischenSpaltung:IneinerendothermenReaktionwerdengroßeMolekülewieCelluloseineinkomplexesGemischkleinererMole-külegespalten,dieteilweisealsEnergieträgergenutztwerdenkönnen.

A Basis

ABBILDUNG 4–1

Exotherme Reaktionen in Schule und Alltag

ReaktionvonmetallischemNatriummitWasserzuWasserstoffundNatriumhydroxid

VerbrennungvonHaushaltsabfällenineinemMüllheizkraftwerk

4. C

hem

ie u

nd E

nerg

ie


Modellversuch zum Autokatalysator (CH–EX1)

DerModellversuchzumAutokatalysatormachtdie

EigenschafteneinesKatalysatorsbeobachtbar:Erliegt

nachderReaktionunverändertvor—amPlatindraht

direktsichtbar—undistinderLage,dieAktivierungs-

energieeinerReaktionbeträchtlichherabzusetzen.Im

hiergewähltenBeispielentzündetsichdasFeuerzeug-

gasohneeinenZündfunken.ImVergleichzumAuto-

katalysatorkannmanaufdieÄhnlichkeitdesKatalysator-

Materialshinweisen,aberaucherwähnen,dassdort

nichtausschließlichdieVerbrennungvonKohlenwasser-

stoffenstattfindet,sondernauchdievonKohlenstoff-

monoxidunddieReduktionvonStickstoffoxiden.

17

4

TABELLE 4–1

Leitfähigkeiten verschiedener Stoffe

EnergiemitElektrochemie

EinTeilgebietderChemie,dasfürdenEnergiebereicheinegroßeRollespielt,istdieElektrochemie.Vonihrsprichtman,wennimZusammenhangmiteinerchemi-schenReaktioneinelektrischerStromfließt.DerBegriff„elektrischerStrom“bezeichnethiernichtnurdenElektronenfluss,zumBeispielineinemMetall-draht,sondernauchdenTransportvonanderenLadungs-trägern,alsopositivodernegativgeladenenIoneninLösungenoderSalzschmelzen.VoraussetzungdafüristdasVorhandenseinvonLadungsträgern,wassichwie-derumaufdieLeitfähigkeit,beispielsweiseeinerSalz-lösung,auswirkt.DieseLeitfähigkeitσwirdinSiemensproMeter(S·m–1bzw.Ω–1·m–1)angegebenundhatjenachSubstanzsehrunterschiedlicheWerte.

n-HexanisteineunpolareSubstanz,dienichtinIonenzerfälltunddahereineextremgeringeelektrischeLeit-fähigkeitaufweist.ReinesWasserunterliegteinersoge-nanntenEigendissoziation,dasheißteszerfälltzumTeilinnegativgeladeneHydroxidionenundinpositivgela-deneOxoniumionengemäß:

2H2O H3O++OH−

DennochistdieLeitfähigkeitverhältnismäßiggering,dabei25°CdiesebeidenLadungsträgerjeweilsnurineinerKonzentrationvon10−7mol·L−1vorliegen.BeiMeerwasseristdieLeitfähigkeitsehrvielhöher,dadurchdiegelöstenSalzeseineIonen-Konzentrationetwa1,1mol·L−1beträgt.Kupferwiederumhatalsmetalli-scherLeitereinedeutlichhöhereLeitfähigkeit.Diebe-

sonderenEigenschaftenvonMetallensindimwahrstenSinnedesWortesaugenfällig:IhreUndurchsichtigkeitundauchihrmetallischerGlanzsindebensowieihreelektrischeLeitfähigkeitFolgederleichtenBeweglich-keitihrerElektronen.DiesekanninderModellvorstel-lungdesElektronengasesveranschaulichtwerden:DieäußerenElektronenderMetallatomesindnichtandie„Atomrümpfe“gebunden,sondernzwischenihnenfreibeweglich.

EinzentralerVorganginderElektrochemieistdieRe-doxreaktion:DabeiisteineReaktion,welcheunterAuf-nahmevonElektronenstattfindet(Reduktion),aneineReaktionunterAbgabevonElektronen(Oxidation)ge-koppelt.DasPrinzip,denbeiRedoxreaktionenauftre-tendenElektronenflusszwischendenbeteiligtenReak-tionspartnernübereinenäußerenStromkreiszukanali-sieren,liegtderGewinnungundSpeicherungelektri-scherEnergieineinem„galvanischenElement“*zu-grunde.DazuwerdendieOxidationsreaktion(imsog.Anodenraum)unddieReduktionsreaktion(imsog.Katho-denraum)räumlichgetrennt.RedoxreaktionenkönnenfreiwilligablaufenunddabeiStromliefernoderaberumgekehrtdurchelektrischenStromerzwungenwerden.GalvanischeElemente,indenendieRedoxreaktionenfreiwilligablaufen,dienichtdurcheineäußereSpan-nungwiederumgekehrtwerdenkönnen,werdenalsPrimärelemente(Batterien)bezeichnet;sinddieReak-tionendurchäußereSpannungumkehrbarsprichtmanvonSekundärelementen(Akkumulatoren).Derfrüherverbreitete,etwasungenaualsZink-Kohle-ElementbezeichneteBatterietypistheutzutageweitgehenddurchdiesogenannteAlkali-Mangan-Batterieverdrängtworden.DiesenutztzwarauchZinkundMangandioxid,besitztabereinemehralsdoppeltsohoheEnergiedich-teundistauslaufsicher.EinewichtigeKenngrößevonBatterienundAkkumulatorenistdieNennspannung,welchedurchdasRedoxpotenzialdereingesetztenReaktionspartner,aberaucheinigeweitereFaktorengegebenist.

Stoff Leitfähigkeit in S · m–1

n-Hexan 1·10–10

ReinesWasser 5,5·10–6

Seewasser 4,8Kupfer 58·106

B Mittelstufe

18

DasAufladeneinesAkkumulators,alsodasErzwingeneinerRedoxreaktiondurchAnlegeneinesäußerenelektri-schenStroms,isteinSonderfalldesgrundlegendenVer-fahrensderElektrolyse.DamiteineElektrolysestattfindenkann,musseineelektrischeSpannungangelegtwerden,diemindestensderZersetzungsspannungdeszuelektro-lysierendenStoffesentspricht.DieseisteinerseitsgegebendurchdieelektrochemischeSpannungsreihe,andererseitswirdsiedurchweitereFaktorenwiepH-Wert,TemperaturoderBeschaffenheitderElektrodenoberflächebeeinflusst.BeieinemBlei-AkkumulatorkannmandieReaktionsglei-chungenanAnodeundKathodezusammenfassenzu:

2 PbSO4 + 2 H2O Pb + PbO2 + 2 H2SO4

Hierbeistelltdie„Hinreaktion“,alsodasLadendesAkku-mulators,eineElektrolysedar.UnterZufuhrelektrischerEnergiewerdenPb2+-IoneninelementaresBleiundinPb4+-Ionenüberführt.BeimEntladenwerdendarauswiederPb2+-Ionen–zugleichwirdelektrischeEnergiefrei.EinesderbekanntestenBeispielefüreineElektrolyseistdieZersetzungvonWasserinWasserstoffundSauer-stoff.SiespieltbeiderEnergiegewinnungeinezuneh-mendeRolle,dadieumgekehrteReaktionineinerge-eignetenAnordnung,derBrennstoffzelle,genutztwer-denkann,umdiebeiderReaktionvonWasserstoffmit

SauerstofffreiwerdendeEnergiedirektinelektrischenStromumzuwandeln.

WiebeiallenEnergiewandlungsprozessentretenauchbeiderElektrolyseundihrerUmkehrungVerlusteauf,sodassmaneinemAkkumulatorniediegleicheStrom-mengeentnehmenkann,diemanzuvorhineingesteckthat:DerAkkuerwärmtsichsowohlbeimLadenalsauchbeimEntladen.

MitderMessungvonWärmemengen,diebeichemischenReaktionenaberauchbeibiologischenundphysikali-schenVorgängenumgesetztwerden,beschäftigtsichdieKalorimetrie.SieerlaubtAussagendarüber,obVor-gängeexothermoderendothermsind.EineVorrichtungfürsolcheMessungenwirdalsKalorimeterbezeichnet.ImeinfachstenFallbestehtesauseinemPolystyrol-BecherodereinementsprechendwärmeisoliertenBecherglasmiteinemloseaufgesetztenDeckel(umDruckausgleichzuermöglichen)undeinemThermo-meter.GibtmannunAusgangssubstanzeneinerchemischenReaktionoderzumischendeFlüssigkeitenindieseeinfacheVorrichtung,kanndiedamiteinher-gehendeTemperaturänderunggemessenwerden.

ABBILDUNG 4–2

Chemische Reaktionen in Batterien und Akkumulatoren

Typ Anodenreaktion Kathodenreaktion Nennspannung„Zink-Kohle“ Zn+2NH4Cl 2MnO2+2H++2e– 1,5 Volt [Zn(NH3)2Cl2]+2H++2e– 2MnO(OH)„Alkali-Mangan“ Zn+2OH– MnO2+2H2O+2e– 1,5 Volt ZnO+H2O+2e– Mn(OH)2+2OH–

Blei-Akku Pb+SO42– PbO2+SO4

2–+4H++2e– 2 Volt PbSO4+2e– PbSO4+2H2ONickel-Metall- MH+OH– NiO(OH)+H2O+e– 1,2 Volthydrid-Akku M+H2O+e– Ni(OH)2+OH–

Lithium-Ionen-Akku LixCn Li1-xMn2O4+xLi++xe– 3,6Volt Cn+xLi++xe– LiMn2O4

19

4

VerbrennungsreaktionensindeinBeispielfürRedoxreak-tionen.DieEnthalpieänderungbeibestimmtenReakti-

onstypenlässtsichauchimobengeschilderteneinfachenAufbaubestimmen.InähnlicherWeisekannetwaauchdieNeutralisationsenthalpiederReaktion:

gemessenwerden.Hierzuwerdenje50mLeinerKalium-hydroxidlösung(c=1mol/L)und50mLeinerSalzsäure-lösung(c=1mol/L)zusammengegeben.ZuvorwurdedasKalorimeterbeispielsweisedurchErwärmungvon100mLeinerKaliumchloridlösungmiteinerdefiniertenWärmemengekalibriert.

ABBILDUNG 4–3

Aufbau einer Elektrolysezelle

A A

e- 2e-e-

e- 2e-Zn2+

Zn2+

2 Zn

e- l2

l-

l-

e-

e-

l2

l-

l-

e-

e-

+-+-

Katio

nen

(+)

Anio

nen

(-)

Znl2-Lösung

Amperemeter

Allgemeines Prinzip Am Beispiel Elektrolyse einer

Zinkiodid-Lösung

Kath

ode

Grap

hit-K

atho

de

Anod

e

Grap

hit-A

node

Voltmeter

Amperemeter

Voltmeter

ABBILDUNG 4–4

Aufbau eines einfachen Kalorimeters

Thermometer

Rührer

Erlenmeyerkolben

100 mL Wasser

Konservendose

Löcher zur Luftzirkulation

Spiritusbrenner


Kalorimeter und Wärmekapazität (CH –EX2)

BeimEigenbau,ggf.alsWettbewerbvonSchülergruppen,

eines Kalorimeters kann man Alltagserfahrungen zu

besonders gut isolierenden Materialien aktivieren und

verschiedeneMaterialienundBauweisenaufihrespezi-

fischenVor-undNachteilehinuntersuchen.

KOH + HCl KCl + H2O

Abscheidung Abscheidung

20

ExakteMessungenergebenfürdieseReaktiondenWertvon57kJ·mol–1,undzwarbeiunterschiedlichenSäurenundBasen,daessichumdieReaktionsenthalpiederfolgendenReaktionhandelt:

OH– + H3O+ 2 H2O

AuchEnthalpieänderungen,diebeireinphysikalischenVorgängenwiedemMischenzweierFlüssigkeitenohneAuftreteneinerchemischenReaktionstattfinden,könnenmiteinemsolcheneinfachenKalorimeteraufbaubestimmtwerden.SotrittbeimVermischengleicherStoffmengenGlycerinundWassereinenegativeEnthalpieänderungauf,dasheißtderVorgangistexotherm.

EnergieumsatzbeiVerbrennungsvorgängen

DieSpannbreitederbeichemischenReaktionenumge-setztenEnergiemengenistsehrgroß.DieNeutralisations-reaktionOH–+H3O+ 2H2Osetztmit57kJ·mol–1verhältnismäßigwenigWärmefrei.DieOxidationvonGlukosezuWasserundKohlenstoffdioxidhingegenliefertsehrvielmehrEnergie,sieiststarkexotherm.DieFrage,wieexothermoderendothermeineReaktionist,lässtsichentscheiden,wennmandiemolarenStandardbil-dungsenthalpienderEduktevondenenderProdukteabzieht(H0

bfürO2=0kJ·mol–1).BeiVerbrennungspro-zessensprichtmandannvonderStandardverbrennungs-enthalpieΔH0

c(cvonengl.„combustion“=Verbrennung).

C6H12O6 + 6 O2 6 H2O + 6 CO2

ΔH0c = [6 mol · (-285,83 kJ · mol–1) + 6 mol ·

(-393,51 kJ · mol–1)] – [1 mol (-1.268 kJ · mol–1) + 6 mol · 0 kJ · mol–1]= - 2.808,04 kJ · mol–1

Andersausgedrückt:MitderbeidervollständigenOxida-tionvoneinemGrammGlukose(MGlukose=180,16g·mol–1)gebildetenWärmeließesicheinKilogrammWasserum3,73°Cerwärmen.ImmenschlichenKörperfindetinderSummezwaraucheineOxidationvonGlukosezuKohlenstoffdioxidundWasser

statt,dieseläuftjedochüberzahlreicheZwischenstufen.DieReaktionsenthalpiedereinzelnenbeteiligtenReaktio-nenistjeweilsdeutlichkleiner,insgesamtwirdallerdingsderobengenannteWertvon2.808,04kJ·mol–1erreicht.DiesisteinBeispielfürden1840vonGermainHenriHessformuliertenundnachihmbenannten„SatzvonHess“:

Die Enthalpieänderung einer Gesamtreaktion ent-spricht der Summe der Enthalpieänderungen der zugrunde liegenden Einzelreaktionen. Dabeiistesunerheblich,inwelcheEinzelreaktionendieGesamtreaktionzerlegtwerdenkann.Wärediesnichtso,könntemanhypothetischdurchDurchlaufenverschie-denerEinzelreaktionennettoEnergie„erzeugen“—einsolchesPerpetuummobile*stehtaberimWiderspruchzudenNaturgesetzen,insbesonderezumErstenHaupt-satzderThermodynamik.

SowiedieOxidationvonGlukoseinunserenKörperzellendiewesentlicheEnergiequelledarstellt,sospieltdieOxi-dationenergiereicherKohlenwasserstoffenochimmerdieüberragendeRollebeiderEnergiegewinnungfürindus-trielleProzesse,WärmegewinnungundinsbesondereimBereichderMobilität.DieEnthalpieänderungbeiderVerbrennungvonIso-Octan,einemtypischenInhaltsstoffdesOtto-Kraftstoffs,errechnetsich—entsprechenddenobigenAusführungen—ausdenStandardbildungsenthal-pienderReaktanden.DieGleichungdervollständigenVerbrennunglautet:

2 C8H18 + 25 O2 16 CO2 + 18 H2O

DamitergibtsichfürdieseReaktion

ΔH0c = 18 mol · (-285,83 kJ · mol–1) + 16 mol ·

(-393,51 kJ · mol–1) – [2 mol · (- 259,3 kJ · mol–1) + 25 mol (0 mol kJ · mol–1)]= - 10.922,5 kJ

HINWEIS

Unter Standardbildungsenthalpie versteht man die

Energie, die bei der Bildung eines Mols einer Substanz aus

den Elementen aufgenommen oder abgegeben wird.

Für Elemente ist sie definitionsgemäß gleich null.

C Oberstufe

21

4

ZerlegtmandieseReaktioninzweimöglicheTeilreaktionenundsummiertdiemitihneneinhergehendenEnthalpie-änderungen

2 C8H18 + 17 O2 16 CO + 18 H2O | - 6.394,8 kJ

und

16 CO + 8 O2 16 CO2 | - 4.527,7 kJ

sogelangtman–entsprechenddemSatzvonHess–wiederzudemWertvon-10.922,5kJ.DainobigerGleichung2moliso-Octanauftauchen,istdiemolareVerbrennungsenthalpieentsprechend5.461,25kJ·mol–1.AufdieMassebezogenheißtdas:BeiderVer-brennungvoneinemGrammiso-Octanwerden47,81kJfrei,währenddieVerbrennungvoneinemGrammGlucose15,59kJliefert.Darauswirddeutlich,warumKohlenwasserstoffeeineüberragendeRollealsEnergieträgerspielen:IhreEnegiedichteistimVergleichzuanderenStoffensehrhoch.

ÄhnlicheBetrachtungenzumThema„Energiegehalt“wiefürVerbrennungsvorgängelassensichfürgalvanischeEle-mente,zumBeispielBlei-Akkumulatoren,anstellen.UmdievoneinemAkkugelieferte,nutzbareEnergiemöglichstexaktzuerfassen,betrachtenwirimFolgendendiefreieReaktionsenthalpieΔG,diewirimvorherigenAbschnittkennengelernthaben:DerZusammenhangzwischenderSpannungeinergalvanischenZelle,alsodemPotenzialunter-schiedzwischendemRedoxpaaranderAnodeundderKatho-de,undΔGistdabeidurchdiefolgendeFormelgegeben:

ΔG = -n F E

n:StoffmengederumgesetztenElektronenF:Faradaykonstante96,485kC·mol–1

E:elektrischesPotenzialinVoltBleibenwirbeimBeispieldesBlei-Akkumulators.DieGesamtgleichungdesEntladevorgangslautet:

Pb + PbO2 + 2 H2SO4 2 PbSO4 + 2 H2O mitE0=2,04Voltoder2,04kJ·kC–1

SetztmandiesindieobigeGleichungein(wobeimanbe-achtenmuss,dass2molElektronenfließen),soerhältmandieÄnderungderfreienEnthalpieinobigerGleichungzu:

ΔG = - 2 mol · 96,485 kC · mol–1 · 2,04 kJ · kC–1 = - 393,66 kJ

BerechnetmandavonundvondenmolarenMassenvonBlei,BleidioxidundSchwefelsäureausgehenddieEnergie-dichtediesesSystems,soerhältmaneinenWertvon0,613kJ·g–1.DiesistallerdingseintheoretischerWert,danatürlichkeinekonzentrierteSchwefelsäurezumEinsatzkommtundauchKomponentenwieAkkumulatorgehäu-seetc.berücksichtigtwerdenmüssen,sodassinderPra-xiseherWertevon0,11kJ·g–1erreichtwerden.DasisteineetwaumdenFaktor435geringereEnergiedichtealsdiedesIso-Octans.Hieranerkenntmaneinederbe-sonderenHerausforderungenaufdemWeghinzurElektromobilität:dieEntwicklungvonelektrochemischenSpeichernmithoherEnergiedichte.NatürlichistderEner-giespeicheralleinenichtausschlaggebendfürdieEnergie-effizienzeinesAntriebssystems.VergleichtmandenWir-kungsgradeinesElektromotorsmitdemeinesVerbren-nungsmotors,soschneideterstererdeutlichbesserab:Die-serkannbeibiszu99Prozentliegen,beiVerbrennungs-motorenliegterimBereichvon25bis35Prozent.


Satz von Hess Bestimmung der Reaktionsenthalpie (CH–EX3)

ImExperimentwirdderSatzvonHessdurcheigene

Messungennachgeprüft.Denkbarist,Schülernach

anderengeeignetenReaktionsfolgenzubefragen.

TABELLE 4–3

Energiegehalt verschiedener Energieträger

Energieträger Energiegehalt (kJ · g–1)Wasserstoff(Verbrennung) 143Wasserstoff(Tritium/Deuterium-Gemisch,Kernfusion) 3,6·108

Uran-235(Kernspaltung) 8,2·107

Dieselkraftstoff 45,4Ethanol 29,7TrockenesHolz 19

22

5. B

eleu

chtu

ng Lampengesternundheute

GlühlampengehörenzuunseremAlltagunddieklassische„Glühbirne“—wiesieimVolksmundauchgenanntwird—istbereitsüber130Jahrealt.1881meldeteThomasAlvaEdisonindenUSAeinPatentaufeineGlühlampean,indereinverkohlterBaumwollfadenvonStromdurchflossenwurde.ModerneGlühlampenenthalteneinenGlühfadenodereineGlühwendelausWolfram.UmunsereUmweltunddasKlimazuschützen,müssenwirverantwortungsvollerundsparsamermitEnergieum-gehenalsbisher.DaherstehtdieherkömmlicheGlühlam-peheuteineinemvergleichsweiseschlechtenLichtda,denn:InihrwerdennurmaximalfünfProzentdesaufgewen-detenelektrischenStromsinsichtbaresLichtumgewandelt.DerRestgehtalsWärmeverloren.DeshalbbeschlossdieEuropäischeUnionimJahr2008,nachundnachden

VerkaufbesondersenergieverschwendenderLampenmit100,75und60WattLeistungbis2011schrittweisezuverbieten.TrotzdemmüssenwirnichtimDunkelnsitzen:InvielenHaushaltenhatmaninzwischenaufsogenannteEner-giesparlampenumgestellt.DaskönnenHalogen-Kom-paktleuchtstofflampenoderLeuchtdioden(LEDs)sein.Diekleinen,sehrhellenundverbrauchsarmenLEDsgibtesfürdieRaumbeleuchtungzumBeispielalsStrahler-bündelzukaufen.

A Basis

ABBILDUNG 5–1

Verschiedene Leuchtmittel

HINWEIS

DasrichtigeLichtistwichtigfürunserWohlbefinden.

ScheintimWinterlangenichtdieSonne,fühlensich

mancheMenschenbedrücktodersogardepressiv.

AuchinderSchuleundamArbeitsplatzmussdasLicht

stimmen.DerGesetzgeberhatstrengeVorschriften

erlassen,damitdortdieLampendierichtigeAnbringung,

HelligkeitundFarbehaben.


Vergleich der Beleuchtungsstärke einer Glüh- lampe und einer Energiesparlampe (PHY–EX4)

SieheVersuchsvorschrift.

23

5

TABELLE 5–1

Historie der Lichtquellen seit 1.000 v.Chr.

1.000v.Chr. Kerzen600v.Chr. Ölkeramiklampen280v.Chr. ErsterLeuchtturm(Alexandria)1772 Gaslampen1783 Petroleumlampen1826 Kalklicht(Calziumoxid-Brenner)Seitca.1820 GlühlampenmitGlühfadenoderGlühwendel20.Jahrhundert LampenmitleuchtendenGasen(Hg,Na,Ne,Xe)21.Jahrhundert LeuchtendeFestkörper(AlInGaP,AlInGaN)

Waspassiertchemischundphysikalisch,wenneineLampeleuchtet?

Was ist Licht?DasfürunssichtbareLicht,ebensowiedieunsichtbareultravioletteStrahlungundInfrarotstrahlung(Wärme),

sindphysikalischbetrachtetelektromagnetischeWellenmiteinerbestimmtenWellenlängeλ.SichtbaresLichtliegtimBereichderWellenlängenvon380bis700nm.Kurzwelligerals380nmistderBereichderultraviolettenStrahlung,langwelligerals700nmdieInfrarotstrahlung.

B Mittelstufe

ABBILDUNG 5–2

Elektromagnetisches Wellenlängenspektrum von Ultraviolett bis Infrarot

Das für den Menschen sichtbare Spektrum (Licht)

400 450 500 550 600 650 700

Ultraviolett Infrarot

24

SpaltetmanbeispielsweisedasLichteinerherkömmlichenGlühlampemiteinemPrismaauf,siehtmaneinkontinu-ierlichesSpektrumallerRegenbogenfarben.DassObjektebeiZufuhrvonWärmeenergieLichtaus-senden,kenntmanvonvielenBeispielen:vonvulkanischerLavaüberglühendeKohleimOfenbishinzurHerstellungvonIndustriestahl.DabeikenntjederdasPhänomen,dassKörper,solangesienochwenigerheißsind,rotglühen,aberbiszur„Weißglut“erhitztwerdenkönnen.(DerPhysikerMaxPlanckhatdiesinseinemberühmtenStrahlungsgesetzmathematischbeschrieben.)

KünstlicheLichtquellenUnterdenheutegebräuchlichenLichtquellenunterschei-detmansogenannteTemperaturstrahler(GlühlampenundHalogenlampen)undLumineszenzstrahler(Leucht-dioden,Entladungslampen).InTemperaturstrahlernwirdeinMaterialmiteinemelektrischenWiderstandR(z.B.dieGlühwendel)vonStromdurchflossen,erhitztsichdadurchundstrahltLichtab.DerEindruckangenehmhellenLichtsentstehtfürunserAugeabTemperaturenvon2.000°C.JehöherdieTemperaturwird,destointensiveristderLichteindruck.HöhereEnergieersparnis,mehrLeistung,längereLebens-dauerundspezialisierteAnwendungen:DieseZielekönnenvorallemdurchdieBeiträgederChemieer-reichtwerden,denndieEntwicklungneuerMaterialienundSystemeisteineentscheidendeTriebfederfürFort-schrittimBeleuchtungssektor.


Unterschiedliche Lichtspektren und das Wachstum von Algen in Tropfsteinhöhlen (PHY–AB3)

HerkömmlicheGlühlampengebenein„warmesLicht“ab.

EinigeLeuchtstoffröhrenundLeuchtdioden(LEDs)sindfür

ihrbläuliches,„kaltes“Lichtbekannt.InTropfsteinhöhlen

werdendieFelsräumedamitgerneeffektvollbeleuchtet.

DieSchülersollenerklären,warumaufdemfeuchtenStein

imLichteinerGlühlampegrüneAlgenwachsen,nichtaber

imLichtkegeleinerLED.


Betrachtung der Spektren verschiedener Lampen mit

einfachen Spektrometern (PHY–EX5)


ABBILDUNG 5–3

Lichtspektren einer Glühlampe und einer weißen LED

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0400 500 600 700 800

Wellenlänge[nm]

Inte

nsitä

t

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0400 500 600 700 800

Wellenlänge[nm]

Inte

nsitä

t

Glühlampe Weiße LED

25

5

DieerstenGlühlampenenthielteneinVakuumundwurdenmitderZeitvoninnenschwarz,weilderKohlenstoffdesverkohltenBaumwollfadensbeiderhohenTemperaturverdampfteundsichamGlasniederschlug(Sublimation).AlsMaterialfürdenGlühdrahtWolframzuwählen,löstediesesProblem.DennWolframhatunterallenMetallenbeiderBetriebstemperatureinerGlühlampedenhöchstenSchmelzpunkt(eskannbiszu3.200°Cerhitztwerdenohnezuschmelzen).AberauchWolframverdampftmitderZeit,schlägtsichamGlasniederundbegrenztsodieLebensdauerderGlühlampe.UmdieBrenndauerzuverlängern,wirdderGlaskolbenderLampemiteinemSchutzgasgefüllt.DazuverwendendieHerstellervorallemschwereGasgemischeausStick-stoffundArgon,bessernochausKryptonundXenon.DasSchutzgas(auch:Inertgas)leitetdieWärmeschlechtnachaußenundermöglichtsohöhereBetriebstempe-raturenundhelleresLicht.

WeitereTricksfürlängereLebensdauerInHalogenlampenhatmaneinenbesonderenTrickver-wendet,umdieLebensdauerderGlühlampezuerhöhen.DemSchutzgaswirdeinHalogen,zumBeispielBrom(Br2)oderJod,beigemischt.SobaldsichWolframatomeanderGlaswandabsetzen,werdensieunterBeteiligungvonSauerstoffvondenHalogenmolekülengebunden,zurGlühwendeltransportiertunddortwiederabge-schieden.AlsTransportmitteldienenIodmoleküle.Diesem„Wolfram-Halogen-Kreislauf“liegtfolgendeReaktionsgleichungzugrunde:W + O2 + X2 WO2X2

ABBILDUNG 5–4

Chemie als Treiber der Entwicklung neuer Materialien für Lichtquellen

Treiber

Reduktion der Kosten der Lichterzeugung

• Erhöhung der Lichtausbeute bzw. Energieeffizienz • Erhöhung der Lebensdauer • Verringerung des Materialaufwandes

Verbesserung der Umweltverträglichkeit

• Ersatz problematischer Materialien, z. B. Hg oder Pb • Recycling der Lichtquellen und Materialien

Erhöhung der Lichtqualität • Verbesserung der spektralen Energieverteilung • Variable Farbpunkteinstellung

Erhöhung der Leistungsdichte

• Miniaturisierung und Reduktion der Einbautiefe • Verbesserung von Projektionssystemen • Reduktion des Zeitaufwandes für photochemische Prozesse

HINWEIS

Planck‘schesStrahlungsgesetz:GemäßdemPlanck‘schenStrahlungsgesetzsinddieIntensitätunddieWellenlängedesabgestrahl-tenLichtesstarkvonderTemperaturdesKörpersabhängig.

26

GasentladungslampenGanzandersistdasPrinzipbeiGasentladungslampen,alsozumBeispiel„Neonröhren“undKompaktleuchtstoff-röhren(auchals„Energiesparlampen“bezeichnet)mitniedrigemGasinnendrucksowieStraßenbeleuchtungen,BeamerlampenoderXenon-AutoscheinwerfernmithohemGasinnendruck.JededieserLampenistimGrundeeinemitLeuchtgas(verschiedeneEdelgasewieHelium,NeonoderArgonoderMetalldämpfe,z.B.Quecksilberdampf)gefüllteRöhremitAnodeundKathodeanjeweilseinemEnde.

UnterSpannunggesetzt,bewegensichdieElektronenvonderKathodezurAnode,treffenaufdieLeuchtgas-atomebeziehungsweise-moleküleundgebenihreBewegungsenergiewiebeimBillardspielanderenElektronenab.DadurchwerdendieElektronendesLeuchtgasesineinenangeregtenZustand(gemäßAtommodell),d.h.ineinehöhere„Schale“,angehoben.Beim„Zurückfallen“inihrenenergetischenAusgangs-zustandgebensiedieEnergiedifferenzalselektromagne-tischeStrahlungab.

ABBILDUNG 5–5

Aufbau einer Halogenlampe — Temperaturzonen im Glaskolben

WOO2O WO2I2WO2

3.000 Temperatur in °C

Modifiziertnach:[www.planet-schule.de]

600

WO2O

Kolbenwand

27

5

- e-

e-

e- e-e- e-

e- e-

e-e-

e-e-UV

e-

e-e-

e- e-

e- e- e-e- UV

KompaktleuchtstoffröhrenenthaltenQuecksilber,dasnachdemEinschaltenandenerhitztenElektrodenver-dampft.BeielektrischerAnregunggebendieQuecksilber-atomeStrahlungimultraviolettenBereichdesSpektrumsab.DiesewirdvoneinemLeuchtstoffaufderInnenseitederGlaswandunddemGlasselbstvollständigabsorbiert(dringtalsonichtnachaußendurch).Einetypische,inLeuchtstoffröhreneingesetzteVerbindungistmitZinnaktiviertesStrontium-Magnesium-Phosphat(Sr,Mg)3(PO4)2,welchesbeiAnregungmitUV-StrahlungeinerosaroteLichtfarbeemittiert.DasPhänomen,dassStoffenachAnregungmitkurzwelligerStrahlunglangwelligeStrah-lungemittieren,bezeichnetmanalsFluoreszenz.MitderrichtigenMischungvonLeuchtstoffenistesnunmöglich,einannähernddurchgängigesLichtspektrumundauchwarm-oderkaltweißesLichtzuerzeugen.HochwertigeLeuchtstoffröhren,dieallerdingsnichtinjedemBaumarkterhältlichsind,strahlensogarLichtab,dasdemSonnenlichtsehrnahekommt.

ABBILDUNG 5–6

Aufbau einer Energiesparlampe

Glasröhre

Elektrode (Wolframdraht)

Leuchtstoff

Quecksilberatom Sichtbares Licht

UV-Strahlung

Elektronen

HINWEIS

Der Quecksilbergehalt von Energiesparlampen verun-

sichert viele Verbraucher. In der Lampe selbst ist es

hermetisch eingeschlossen, ausgediente Lampen

dürfen allerdings nicht im Hausmüll entsorgt werden,

sondern müssen als Sondermüll im Wertstoffhof ab-

gegeben werden. Wenn eine Lampe zerbrochen ist

empfiehlt es sich, die Bruchstücke vorsichtig und voll-

ständig einzusammeln und in einem Schraubglas

ebenfalls zum Wertstoffhof zu bringen. Laut EU-Ver-

ordnung dürfen Energiesparlampen maximal 5 Milli-

gramm Quecksilber enthalten, wobei hochqualitative

Produkte weniger als die Hälfte dieser Menge enthal-

ten und mit einem Splitterschutz ausgerüstet sind.

Seit September 2010 muss auf der Verpackung der

Quecksilbergehalt von Energiesparlampen angege-

ben werden.

1 2 3 4

28

ModerneLichtquellen—einbreitesSpektrum

Leuchtstoffröhre:DieAufgabevonQuecksilberIneinerLeuchtstofflampeliegtwährenddesBetriebesdasFüllgasinFormeinesheißenPlasmas*vor.Diesbedeutet,dassesganzodernahezuvollständigdurchLadungstrennungausfreienElektronenundionisiertenAtomenbesteht.TrifftnachdemVerdampfendesQuecksilbersnuninderheißenGasfüllungdesLampenkolbenseinbeschleunig-tesfreiesElektronaufeinQuecksilberatom,überträgtesseineEnergieaufeinElektronindessenAtomhülleundregtdieseskurzzeitigan.DasHüllenelektronwirddabeiineinenhöherenenergetischenZustandangeho-ben,indemesjedochnurkurzeZeitverbleibt.Beidem„Zurückfallen“aufseinAusgangsniveaugibteseinenTeilderaufgenommenenEnergiealsLichtquantmiteinerWellenlängevon254nm,alsoimSpektralbereichderultraviolettenStrahlungab.DieseregtdenLeuchtstoffzurFluoreszenzan,wasbedeutet,dassdieserseineAnregungsenergiealsLichtniedrigerer,fürMenschensichtbarerWellenlängenabgibt.DabeiistdieWellen-länge,alsodie„Farbe“desabgegebenenLichtes,ab-hängigvonderZusammensetzungdesLeuchtstoffes.DieLeuchtstoffbeschichtunganderInnenwanddesLampen-glaskolbensbestehtinderRegelausetwa1bis5Mikro-metergroßenTeilchenderOxide,SulfideoderPhos-phatevonErdalkalimetallen,YttriumoderZink.DanebenwerdenihnennochinSpurenandereElemente,etwawieStrontiumoderCer,alsAktivatorenundSensibili-satorenzugesetzt.

C Oberstufe

ABBILDUNG 5–8

ABBILDUNG 5–7

Chemie der Fluoreszenzlampen

Termschema von Quecksilber

B 450 nmBaMgAl10O17:Eu

G 545 nmLaPO4:Ce,Tb

R 610 nmY2O3:Eu

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0400 200 300 400

Wellenlänge [nm]

Emiss

ions

inte

nsitä

t

185 nm

365 nm

254 nm

185 + 254 nm

LampenglasLeuchtstoffschicht

Hg-Spektrum

0

-2

-4

-6

-8

-10-10,44 6

67

7

77

7

6

66 6

6

1.850*

2.537*

3.131

3.6625.769

5.791

nach:Haken,Wolf,„Atom-undQuantenphysik“,SpringerVerlag1996

Grundzustandskonfiguration:[Xe]4f145d106s2

AngeregterZustand:[Xe]4f145d106s6p

Singulett: beideSpinsderElektroneninderp–Schaleantiparallel

Triplett: beideSpinsderElektroneninderp–Schaleparallel

Singulett Triplett

Ener

gie

E/e

V

*Wellenlängenin10–10m(Å)

29

5

HINWEIS

Fluoreszenz:VonQuallebisQuantenpunkt*

DasphysikalischePhänomenderFluoreszenzbegegnet

unsimAlltagöfter—morgenszumBeispielmitdemText-

markerinderSchule,nachmittagsbeiderDekorationim

Kaufhaus,abendsinderDisco.

Eswirdauchgenutzt,umbestimmteMineralienimSchau-

kastenbesonderswirkungsvollinSzenezusetzen.Übrigens

stammtderBegriffFluoreszenzausderBeobachtung,dass

dasMineralFluorit(Calciumfluorit,CaF2)beiAnregung

mitultravioletter Strahlunggrünleuchtet.

FluoreszenzentstehtbeiorganischenFarbstoffenmit

planaren,delokalisiertenpi-Elektronensystemenwieetwa

demFluoreszein(sieheFormel).

InderNaturistdieFluoreszenzbeibestimmtenLebewesen

zubeobachten,diedurchLichtblitzeBeuteanlockenoder

Fressfeindeabschrecken.ZumBeispieldieQualleAeqorea

victoria:IhrgrünfluoreszierendesProtein(GFP)enthält

einpolyzyklischesFluorophor,dasdurcheinespontane

chemischeReaktiondreierAminosäurenwährendderFaltung

desEiweißmolekülsentsteht.UmdasGFPzumLeuchten

anzuregen,sindweitereEiweißstoffenotwendig,diedurch

diechemischeSpaltungbestimmterVerbindungenkurz-

welligesLichterzeugen:DiesenVorgangbezeichnetman

alsBiolumineszenz.Erfindetbeispielsweiseauchinfolge

derchemischenSpaltungdesFarbstoffesLuciferinim

Glühwürmchenstatt.

EinenSonderfallstellenfluoreszierendeNanokristalle

(Durchmessermax.20nm)ausHalbleiterverbindungen

wieCadmiumselenid(CdSe)oderCadmiumtellurid(CdTe)

dar,sogenannteQuantenpunkte.Siewerdeninder

DisplaytechnologiebereitsalsdieNachfolgerderLEDsfür

dieHintergrundbeleuchtunggehandeltundversprechen

nochbrillantereBilderbeigleichzeitighöhererEnergie-

ersparnis.DieFluoreszenzfarbederQuantenpunkte

variierteinzigmitderVeränderungderPartikelgröße.

Dieser„Größenquantisierungseffekt“erlaubteinbreites

SpektrumsehrreinerLichtfarben.Andersalsdieoben

beschriebenenorganischenFluoreszenzfarbstoffebleichen

Quantenpunktenursehrlangsamaus.

HO

COOH

O O

ABBILDUNG 5–9

Oxidation des Luciferins durch das Enzym Luciferase

HO –OCOOH O–

+ ATP + O2 + AMP + PPi + CO2 + Licht

S S

S SN N

N NGlühwürmchen-Luciferase

Mg2+

OxyluciferinKäfer-Luciferin

Fluorescein

30

LeuchtdiodenalsBeispielfürFestkörperlichtquellenSiesindwenigeralsfünfMillimeterklein,strahlengleißendhell,verbrauchenweitwenigerEnergiealseineGlühlampeundhabenbeifachgerechtemBetriebeineLebensdauervonmehrals100.000Stunden:Leuchtdiodenoderkurz„LEDs“(ausdemEnglischenfür”LightEmittingDiodes“).

Manmussnichtlangesuchen,umihnenimAlltagslebenzubegegnenundfindetsieinderFahrradlampeebensowieinFunktionsleuchtenelektrischerGerätezuhause,alsHintergrundbeleuchtungimmodernenFlachbild-schirmoderinderweitsichtbarenVerkehrsanzeigeaufderAutobahn.

AuchdieEmissionfürdenMenschenunsichtbarerWellen-längenistStandderTechnik.SostrahlendieLeuchtdiodenetwainFernbedienungenimInfrarotbereich.LEDssindFestkörperlichtquellen;ihrHerzstück,einHalb-leiterkristallistmeistauseinerGalliumverbindung(z.B.Galliumarsenid,GaAs,deshalbauch„III-V-Halbleiter“)aufgebaut.DieserKristallbestehtausi.d.R.mehrerendotiertenSchichten,istmitKontaktenversehenundineinerkleinenKunststoffeinfassungbefestigt,derenInnenseitemiteinerhauchdünnenSilberschichtals

Reflektorausgekleidetist.DieserAufbauwirdvoneinemKunststoffgehäuse,meistmiteinerkleinenLinseinderKuppe,eingefasst.

ABBILDUNG 5–10

ABBILDUNG 5–11

Vorteile von LEDs gegenüber konventionellen Leuchtmitteln

Aufbau einer LED

-

++

-

Kontaktdraht

Linse

HalbleiterchipKathode

Anode

Rund90ProzentgeringererEnergieverbrauchLangeLebensdauer(biszu100.000Stundengegenüber500bis1.000StundenherkömmlicherGlühlampen)GroßeHelligkeit(max.250Lumen/Watt)*beigeringerGröße(Leuchtstofflampe:rund50Lumen/Watt)BreitesFarbspektrumVielfältigeAnwendungen*Stand:September2010


Die Sperrspannung verschiedenfarbiger LEDs (PHY–EX6a und PHY–EX6b)


31

5

GemäßseinerBezeichnungalsLeuchtdiodelässtderHalbleiterkristallnurelektrischenStromineinerFluss-richtungdurchundsendetdannLichtaus.DieWahldesHalbleitermaterialsundseinerDotierung(gezielte„Verunreinigung“mitFremdatomenausanderenHauptgruppen/sieheauchKapitel6.1.,Photovoltaik)beeinflusstsowohldieLeistungalsauchdieHelligkeitunddasFarbspektrumeinerLED,wiederhistorischeVergleichzeigt.1970bestandendieerstenLEDsausGallium-Arsenid-Phosphid(GaAsP).SiewarenlediglichindenFarbenGelbundRotverfügbar.IhreLeistunglagunter0,1WattundauchdieHelligkeitwarmitwenigerals0,1LumengemessenandenheutigenMöglichkeitennochgering.

ModerneLeuchtdiodenaufderBasisvonAluminium-Indium-Gallium-Phosphidoder–NitriderreichtenbereitsimJahr2008eineLeistungvon10WattundHelligkeitenvonbiszu150Lumen.DurchgezielteDotierung,zumBeispielmitMg(p-Schicht)undTe(n-Schicht),wirddergeeigneteBandabstandunddadurchdiegewünschteFarbeeingestellt(sieheABBILDUNG5–12).

ABBILDUNG 5–12

Erklärung diskreter Emissionswellenlängen am Beispiel des Bändermodells

HINWEIS

Lumen = Maßeinheit für die gesamte, von einer

Lichtquelle im sichtbaren Bereich allseitig

abgegebene Strahlung.

ABBILDUNG 5–13

Historische Entwicklung anorganischer Leuchtdioden

20101970

GaAsP< 0,1 W< 0,1 lm

Gelb + Rot

AllnGaP, AllnGaN0,6 – 10 W

10 – 150 lmAlle Farben + UV

Leitungsband

p-leitend

WG EnergielückeinElektronenvolt(eV)λ Wellenlängeinnmc0 Lichtgeschwindigkeit(≈3·108m/s)h Planck‘scheKonstante(6,63·10-34Ws2)

n-leitend

Valenzband

h · fWG WG = =

c0 · h

λ

1,24 · 10-6

λeV

32

WiewirbereitsbeidenLeuchtstofflampengesehenhaben,kanndasFarbspektrumeinerLampedurchdieWahldesLeuchtstoffesstarkvariiertwerden.DiesesPrinzipkommtauchbeiLeuchtdiodenzumEinsatz,umkalt-oderwarm-

weißesLichtzuerzeugen.DabeiregtbeispielsweiseeinUV-HalbleiterchipeinGemischausdreiFluoreszenzfarb-stoffenan,dieimRot-,Grün-undBlaubereichemittieren.DieMischfarbederdreiSpektrenergibtWeiß.

Flach,farbigundflexibel:OLEDsEinengänzlichanderenAufbauhabendieorganischenLeuchtdiodenoderauchkurzOLEDs.Siesindnichtpunkt-förmigsondernflächigundbestehenausmehrerensehrdünnenSchichtenaufeinemfestenoderflexiblenTräger-material.AlsLichtemittierendeKomponentedienenelektrischleitendeorganischeFarbstoffe(z.B.Alumi-nium-tris(8-hydroxychinolin)),diezwischendünnenHalb-leiterschichten,vondenenmindestenseinedurchsich-tigseinmuss(beispielsweiseIndium-Zinn-Oxid,engl.:ITO),alsKontaktzurAnodeundKathodeeingefasstsind.MittlerweilesindsowohlwarmweißeRaumleuchteninKachelformalsauchmehrfarbigeDisplaysfürSmartPhonesoderDigitalkamerasaufBasisvonOLEDsimHandelerhältlich.ImZusammenhangmitdenlicht-starkenundfarblichbrillantenKleinbildschirmentauchtimmeröfterdieBezeichnungAMOLEDauf,diefür„Aktivmatrix-OLED“steht.HierbeibildetjedesOLED-ModuleinenPixel,derjeweilsvoneinemeigenenintegriertenSchaltkreisangesteuertwird.

EnthaltendieOLEDsalsemittierendenFarbstoffkleineMoleküle,sprichtmanvonSMOLEDs(ausdemEnglischenfür„smallmolecules“).ImFallleuchtenderPolymere(beispielsweisePoly(p-Phenylen-Vinylen,PPV))wirdauchdieBezeichnungPLEDverwendet.DieVisionenderEntwicklerorganischerLeuchtdiodenreichenvomaufrollbarenBildschirmbiszurleuchtendenTapete.AufdemWegdorthinsindjedochnocheinigetechnischeHürdenzunehmen.SosinddieLeucht-materialienempfindlichgegenüberOxidationdurchdenLuftsauerstoffundmüssenauchvorFeuchtigkeitgeschütztwerden.DiesgehtaufKostenderFlexibilität,denndiedafürnotwendigeAbdichtungerfordertnochstarreTrägermaterialien.Ummitdemtechni-schenStandderLEDsgleichzuziehen,wirdauchdieLebensdauerderOLEDsnochdeutlichzusteigernsein.BereitssichtbareErfolgegebenaberGrundzurHoffnung:InDisplay-AnwendungenzeigendieorganischenLeucht-diodenschonheuteeinlichtstarkes,farblichbrillantesundkontrastreichesBildauchausschrägenBlickwinkeln.

ABBILDUNG 5–14

Funktionsprinzip von weißen LEDs

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0400 450 500 550 600 650 700 750 800

Wellenlänge [nm]

Inte

nsitä

tEmission des Leuchtstoffes

Absorption

Licht- quelle

Leuchtstoff

Blauer LED-Chip: 420 – 480 InGaNLeuchtstoffschicht (Konverter): Gelb Kaltweiße Lichtquellen Gelb + Rot Warmweiße Lichtquellen Grün + Rot Kalt- und warmweiße Lichtquellen

InGaN-Chip

Ag-Spiegel

Silicium

33

5

ABBILDUNG 5–16

Aufbau einer AMOLED

SiebenötigenkeineHintergrundbeleuchtungsondernleuchtenaussichheraus,erzeugenrund2.000malschnellereinBildalsLCD*-DisplaysundbenötigendafürsehrwenigStrom.

ABBILDUNG 5–15

Aufbau einer OLED

+ -

N

Al

O 3

Lichtaustritt

Anode

Transparente Kathode

Silicium-Schichtträger

Organische Schichtenz. B. Aluminium-tris(8-hydroxychinolin)

LichtaustrittTransparente Kathode

Silicium-Schichtträger

TFT-Matrix

Organische Schichten

Anode

34

ABBILDUNG 6–1–1

Photovoltaikelemente an Satelliten, Hausfassaden und Verkehrsanlagen

6.1Photovoltaik

WieSonnenlichtinandereEnergieformenum-gewandeltwirdVonPflanzenundPhysikernUnsereSonneisteineumweltfreundlicheEnergiequellemitschierunerschöpflichviel„Power“.UmdiesePowerrechnerischzufassen,wurdedieSolar-konstanteE0geprägt.SiegibtdieStrahlungsstärkean,diebeieinemmittlerenAbstandErde-Sonne(DurchschnittdesminimalenundmaximalenBahnabstandsaufderEllipsederErdeumdieSonne)ohnedenEinflussderAtmosphäresenkrechtaufdieErdoberflächetrifft.DieWeltorganisationfürMeteorologielegtedenMittel-wertfürdieSolarkonstante1982wiefolgtfest:

E0=1.367W/m2

WiedieseEnergienutzbarist,zeigenunsdiePflan-zen.SienehmenimProzessderPhoto-synthesedieLichtenergiederSonnen-

strahlungüberdasBlattgrünaufundbau-enmitderenHilfeausdemKohlenstoffdioxid

derAtmosphäreundWassersowieeinerReihevonSpurenelementenihregesamteBiomasseauf.Als„Ab-fallprodukt“gebensieSauerstoffab.UmdiesenProzesszuermöglichen,müsseninderPflanzeelektrischgela-deneTeilchenfließenundübertragenwerden.DasistinderSolarzelle,mitderSonnenlichtinStromumgewandeltwird,nichtanders.UnseremodernePhoto-voltaikverdankenwirdemfranzösischenPhysikerA.E.

Becquerel.Schon1839stellteerfest,dasszwischenzweiElektrodendieerzuvorineinSäurebadgetauchthatteeinStromfloss,wennerdieeinedavondemLichtaus-setzte.DieserPhotoeffektwurdemitweiterenExperi-menten1887vondemdeutschenPhysikerHeinrichHertzunddanachvonseinemSchülerHallwachsweitererforscht.AlbertEinsteinerklärtederenErgebnisse1905mitdenTheoriendermodernenPhysikunderhieltdafür1921denNobelpreis.

SandfürSolarzellenDieHauptkomponentendermodernenSolarzellenbe-stehenausdemzweithäufigstenElementunsererErde(nachSauerstoff),demSilicium.DiesesElementgibtesbuchstäblichwieSandamMeer,dennQuarzsandistnichtsanderesalseineVerbindungvonSiliciumundSauerstoff(Siliciumdioxid).SiliciumgehörtzuderGruppedersogenanntenHalbleiter-materialien:BeitiefenTemperaturenisteseinguterIso-lator.BereitsbeiZimmertemperatur,nochbesseraberbeihöherenTemperaturenoderunterderEinwirkungvonLicht,wirdeselektrischleitfähig.DieseLeitfähigkeitlässtsichnochwesentlichsteigern,wennmandasSiliciummitanderenchemischenElementengezieltverunreinigt.

6. W

ohne

n un

d W

ärm

e A Basis


Experiment mit Solarzellen und einfachen „Verbrauchern“ (PHY–EX7)


35

6

Anwendungen:VomWeltraumaufdieErdePhotovoltaikelementehabenihrenSiegeszugindieTechnik-weltzunächstinderRaumfahrtindustriebegonnen.BeiSatellitenebensowiebeiderinternationalenRaumstationISSsorgensiealsgroße,faltbarePaneeleergänzendzudenmitgeführtenTreibstoffenfürdienötigeStromversorgung.LängsthabensieaberauchdenWegvomWeltallzurückaufdieErdegefunden.MansiehtsieheuteaufDächern,Fassaden,Wohnmobilen,VerkehrsanlagenanderAuto-bahnoderelektrischbetriebenenFährenundYachten.

ChemieundAnwendungendesSiliciums

HerstellungvonRohsiliciumPhotovoltaik,alsodiedirekteUmwandlungvonSonnen-licht,istundenkbarohnedasElementSilicium.EsisteinHalbmetallmithalbleitendenEigenschaften.EskommtinderNaturnuringebundenerForm,zumBeispielinSilicatenvor.ElementaresSiliciumwirdindustrielldurchReduktionvonQuarzsandmitKoksbei2.000°CimLichtbogenofenhergestellt.

SiO2 +2 C Si + 2 CO

AufdieseWeisewerdenjährlichweltweitca.4MillionenTonnenSiliciumgewonnen.ManunterscheidetdreiFormendesSiliciums,mono-kristallines,polykristallinesundamorphesSilicium.

SiliciumalsHalbleiter*EineSolarzellebestehtüblicherweiseauseinemsoge-nanntenpn-Übergangzweierverschiedendotierter,alsogezieltmitanderenElementen„verunreinigter“Silicium-schichten.DieUnterscheidungzwischenLeitern,Halb-leiternundNichtleiternlässtsichmitdemBändermodellverdeutlichen:DadieElektroneninFestkörpernübergroßeAbständemiteinanderwechselwirken,gibteskeinediskretenEnergieniveausmehr,sondernesentstehensogenannteBänder,derengegenseitigeLagedafürverantwortlichist,obeinStoffleitetodernicht.DabeiwirddashöchstemitElektronenbesetzteBandalsValenzbandbezeichnet,dasdirektdarüberbefindlicheunbesetzteBandalsLeitungsband.

WährendsichbeidenLeiterndasValenz-unddasLeitungs-bandüberlappen,dieElektronenalsofreibeweglichsind,existiertsowohlbeidenHalbleiternalsauchbeidenIsolatoreneineBandlückezwischenValenz-undLeitungsband.BeiHalbleiternkönnendurchLichtoderWärmeElektronenindasLeitungsbandangehobenwerden—dasMaterialwirdleitend.DieangeregtenElektronensowiedieLöcher(Defektelektronen)tragenzurLeitungbei.DieineinemHalbleiter,bspw.reinemSilicium,vorkommendenLadungsträgerwerdenauchalsintrinsischeLadungsträgerbezeichnet–ihreDichteistinSiliciumsehrgering.

DurchDotierung(vonlat.dotare„ausstatten“)mitEle-mentenderfünftenoderdrittenHauptgruppekanndieLadungsträgerdichteerhöhtwerden.Diedabeieinge-brachtenMengendieserDotierstoffesindinderRegelsehrgering(VerhältnisDotierstoffzuSiliciumzwischen1:1010und1:104).

C Oberstufe

LeitungsbandValenzband

Leiter Halbleiter Isolator

Elektron

Defektelektron

B Mittelstufe

Manunterscheidetzwischenn-(negativ)undp-(positiv)Dotierungen.Beiderp-DotierungwerdenindasSiliciumFremdatomeder3.Hauptgruppeeingebracht(z.B.Aluminium,BoroderIndium).DieseAtomedienenalsElektronenakzepto-ren,dasieeinsog.Akzeptorniveaubereitstellen,dasenergetischnurknappoberhalbdesValenzbandesliegt.EskommtzueinerLochleitung,dadasSiliciumgitterleichtElektronenandiesesAkzeptorniveauabgibt.DiesoentstehendenElektronenfehlstellen(„Löcher“)kön-nenleichtdurchandereElektronenaufgefülltwerden.Makroskopischsiehtesdannsoaus,alsgäbeesbeweg-lichepositiveLadungen.Beidern-DotierungwerdenFremdatomeder5.Haupt-gruppeeingebracht(beispielsweisePhosphor,ArsenoderAntimon).DiesefungierenalsDonatoratome.EskommtzueinerElektronenleitung,dadaszusätzlicheElektronvondensog.DonatorniveausleichterindasLeitungsbanddesSiliciumsangeregtwerdenkannalsdieElektronenausdemValenzbanddesSiliciums.Kombiniertmaneinenp-undeinenn-Halbleitererhältmaneinensog.p-n-Übergang.Imp-TeilherrschteinLöcherüberschuss,währendimn-TeileinElektronen-überschussvorliegt.DurchDiffusionwanderndieElektro-nenvondern-zurp-SeiteunddieLöchervonderp-zur

n-Seite,biseinGleichgewichtszustandzwischenDiffusionundelektrischerFeldkrafteingetretenist.DiesodurchRekombinationvonElektronenundLöchernentstandeneGrenzschichtistalsoeineZone,dieanbe-weglichenLadungsträgernverarmtist,abereineRaum-ladungunddamiteinelektrischesFeldbesitzt.WirdeinsolcherHalbleiternundemSonnenlichtausge-setzt,sokommtesinderRaumladungszonezurBildungvonElektron-Loch-Paaren.UnterdemEinflussdeselek-trischenFeldesfließendieElektronenindenBereichderpositivenRaumladung.Ist—wiebeieinerSolarzelleüblich—diesen-dotierteSchichtsehrdünn,gelangendieElektronenbiszumFrontkontakt.AlsResultatkannnuneinPhotostromandenAußenseitenderSolarzelleabgeführtwerden.

36

C Oberstufe

HINWEIS

Graphen—einMaterialnichtnurfürNobelpreisträger:

2010wurdederPhysik-NobelpreisandieForscherAndre

GeimundKonstantinNovoselov(UniversityofManches-

ter)fürihregrundlegendenExperimentezudenEigen-

schaftenvonGraphenverliehen.NebendenFullerenen*

unddenKohlenstoffnanoröhrenstellteseineweitere,

vergleichsweiseneuentdeckteVariantedesKohlenstoffs

dar.SeineC-AtomesindinSechseck-Wabenangeordnet

undbildeneineEbenemitderDickeeinereinzelnen

Atomlage,überdiesicheinausgedehntes,delokalisier-

tespi-Elektronen-Leitungsbanderstreckt.Imorganischen

HalbleiterGraphenistdieLadungsträgerbeweglichkeit

(„Mobilität“m=Geschwindigkeit/Feldstärke;Einheit

1cm/s/V/cm=1cm2/V·s)wesentlichgrößeralsinallen

anderenMaterialien.

Siebeträgtbiszu200.000cm2/V·s;zumVergleichher-

kömmlicheMetalle:m=50cm2/V·s.ImLabormaßstab

gelangesbereitsintegrierteGraphen-Schaltkreiseher-

zustellen,derenSchaltratenzehnmalhöherwarenals

dieherkömmlicherSilicium-Transistoren.Aberauchfür

dieUmwelttechnikkönntedasMaterialinteressantwer-

den:EinGemischausGraphenoxidunddemMineral

MagnetitfilterteinVersuchenkoreanischerForscher

99,9ProzentdesSchwermetallsArsenausverunreinigtem

Trinkwasser.DanachließsichdieVerbindungeinfach

miteinemMagnetenwiedervomWasserabtrennen.

NegativeElektrode

Lichtteilchen(Photonen)

Antireflexschicht

PositiveElektrode

n-dotiertesSilicium

p-dotiertesSilicium

Grenzschicht

P+ B–B–

n-Dotierung

Grenzschicht p-Dotierung

P+

6

HerstellungvonpolykristallinemSiliciumRohsilicium,daswieobenbeschriebendurchdieReduk-tionvonQuarzsandgewonnenwird,mussweitergerei-nigtwerden,umesfürdieProduktionvonSolarzellennutzenzukönnen.GenutztwirdhierfürdasSiemens-Verfahren:RohsiliciumwirdzunächstmitChlorwasser-stoffzuTrichlorsilan(Siedepunktca.35°C)umgesetzt,welchesmehrmalsdestilliertwird,bisdiegewünschteReinheiterreichtist.

Si + 3 HCl HSiCl3 + H2

DiemehrfacheDestillationstelltdenenergieintensivstenTeilbeiderGewinnungdesreinenSiliciumsdar.AnschließendwirddasTrichlorsilanmitWasserstoffwiederzureinemSiliciumumgesetzt.

4 HSiCl3 + 2 H2 3 Si + SiCl4 + 8 HCl

DassogewonneneSiliciumhateineReinheitvon>99.9ProzentundkannbereitsfürdieHerstellungvonSolar-zellenauspolykristallinemSiliciumeingesetztwerden.FrühererkanntemanpolykristallineSolarzellenanihremtypischenblau-glitzerndenAussehen,heutekönnensiejedochauchinanderenFarbtönenhergestelltwerden.DerWirkungsgrad,alsoderAnteilderLichtenergie,wel-cherinelektrischenStromumgesetztwird,beträgtbeipolykristallinenSolarzellenetwa12bis16Prozent.

HerstellungvonmonokristallinemSiliciumUmdasfürHalbleitertechnikundPhotovoltaikbenötigtehochreinemonokristallineSiliciumzugewinnen,werdenzweiVerfahrengenutzt:DasTiegelzieh-Verfahren(Czoch-ralzky-Verfahren)unddasZonenschmelz-Verfahren.BeimTiegelzieh-VerfahrenwirddasSiliciumineinemQuarztiegelgeschmolzenundeinStabmiteinemImpf-kristallindieSchmelzegetaucht.TiegelundStabwerdennunlangsaminentgegengesetzteRichtungengedreht,währendderStablangsamausderSchmelzeherausge-zogenwird.EsbildensichSilicium-EinkristallevonmehrerenMeternLängeundeinemDurchmesservonbiszu30Zentimeter.DieVerunreinigungenreichernsichinderSchmelzean,sodasseinEinkristallvonhoherReinheiterhaltenwird.ZurHerstellungvonComputer-chips,aberauchvonSolarzellen,kanndieserdannin

dünneScheibenmiteinerDickevon0,15bis0,3Milli-meterzersägtwerden(sogenannteWafer).BeimZonenschmelz-Verfahrenwanderteineschmalering-förmigeSchmelzzoneübereinenpolykristallinenSilicium-stab.DieVerunreinigungenlagernsichinderSchmelzeanundkönnensoentferntwerden.BeiderRekristallisa-tionentstehtmonokristallinesSilicium,welchesdannebenfallszuWafernweiterverarbeitetwird.DiebeschriebenenVerfahrenmachendeutlich,dassSolarzellenausmonokristallinemSiliciuminderHerstel-lungenergieaufwändigersindalssolchemitpolykristal-linemSilicium,allerdingsbesitzensieeinenhöherenWirkungsgradvonbiszu25Prozent.

HerstellungvonamorphemSiliciumInamorphem(„gestaltlosem“)Silicium,auchalsa-Siliciumbezeichnet,sinddieAtomenichtwieineinemKristall,son-dernunregelmäßigangeordnet.BeiseinerHerstellungwirdbeispielsweisesehrheißes,gasförmigesMono-silan(SiH4)unterZusatzverschiedenerDotierungs-undHilfsstoffealsAusgangsstoffverwendet.AufeinemTrägermaterial,etwaeinerGlas-oderMetallplatte,scheidetsichhydrogenisiertesSilicium(a-Si:H)ab.DurchdashoheAbsorptionsvermögenvonamorphemSiliciumistesmöglich,SolarzellenmitbesondersgeringerSchichtdickeherzustellen.ZwaristderWirkungsgraddieserSolarzellenmit5ProzentdeutlichgeringeralsdervonSolarzellenausmonokristallinemSilicium.DieumeinenFaktor100geringereSchichtdickederSolarmodulemachtdieseArtvonSolarzellenjedochtrotzdemwirtschaft-lich.InsolchenDünnschichtzellenkommenmittlerweileauchandereHalbleitermaterialienwieCadmiumtellurid(CdTe)oderKupferindiumdiselenid(CuInSe2)zumEinsatz.

WenigerReflexiondurchdenMottenaugeneffektInderPhotovoltaikisteseinbegehrtesZiel,dieEffizienzderSolarzellennochweiterzusteigern.DereinfachsteWegdorthinführtüberdieVerminderungderReflexion.

37


Der Wirkungsgrad einer Solarzelle (PHY–EX8)


NebenderBeschichtungderSiliciumoberflächemitSiliciumnitridsindbereitsspezielleAbdeckgläserfürPhotovoltaikmoduleaufdemMarkt.Miteinemnano-technologischenBeschichtungsverfahrenwirdaufderOberflächeeinelöchrige,dichteLageausnanoskaligenSiliciumdioxid-Kugelnerzeugt.DieseporöseSchichtvermindertdurchdensogenannten„Mottenaugeneffekt“dieReflexiondesSonnenlichtsanderGrenzflächeGlas/LuftundsteigertsodiejährlicheLeistungdesPhoto-voltaikmodulsum4bis7Prozent.WiedieBezeichnungdesobengenanntenEffektsbereitserkennenlässt,dientealsnatürlichesVorbildfürdieseAnwendungdieOberflächen-FeinstrukturdesMotten-auges.Diesebestehtausflächigverteilten,sichnachaußenverjüngendenZapfen.DieGrößederZapfenbe-trägtwenigerals400Nanometerundunterschreitetso-mitdieWellenlängedessichtbarenLichts.WeilsichdurchdiekonischeStrukturderZapfenderBrechungs-indexnichtsprunghaftsondernkontinuierlichändert,bildetdieOberflächedesInsektenaugeszudemkeinekonkreteGrenzfläche,andersalszumBeispieldieGrenz-flächeLuft/GlasaneinerFensterscheibe.

„SchwarzesSilicium“NichtnurdieVerglasungderPhotovoltaikmodule,auchdieSiliciumoberflächeselbstkannzwecksverbesserteroptischerEigenschaftenstrukturiertwerden.BeiderAnwendunghochenergiereicher,ultrakurzerLaserpulsefürdieOberflächenbearbeitungwirdeinebesondereStrukturdeskristallinenSiliciumserzeugt,welchedieLichtreflexionanderOberflächevonPhotovoltaikmo-dulenbeisenkrechtemLichteinfalljenachWellenlängevon20bis30Prozentauf5Prozentsenkenkann.DieseStruktur,das„schwarzeSilicium“(engl.“blacksilicon“oderauch”silicongrass“),siehtauswieeindichter,feinerRasenausNadeln,diemitmodernenVerfahrenbereitsinNanometerdimensionenerzeugtwerdenkönnen.DieseröffnetnichtnurdiePerspektive,inPhotovoltaik-moduleneinbreiteresWellenlängenspektrumausnut-zenzukönnen.AuchinderSensorik,beispielsweisebeiChipsinDigitalkameras,kannaufdieseWeisedieLicht-empfindlichkeitummehralsdasHundertfachegestei-gertwerden.

Die„Grätzel-Zelle“SchonlangestrebtdieTechnikdanach,inderPhotovoltaikdiepflanzlichePhotosynthesenachahmenzukönnen.

Genaudiesgelang1991demSchweizerProfessorMichaelGrätzelmitderEntwicklungeinerFarbstoffsolarzelle,diezuseinenEhrenauchGrätzel-Zellegenanntwird.

38

ABBILDUNG 6–1–2

Empfindlichkeitsspektrum eines „Black Silicon“– Sensors

1.000

100

10

1

0,1

0,01200 600 1.000 1.400 1.800

Wellenlänge [nm]

Emiss

ions

inte

nsitä

t

Silicium

Schwarzes Silicium

InGaAs Ge

1mm

6

39

AnodeundKathodederZellebestehenausinnenseitigbeschichtetenTrägermaterialien(z.B.Glasplatten),zwischendieeinElektrolyteingebrachtwird.DieInnenseitederAnodeistleitendmitIndium-Zinn-Oxid(ITO)beschichtet.Darüberbefindetsicheineetwa10µmdickenanostrukturierteSchichtdesHalbleiter-materialsTitandioxid(TiO2).AufdieTiO2-OberflächewirdeinlichtempfindlicherFarbstoffalsMonoschichtaufgetragen,derüberHydroxylgruppenandasTiO2bindet.FürdenBaueinerGrätzel-ZelleimSchulunter-richtsindPflanzenfarbstoffeausderGruppederAntho-cyane*gutgeeignet,beispielsweiseausHibiskus-undBrombeerextrakten.FürtechnischeAnwendungengreiftmanhingegenaufFarbstoffeaufBasisvonRuthe-niumkomplexenzurück.WegenihrerOberflächenrauigkeitbindetdienano-strukturierteTitandioxidschichtetwazweitausendmalmehrFarbstoffalseineglatteOberfläche–somitträgtdieNanostrukturzugesteigerterEffizienzderFarbstoff-solarzellebei.AufdiealsKathodefungierendeGlasplatteistantimon-dotiertesZinnoxidaufgetragen.Daraufwiederumbe-findetsicheineLageausGraphit.AlsElektrolytzwischenAnodeundKathode(Abstandetwa20bis40µm)dientbeispielsweiseIod-Kaliumiodid-Lösung.

BeiLichteinfallwirdderFarbstoffinderGrätze-ZelleineinenangeregtenZustandüberführtundgibteinElektronandasLeitungsbanddesTitandioxidsab.Anthocyane,alseineMöglichkeitverwendeterFarbstoffe,absorbierensowohlimUV-Bereichbei270bis290nmalsauchimsichtbarenBereichdeselektromagnetischenWellenspek-trumsbei465bis560nm.DasAbsorptionsverhaltenistdabeisowohlabhängigvonderMolekülstrukturalsauchvompH-Wert.TiO2wirdnichtimsichtbarenSpektralbereich,sondernerstimnahenUV-Bereichangeregt:SeinAbstandzwischendemValenz-undLeitungsbandbeträgt3,2eV,waseinerWellenlängekleinerals400nmentspricht.AusdiesemGrundfungiertnanostrukturiertesTitandioxidbeispiels-weiseauchalsPhotokatalysator.VomTitandioxidgehtdasElektronaufdieleitendeITO-SchichtanderAnodeundvondortaufdieElektrodeüber.NunfehltdemFarbstoffeinElektron,daserdurchdieOxidatonvonIodid-IonenausdemElektrolytenzurück-erhält.

2 I– I2 + 2 e–

VonderKathodewirddersoentstandeneElektronen-mangelinderElektrolytlösungdurchReduktiondeselementarenIodszuIodid-Ionenwiederausgeglichen.

ABBILDUNG 6–1–3

Aufbau einer Grätzel-Zelle und Schema des Elektronenflusses

Glasplatte oder lichtdurchlässige Kunststofffolie

Lichtteilchen

GraphitKathode

Elektrolyt (KI/I2)

Halbleiter (TiO2) mit Farbstoff

Anode

Glasplatte oder Kunststofffolie

e–

e–

K+ I–e–

e–

e–TiO2

I2

Farbstoff

ABBILDUNG 6–1–4

Aufbau einer organischen Solarzelle

OrganischeSolarzellenDasHerzstückeinerorganischenSolarzellesindorganischeHalbleiterverbindungen,zwischendenendiedurchLicht-energieangeregteLadungstrennungerfolgt.AndersalsbeidemSchichtaufbauderGrätzel-ZellestrebtmanhierNetzwerkeausverschiedenenVerbindungenan,weilinihnendieOberflächefürdieLichtanregungwesentlichgrößerist.DabeikommensowohlgroßePolymerealsauchkleineMoleküleinfrage.Zwischendenp-undn-dotiertenSchichtenderElektrodenliegtbeidersogenanntenp-i-n-Solarzelledieinnere,photoaktiveSchicht„i“.SiewirddurcheinGemischauseinerDonorphase,dieElektronenabgibt,undeinerAk-zeptorphase,dieElektronenaufnimmt,gebildet.Diein-nereSchichtistinderRegeldünnerals60nm.WegendergeringenEindringtiefedesLichtssowiedurchgeringeAbsorptionanderElektrodendünnschichtwerdensehr

vieledereingestrahltenLichtteilchenvonderSolarzelleauchabsorbiert.GuteErfahrungenliegenfürdie„i“-SchichtmitGemischenausmodifiziertenFullerenen(z.B.PCBM)undlangkettigenorganischenPolymerenwiezumBei-spieldemPoly(3-Hexylthiophen-2,5-diyl),abgekürztP3HT,vor.Fullerenesindkugel-oderröhrenförmigeKohlenstoffverbindungen,vondenendasC60-Fullerenwegenseiner„Fußball-Geometrie“diegrößteBekannt-heiterlangthat.FürdieAnwendunginderp-i-n-Solar-zellestelltdasmodifizierteC60denElektronenakzeptordar.P3HTdientalsElektronendonator.DerVorteilderorganischenSolarzellenliegtinihrergeringenDickeundderdarausfolgendenFlexibilität.ImLabormaßstabkonntenbeip-i-n-SolarzellenbereitsWirkungsgradevon8Prozenterreichtwerden(Stand:Juli2010).

40

Phenyl-C61-Buttersäuremethylester Poly(3-Hexylthiophen-2,5-diyl)

PCBM : P3HT

OCH3

O C6H13

S

Kathode

Anode

Donorphase P3HT

AkzeptorphasePCBM

6

41

A Basis B Mittelstufe

ABBILDUNG 6–2–1

Solarkocher und Vakuumröhrenkollektor

6.2Solarthermie

SonnenwärmenutzbargemachtImHochsommermerktmanesbesondersdeutlich:StehteinschwarzesAutolangeinderSonne,istdieTemperaturimInnenraummeistvielhöheralsineinembaugleichenPKWmitweißerLackierung.DerGrund:SchwarzeFarbeabsorbiertdieWärmeenergiedesSonnenlichtshervorragend.DiesesPrinzipmachtmansichbeispielsweisebeimSolar-kocherzunutze:EinParabolspiegelkonzentriertSonnen-strahlenaufeinenmeistmattschwarzenBehälterimBrenn-punktbereichdesSpiegels.DerBehälterabsorbiertdasge-bündelteSonnenlicht,sodassseinInhaltstarkerhitztwird.SolarkocherwerdenzumAbkochenvonWasser,zumErwärmenvonSpeisen,zumBraten,BackenoderGrillenverwendet.

InärmerenLändernmitvielSonnenstrahlungkönnenSolar-kocherdazubeitragen,dasswenigerHolzfürBrennmaterialgeschlagenwird.InGebietenmitwenigsauberemTrink-wasserlässtsichmitihnenWasserentkeimenundsodieGesundheitderMenschenverbessern.DieUmwandlungvonSonnenenergieinnutzbarethermischeEnergiebezeichnetmanalsSolarthermie.ÜberallaufderWeltwirddieSolarthermieverstärktdazuverwendet,ummitSon-nenkollektorenWärmeenergiefürWarmwasserzuerzeugen.

Wärme—physikalischbetrachtet

JederKörpergibtWärmestrahlungab.DieseauchalsthermischeStrahlungbezeichneteStrahlungistebensowiesichtbaresLichtoderRadiowelleneineelektromag-netischeStrahlung.WährendbeiFlüssigkeitenundFest-körperninAbhängigkeitvonderTemperatureinrechtbreitesSpektrumanWärmestrahlungabgegebenwird,lassensichbeiGasenrelativscharfumrissene,material-typischeEmissionspitzen(Spektrallinien)beobachten.WährendWärmeleitung(Konduktion)undWärmemit-führung(Konvektion)anMateriegebundensind,kannWärmestrahlungauchluftleerenRaumüberwinden–nursoerreichtunsdieWärmederSonneauchnachihremlangenWegdurchdasVakuumdesWeltalls.WennwirvonWärmestrahlungsprechen,dannmeinenwiroftnurdeninfrarotenAnteilderthermischenStrahlung,weilunserKörperdiesenspürenkann.DerinfraroteSpektral-bereicherstrecktsichzwischen780nmund1.000.000nm(1mm)Wellenlänge.DiesentsprichteinemFrequenz-bereichvon3·1011Hzbisca.4·1014Hz.WennWärmestrahlungaufeinenKörpertrifft,könnendreiDingegeschehen:

1.Transmission:DieWärmestrahlungwirdteilweisedurchgelassen(z.B.Fensterscheibe).

2.Reflexion:DieStrahlungwirdteilweisezurück-geworfen(z.B.Parabolspiegel).

3.Absorption:DieStrahlungwirdteilweisevondemKörper„geschluckt“(absorbiert)undinWärmeumgewandelt(z.B.schwarzerBehälterimSolarkocher).


Selbstbau eines Solarkocher-Modells (PHY–EX9)


42

DiesendreiVorgängenwirdjeweilseinKoeffizientzu-geordnet:Transmissions-,Reflexions-undAbsorptions-koeffizient.BeieinemAbsorptionskoeffizientenvon0,5beispiels-weise„schluckt“einKörper50ProzentdereinfallendenStrahlung,emittiertjedochbeigegebenerTemperaturauchnurdieHälftederWärmestrahlung.BlankeOberflächenverringerndieAbsorptionvonWärme-strahlung(etwaspiegelndeMetalloberflächenbeiRettungsdeckenoderThermoskannen).UmgekehrterhöhtsichdieWärmestrahlungsabsorptiondurchmatteodersogarschwarzeOberflächen.AusdiesemGrunderhitztsichdasWasserindemschwarzenBe-hältereinesSolarkochers:EinsolcherKochermiteinemParabolspiegelvon140ZentimeterDurchmesserbringtzumBeispieldreiLiterWasserin25MinutenzumKochen.

DieWärmekapazitätDieMengeanthermischerEnergieΔQ,dieeinKörperbeieinergegebenenTemperaturänderungΔTspeichernkann,istdurchdenQuotientendieserbeidenGrößengegebenundwirdalsWärmekapazitätCbezeichnet:

C= ΔQ / ΔT

ÜblicherweisewerdenWärmekapazitäteninJouleproKelvin(J·K–1)angegeben.

UmWärmekapazitätenvergleichenzukönnen,benötigtmaneineBezugsgröße,alsoentwederMasse,StoffmengeoderVolumen.DieaufdieMassebezogene,spezifischeWärmekapazitätcistgegebendurch:

c =

EntsprechendbeziehtsichdiemolareWärmekapazitätcmolaufdieStoffmengen:

cmol =

Amwichtigsten,insbesonderefürdenVergleichvonDämmmaterialien,istjedochdieaufdasVolumenbezogeneWärmespeicherzahls:

s =

FürdasersteBeispielheißtdies:DiespezifischeWärme-kapazitätgibtdieEnergiemengean,diemanbenötigt,um1KilogrammeinesStoffesum1Kzuerwärmen.EingeeignetesVerfahrenihrerMessungistdieKalorimetrie(sieheKapitel4,ChemieundEnergie).Beispiel: Aluminium besitzt eine spezifische Wärmeka-pazität von 0,9 kJ · kg–1 · K–1. Zum Vergleich: Der Wert für Eisen beträgt 0,46 kJ · kg–1 · K–1. Bei gleicher Energie-zufuhr steigt die Temperatur im Eisen also doppelt so schnell wie im Aluminium.DiespezifischeWärmekapazitätfürWassermit4,18kJ · kg–1 · K–1bedeutet,andersformuliert,dassWassereinhervorragenderWärmespeicherist,wenneseinmalaufgeheiztwurde.WarmwasserheizungensindderbesteBeweisdafür.

PraktischesBeispiel:derSolarkollektorThermischeSonnenkollektorenaufHausdächernsindgutbekanntundnutzeneinegigantischeEnergiequelle.Solarkollektorenerreichen(relativhohe)Wirkungsgradezwischen60und75Prozent.DurchdasAbdeckglasdesKollektorsfallenSonnenstrah-lenaufdenSolarabsorber,dasHerzstückdesKollektors.DieserabsorbiertnahezudengesamtenSpektralbereichdesLichts.DerAbsorbererwärmtsich,wobeidieAbgabedieserWärmeübereinenKonvektionsschutzmiteineroderzweiGlasscheibenodereinemVakuumverhindertwird.FlachbettkollektorenbestehenauseinerdunklenAb-sorberflächemitinnenliegendenHohlräumen,indeneneinWärmeträger,meisteinWasser-Glykol-Gemisch,zirkulierenkann.IhredunkleOberflächenimmtSonnen-lichtsehrgutauf,gibtabergleichzeitigimBereichzwischen780und3.000nm(„nahesInfrarot“)wenigerWärmestrahlungab.DieseAbsorberflächeistineinemstabilenundgedämmtenGehäuseuntergebracht,dessenOberseiteinderRegeldurcheinSpezialglasverschlossenwird,umeinemöglichsthoheWärmeausbeutezu

ΔQ m · ΔT

ΔQ n · ΔT

ΔQ V · ΔT


Wie viel Energie steckt in einer Badewanne voll warmem Wasser? (PHY–AB4)

DieAntwortgibtdasArbeitsblatt.

43

6

gewährleisten.Vakuumröhrenkollektorensindkompli-zierteraufgebautunddaherinderHerstellungteurer.IneinenGlaskolbenwirdeinAbsorberblecheingebracht,indessenMitteeinRohrmitdemWärmeträgerverläuft.DieAnschlüssefürdiesesRohrwerdenaneinerSeite

ausdemKolbengeführt,anschließendwirdindemKolbeneinVakuumerzeugtundderKolbendichtver-schlossen.DurchdasVakuumwerdendieWärmeverlustegegenüberdenFlachkollektorendeutlichreduziert,sodassdieVakuumkollektoreneffizienterarbeiten.

ABBILDUNG 6–2–2

ABBILDUNG 6–2–3

Aufbau eines Sonnenkollektors

Aufbau eines Vakuumröhrenkollektors

Solarglas

Wärmerohr

Glasrohr

Isolation

Sammelrohr

Sammelrohr

Wärmetauscher (Kondensator)

Wärmedämmung

Sichere Befestigung des Solarglases

Rückseitenblech aus Aluminium

Hochselektive Absorberbeschichtung

Umlaufende Nut zur einfachen Kollektormontage

Licht

Pulverbeschichteter, umlaufender Aluminiumrahmen

Mäanderrohr, durchgehend auf Absorber mittels Laser verschweißt

AktuellwirdinternationalanPlänengearbeitet,mithilfevonSolarthermiekraftwerkeninderSaharaingroßemMaßstabelektrischenStromzuerzeugen.ImRahmenderDesertec-InitiativesollenzukünftigdieWüsten

weltweitzurGewinnungvonSolarstromgenutztwer-den.DieSonnenstrahlung,dieinsechsStundenaufdieWüstenderErdetrifft,liefertmehrEnergiealsdieMenschheitineinemJahrverbraucht.

WärmeleitungmathematischunterdieLupegenommenWelchephysikalischenGrößenspieleneineRolle,wenndieWärmeenergiederSonneimSolarkollektorvondemAbsorberübereinRohrsystemaufeinewärmetranspor-tierendeFlüssigkeitübertragenwird?BetrachtenwirindiesemZusammenhangzunächstdenWärmeübergangskoeffizienten,durchdendieFähigkeiteinesGasesodereinerFlüssigkeitbeschriebenwird,Ener-gievonderOberflächeeinesStoffesabzuführenbezie-hungsweiseandieseabzugeben.DerWärmeübergangs-koeffizientistbeiFlüssigkeitenbeispielsweisestarkab-hängigvonderArtderStrömungundderStrömungs-geschwindigkeit.

IneinemgegebenenSystemmit:α = WärmeübergangskoeffizientA = KontaktflächebeziehungsweisebenetzteOberflächeT1,T2 = StofftemperaturenderzweibetrachtetenPhasenundΔt = betrachtetesZeitinterwall

berechnetsichdurchWärmeleitungübertrageneWärmemengeQnachderGleichung:

Q = α · A · (T1 – T2) · Δt

Wärmespeicherung:VomHandwärmerbiszurHeiztechnikImBauwesensorgensogenannteLatentwärmespeicherdafür,dassdieSonnenwärmeabgeführtundgespeichertwird,anstattdieFassadeaufzuheizen.Wirdesdraußenkühl,kanndiegespeicherteEnergiezuHeizzweckenwiederabgegebenwerden.DerlateinischeWortstammlatens=„versteckt,verborgen“deutetdaraufhin,dasssichdasSpeichermaterialbeiderAufnahmederthermi-schen EnergiebiszumErreichenseinerKapazitätsgrenzeselbstnichterwärmt.DanebengibtesfürLatentspei-chermaterialienzahlreicheweitereEinsatzmöglichkei-ten:InKraftfahrzeugenspeichernsieüberschüssigeMotorwärmefürdenKaltstart.InderGastronomiefin-densiezumBeispielVerwendungalsWarmhalteplatten.InFunktionstextiliennehmensiedieKörper-undUmge-bungswärmeaufundgebendiesewiederab,wennesunangenehmkaltist.

AlsSpeichermedienverwendetmanMaterialien,diebeiderWärmeaufnahmeeinenPhasenübergangvonfestnachflüssigdurchlaufen.DieseMaterialien,vorallemParaffine*oderSalzhydrate,werdendeshalbauchimEnglischenals„phasechangematerials(PCM)“bezeichnet.BeiderWärmeaufnahmeschmilztdaserstarrteParaffinoderSalzhydratundkehrtbeiderWärmeabgabewiederinseinenAusgangszustandzurück.EinschönesAnwendungsbeispielfürdiesesPrinzipsindWärmekissenimTaschenformat,mitdenenmansichimWinterdieHändewärmenkann.IndiesenTaschenwärmernbefindetsichhäufigNatrium-acetat-Trihydrat(C2H3NaO2·3H2O);aberauchNatrium-sulfat-Dekahydrat(Na2SO4·10H2O,Glaubersalz)oderKalium-Aluminiumsulfat-Dodekahydrat(Alaunsalz)kommeninfrage.Diezuspeicherndethermische Energie wirddemSpeichermediumimWasserbadzugeführt.BeieinerSchmelztemperaturvon58°CverflüssigtsichdasNatriumacetat-TrihydratundkannindiesemAggregat-zustandauchnochbeiwesentlichtieferenTemperatu-renalsunterkühlteSchmelzeverbleiben(jenachBedin-gungenbis-20°C).DabeiistdasSalzinseinemeigenenKristallwassergelöst.ZerdrücktmandasMetallplättchenimWärmekissen,werdenwinzigePartikelfreigesetzt,diealsKristallisati-onskeimewirken.BeiderKristallisationerwärmtsichdasKissenauf58°C,alsowiederaufdiefürdenSchmelz-vorgangverwendeteTemperatur.DerKristallisations-vorgang,unddamitdieWärmeabgabe,könnensichübereinelängereZeiterstrecken.

44

C Oberstufe

45

6

6.3StationäreBrennstoffzelle

Brennstoffzelle—RaumfahrttechnologiemitZukunftBeiderReaktionvonWasserstoffmitSauerstoffwirdvielEnergiefrei.EinimVerhältnis2:1zusammengesetztesGemischdieserbeidenGasereagiertbeiZündungmitheftigemKnall,weshalbmanesauchalsKnallgasbezeich-net.DiesesehrenergiereicheReaktionwurdebeispiels-weiseindenHaupttriebwerkendesamerikanischenSpaceShuttlegenutzt,vondenenjedesproSekundemehrals1.300LitereinesGemischesausflüssigemWasserstoffundSauerstoffverbrannte,wobeieineTemperaturvonetwa3.300°CundeinSchubvon2Meganewton(sovielwiegteineMassevon200.000KilogrammaufderErde)entstand.DiegleicheReaktion,aberunterganzanderenUmständen,findetineinerBrennstoffzellestatt.Siezähltzudengalva-nischenElementen.EinentscheidenderUnterschiedzuBatterienundAkkumulatorenbestehtdarin,dassdieenergiereichenSubstanzen(„Brennstoffe“,alsoimvor-liegendenFallH2undO2)nichtvonvornhereininderZelleenthaltensind,sondernvonaußenzugeführtwerden.DasGrundprinzipderBrennstoffzelle:WasserstoffwirdaneinerElektrode(derAnode)zugeführtundSauerstoffanderanderenElektrode(derKathode).DieReaktiondieserbeidenGasemiteinanderwirdnundurchdieBauweisederBrennstoffzellesogeführt,dasseineelektrischeSpan-nungandiesenbeidenElektrodenresultiert.VerbindetmandieElektrodenübereinenStromkreis,solässtsichderGroßteilderbeidieserReaktionfreiwerdendenEnergiezumBetriebeineselektrischenVerbrauchersnutzen.

AndersalsetwaeinDieselgeneratorerzeugteineBrenn-stoffzellegeräuschlosStromundihr„Abgas“istreinesWasser.IhrGrundprinzipistübrigensschonrechtlangebekannt:ImJahre1838bemerktederMetzingerGelehrteChristophSchönbein,dasszwischenzweiPlatindrähtenineinersaurenLösungeineelektrischeSpannungherrscht,wenndereinemitWasserstoffundderanderemitSauerstoffumspültwird.DerSchotteSirWilliamGrovebauteaufSchönbeinsArbeitaufundprägtedenBegriffdes„batterisiertenKnallgases“.DerberühmtefranzösischeSchriftstellerJulesVerneformulierte1870inseinemRoman„DiegeheimnisvolleInsel“weitreichendeVisionenüberdieZukunftvonWasser-stoffalsEnergieträgermitdemSatz:„DasWasseristdieKohlederZukunft.“Nun,ganzsoweitsindwirheutenochnicht.WegenderhohenKostenunddeskompliziertenBetriebeswarderEin-satzderBrennstoffzellelangeaufNischenanwendungeninU-BootenoderinderRaumfahrtbeschränkt.DochindenletztenJahrzehntenwurdenimmerweitereAnwendungs-feldererschlossen.ZudemlassendieintensivenForschun-genaufdiesemGebietweitereDurchbrücheerwarten.

A Basis


Betrieb einer Brennstoffzelle (CH–EX4)

Die Schüler lernen im Experiment den Aufbau einer

Brennstoffzellekennenunderfahren,welchenFaktoren

ihre Leistung bedingen und welche Anforderungen an

dieKonstruktioneinerBrennstoffzellegestelltwerden.

ABBILDUNG 6–3–1

Technische Anwendungen von Brennstoffzellen

+-

Brennstoffzellen:HocheffizienteEnergiewandler

Eigentlichistesfalschvon„der“Brennstoffzellezusprechen,dennesexistierenmittlerweilezahlreicheTypen,diesichinunterschiedlichenParameternunterscheiden.ImFol-gendenwerdeneinigeBeispieledargestellt:SehrleistungsfähigmiteinemelektrischenWirkungsgradvon60bis70ProzentistdiealkalischeBrennstoffzelle.SiearbeitetbeiTemperaturenzwischen20und90°CundverwendetKalilaugealsElektrolyt.DiezwischenAnoden-undKathodenraumtransportierteSpeziesistdasHydroxid-IonOH-.AufgrundihrerLeistungsfähigkeitwirdsieinderRaumfahrtseitlangemroutinemäßigverwendet.Aller-dingshatsiedenNachteil,dassWasserstoffundSauer-stoffinsehrreinerFormzugeführtwerdenmüssen,dadiealkalischeBrennstoffzelleaufVerunreinigungen,etwamitKohlenstoffdioxid,sehrempfindlichreagiert.

DiebeideralkalischenBrennstoffzellestattfindendenReaktionenlautenwiefolgt:

ReaktionanderAnode: 2 H2 + 4 OH– 4 H2O + 4 e–

ReaktionanderKathode: O2 + 2 H2O + 4 e– 4 OH–

Gesamtreaktion: 2 H2 + O2 2 H2O

DiePolymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle–ent-sprechendihrerenglischenBezeichnung“polymer

electrolytemembranefuelcell“alsPEMFCabgekürzt–kannjenachElektrolytbei60bis80°C(Niedertempe-ratur-PEMFC)oderbei130bis200°C(Hochtemperatur-PEMFC)betriebenwerden.AlsElektrolytkommtbeiihreineprotonenleitendeKunststoffmembranzumEinsatz.PEMFCslassensichleichtzugrößerenEinheitenzusam-menfassenundbesitzenhoheWirkungsgradevon40bis60Prozent.AllerdingsbenötigensiealsKatalysatordasteureMetallPlatin.AnwendungfindensiezumBeispielinelektrischenAutoantrieben,inderRaumfahrtoderauchinderHausenergieversorgung.

DiebeiderPEMFCablaufendenchemischenAbläufesind:

ReaktionanderAnode: 2 H2 4 H+ + 4 e–

ReaktionanderKathode: O2 + 4 H+ + 4 e– 2 H2O

Gesamtreaktion: 2 H2 + O2 2 H2O

EsistwichtigsichvorAugenzuhalten,dassdieBrenn-stoffzellentechnologiesichmitderEnergiewandlungbefasst.UnterökologischenAspektenistesalsoauchwichtig,diegenutzteEnergiequellezubetrachten:SoisteszumBeispielwenigzielführend,mitHilfevondurchVerbrennungvonKohleerzeugtemStromWasserzuzerlegen,umdenWasserstoffanschließendwiederinStromumzuwandeln.

46

B Mittelstufe

ABBILDUNG 6–3–2

Aufbau einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle

Protonenleitende Polymermembran (PRM) Katalysator-Beschichtung

Wasser (H2O)

Wasser (H2O)+

Methanol (CH3OH)

Kohlenstoffdioxid (CO2)+

Wasser (H2O)

Sauerstoff (O2)

47

6

ZurzeitwirdWasserstoffüberwiegendalsNebenpro-duktderpetrochemischenIndustriebzw.durchdieso-genannteDampfreformierungvonMethangewonnen.DabeiwerdenMethanundWasserdampfbeihohenTemperaturen(700bis1.100°C)inGegenwarteinesNickel-KatalysatorsineinerendothermenReaktionzuKohlenmonoxidundWasserstoffumgesetzt:

CH4 + H2O CO + 3 H2 | ΔH = + 206,2 kJ · mol–1

UmdieWasserstoffausbeutezusteigern,kannineinemnachgelagertenReaktionsschrittdasKohlenstoffmonoxidinderleichtexothermensogenanntenWassergas-Shift-ReaktionmitWasserumgesetztwerden:

CO + H2O CO2 + H2 | ΔH = - 41,2 kJ · mol–1

InZukunftkönntesichdieGewinnungvonWasserstoffzumBetriebvonBrennstoffzellenaufganzandereQuellenstützenalsheute.DabeimöchtemansichdiebelebteNaturzunutzemachen—entwederalsLieferantenergie-haltigerVerbindungenoderaberalsIdeengeber.HierzuwerdenimWesentlichendreiAnsätzeverfolgt:DieNut-zungvonBiomasse,zumBeispielStrohoderHolzabfällen,welchedurchchemischeundthermischeProzesseineinwasserstoffhaltigesGasgemischumgesetztwerden.EineandereVariantebestehtdarin,Algengentechnischgezieltsozuverändern,dasssiebeiderPhotosyntheseWasserstoffproduzieren.Undschließlichwirddarangeforscht,Photo-Katalysatorenzuentwickeln,welchedieEnergiedesSonnenlichtesdirektzurSpaltungvonWasserinseineElementenutzen.

EinProblembeiderNutzungvonBrennstoffzellenbestehtdarin,dassderEnergieträgerWasserstoffentwederunterhohemDruckodertiefkaltverflüssigt(-253°C)vorgehaltenwerdenmuss.DieserforderteinenhohentechnischenAufwandbeiTransportundLagerung.EineAlternativebietenBrennstoffzellen,diemitEnergieträgernbetriebenwerden,welchebeiUmgebungstemperaturundUmge-bungsdruckflüssigsind.EinensolchenEnergieträgernutztdieDirekt-Methanol-Brennstoffzelle(abgekürztDMFC,vonengl.”directmethanolfuelcell”).SiefunktioniertprinzipiellsehrähnlichwieeinePEMFCundkannzwischenZimmertemperaturund200°Ceingesetztwerden.Nach-teiligsindallerdingsdieGiftigkeitundKorrosivitätdesMethanolssowiederniedrigereelektrischeWirkungsgradvon20bis30Prozent.IhremöglichenAnwendungsfeldersindzumBei-spielElektroantriebeodertragbareStromversorger.

HINWEIS

BrennendesEis:Esistkalt,essiehtauswieEis,doches

brennt–Methanhydrat.DieseungewöhnlicheKombi-

nationausMethanundWasserentstehtbeihohen

DrückenundniedrigenTemperatureninPermafrost-

böden*undindenTiefenderOzeane.Fachleuteschät-

zen,dassderEnergiegehaltderMethanhydratvorkom-

menindenWeltmeerenfünfmalsohochistwiederaller

bekanntenKohle-,Erdöl-undErdgasvorkommenzu-

sammen.NochistdieErschließungdieserRessourcen

Zukunftsmusik,dochanderNutzbarmachungdieser

insbesondereinunterseeischenKontinentalhängen

gebundenenGasmassenwirdgeforscht,auchin

Deutschland.

DochwasistmitderCO2-Bilanz?Dennschließlichwäre

dieenergetischeNutzungdiesesMethansmiteiner

weiterenProduktiondesTreibhausgasesKohlenstoff-

dioxidverbunden.AuchdafürhabendieWissenschaft-

lereinebestechendeIdee:Gelängees,dasMethan-

hydratdurchEinpressenvonKohlenstoffdioxidindie

Kontinentalhängezugewinnen,soließensichzwei

FliegenmiteinerKlappeschlagen.Mankönnteeine

wertvolleRessourceerschließenundgleichzeitigdie

FreisetzungvonKohlenstoffdioxidunterbinden.Denn

jenachDruck-undTemperaturverhältnissenließen

sichfürjedesMethanmoleküldreibisfünfKohlen-

stoffdioxidmolekülespeichern.

DieineinerDMFCablaufendenchemischenVorgängelauten:

ReaktionanderAnode: 2 CH3OH + 2 H2O 2 CO2 + 12 H+ + 12 e–

ReaktionanderKathode: 3 O2 + 12 H+ + 12 e– 6 H2O

Gesamtreaktion: 2 CH3OH + 3 O2 2 CO2 + 4 H2O

EinNachteilhierbeiistdiemöglicheBildungvonCarbonatausdembeiderReaktionentstehendenKohlendioxid.DiesessetztdenWirkungsgradderBrennstoffzelledeutlichherab.

GrößerestationäreBrennstoffzellenanlagenfindenbereitsAnwendungzurEnergieversorgungvonKrankenhäusernundimkommunalenBereich.BeidenhierinstalliertenLeistungenimBereichvonmehreren100KilowattkommennichtDMFCs,sondernHochtemperaturbrennstoffzellenzumEinsatz,diealsElektrolytSalzschmelzenoderspe-zielleOxidkeramikenenthalten.SiearbeitenbeiTempe-raturenzwischen620und1.000°Cunderreichenda-beiWirkungsgradevonbiszu65Prozent.

Brennstoffzelle:VisionenundtechnischeHerausforderungen

EinedergroßenHerausforderungenbeiderNutzungvonBrennstoffzellenstelltdieTechnologiezurSpeicherungdesWasserstoffsdar.SeinekritischeTemperatur*liegtbei-240°C,d.h.oberhalbdieserTemperaturkannWasser-stoffnichtmehrdurchDruckverflüssigtwerden(andersalsetwaEthanoderPropan,derenkritischeTemperaturenbei32,3°Cbzw.96,7°Cliegen).DaherkommteralsDruckgasinFlaschenmiteinemFülldruckvon200bzw.300barindenHandel.AusgehendvoneinemFülldruckvon300barergibtsichfüreineZehnliter-FlascheeinEner-giegehaltvon32,4Megajoule—diesentsprichtetwademEnergiegehaltvoneinemLiteriso-Octan(31Megajoule).HochdruckspeicherausCarbon-Verbundmaterialien

ermöglichenbereitsSpeicherdrückevon700barbeiverhältnismäßigniedrigemGewichtundwerdeninfort-geschrittenenPrototypenvonWasserstoff-Autosver-schiedenerHerstellereingesetzt.EineandereMöglichkeitderSpeicherungbestehtdarin,denWasserstofftiefkaltzuverflüssigen(Siedepunkt-252,87°C),einLiterhatdanneinenEnergiegehaltvon8,5Megajoule(einLiterBenzinhateinenEnergiegehaltvon31,5Megajoule).AllerdingssindsowohldieVerflüs-sigungalsauchdieLagerungundderTransportbeisolchextremniedrigenTemperaturensehraufwändig.ZudemtretentrotzderextremgutenIsolierungnacheinigenTagenAbdampfverlusteauf,welcheheuteinderGrößen-ordnungvontäglich0,4ProzentdesTankvolumensliegen.EineweitereAlternativebestehtdarin,Methanolzuzu-führenundvorOrtdenbenötigtenWasserstoffmitHilfeeinessogenanntenMethanol-Reformerszuerzeugen:

CH3OH + H2O 3 H2 + CO2 | ΔH = + 49,2 kJ · mol–1

DieReaktionistendothermunderfolgtbeiDrückenvonetwa20barundTemperaturenvon250bis280°C.DergebildeteWasserstoffwirdmitHilfeeinerspezifischnurfürihndurchlässigenMembranabgetrennt.

VieleMetalle,insbesonderedererstenbisdrittenHaupt-gruppedesPSE,habeneinehoheAffinitätzuWasserstoff,siebildenHydride.DiesesmachtmansichinWasserstoff-hydridspeichernzunutze:DasentsprechendeMetallliegtinfeinerVerteilung,alsomiteinerhoheninnerenOberflächevor.WirdesnunmitWasserstoffinKontaktgebracht,solöstsichdieserbereitsbeigeringemÜber-druckineinerexothermenReaktion.UmdenSpeicherzuentleeren,mussdiesernunwiedererwärmtwerden.MetallhydridspeicherhabeneinehoheSpeicherkapazi-tätproVolumeneinheit—soenthälteinLiterMetallhy-dridmehrWasserstoffatomealseinLiterverflüssigterWasserstoff.AufdasGewichtbezogenistdieSpeicher-kapazitätallerdingssehrgeringunddiebisherigenSpeichersindsehrteuer.

EineinteressanteAlternativekönnteninZukunftsoge-nanntemetallorganischeGerüste(engl.MOF=“metalorganicframework“)darstellen.SiebestehenausMetall-atomenalsKnotenpunktensowieorganischenMolekülen

48

C Oberstufe

49

6

alsVerbindungselementezwischendiesenKnoten-punktenundverfügenübereinegroßeinnereOberflächevonmehrals4.500m2/g.Wasserstoffkannsichandie-sergroßeninnerenOberflächeanlagern.DieMOFsstel-lenvielversprechendeKandidatenfürzukünftigeWas-serstoffspeichermiteinerhohengewichtsbezogenenSpeicherkapazitätdar.

DamiteineBrennstoffzellefunktioniert,mussunteran-deremdafürgesorgtwerden,dasszwischenAnodenraumundKathodenraumkeininnererKurzschlussauftritt.BeieinerPolymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle(PEMFC)wirddiesdadurcherreicht,dassmandiebeidenHalbzellendurcheineMembranmitionenselektiverPermeabilitätvoneinandertrennt:DieDurchlässigkeitfürdiepositivenLadungsträger,alsodieProtonen,vonderAnodezurKathodemussgewährleistetsein,währendgleichzeitigdieDurchlässigkeitfürandereSpeziesmög-lichstniedrigseinsollte.InderPraxiserreichtmandies,indemmandieMembranauseinemPolymerherstellt,welchesdurchdasEinbringenstarkpolarerGruppenfürIonenleitfähigist.MansprichtdannauchvoneinemIono-mer.EinesdererstenIonomerewareindurch„Einbau“vonSulfonsäuregruppenmodifiziertesPolytetrafluorethen.EsistfürAnionenundurchlässig,zeigtaberDurchlässig-keitfürKationen.FürdenEinsatzineinerPEMFCbenötigensolcheMem-branennocheineweitereKomponente,undzwareinekatalytischaktiveBeschichtung.Diesekannbeispiels-weiseauseinemGemischausKohlenstoffmitverschie-denenMetallenderPlatingruppe,NickeloderCobaltbestehen.DieseKatalysatorschichtsorgtdafür,dassWasserstoffmoleküleaufderAnodenseitedissoziierenundihreElektronenabgeben.LetzterefließendurchdenäußerenStromkreisundreduzierenaufderKatho-denseiteunterMitwirkungdesKatalysatorsSauerstoff-molekülezuOxidionen.DiesereagierenmitdendurchdieMembrangewandertenOxoniumionenzuWasser.DieErforschungdieserVorgängeansolchenKatalysatorenistentscheidend,umLeistungsfähigkeit,EffizienzundLanglebigkeitvonBrennstoffzellenweiterzuoptimieren.DeutscheForscherinnenundForschersindhieranvor-dersterFrontmitdabei:SoerhieltFrauDr.ChristinaRoth,

JuniorprofessorinanderTechnischenUniversitätDarm-stadt,imMärz2010denmit50.000EurodotierenAdolf-Messer-Preis.GemeinsammitihremTeamhatsieunteranderemeineMethodeentwickelt,mitdersichdieWirkmechanismenvonKatalysatorenimlaufendenBe-triebverfolgenlassen—einentscheidenderSchrittfürdieVerbesserungvonBrennstoffzellen.DaBrennstoffzellenausderSichtderThermodynamikkeineWärme-Kraft-Maschinensind,geltenfürsienichtdieBeschränkungendesCarnot-Wirkungsgrads.DerbisherhöchstebeiBrennstoffzellenrealisierbareWirkungs-gradliegtbeica.70Prozentdeutlichmehralsbeispiels-weisebeiderKombinationVerbrennungsmotor-Generator.DochimUmkehrschlussheißtdasauch,dass30ProzentderEnergiealsAbwärmeungenutztbleibt.Alszukunfts-weisendesKonzeptzurbesserenAusnutzungvonEnergie-trägerngiltdaherdieKraft-Wärme-Kopplung.SiewirdinBlockheizkraftwerken*(BHKW)eingesetzt,dieLeistungenimmehrstelligenMegawattbereichaufweisen.DochdasPrinziplässtsichauchherunterskalierenaufkleinereAnlagenzurVersorgungeinzelnerGebäudebishinzuEinfamilienhäusern.HiersprichtmanauchvonMini-odergarMikro-BHKW.ZurzeitlaufenzahlreicheFeldversuchemitMini-BHKWsbasierendaufBrennstoffzellentechnik.EinsolchesderzeitinderErprobungbefindlichesModulhatzumBeispielbeieinerelektrischenLeistungvon1KilowattundeinerthermischenLeistungvon2Kilo-watt(plusmaximal20KilowattZusatzheizleistung)einenGesamtwirkungsgradvonüber90ProzentundwirdmitgewöhnlichemErdgas(Methan)betrieben.


Membrantechnologie (CH–EX4)

Die Membran muss den Anoden- und Kathodenraum

trennenunddabeidenSchlussdesStromkreisesermög-

lichen. Die Schüler können die Wirksamkeit verschie-

dener„Alltagsmembranen“wiePapieroderStoffprüfen.

Die Vorgänge in einer Brennstoffzelle erläutert die

ANIMATION6–3–1aufderCD-ROM.

50

6.4Dämmmaterialien

WärmedämmunginderNaturWarumschütztdasFelloderFederkleidvieleTieresogut

vorKälte?ZwischendendichtenHaarenbeziehungs-weiseFedernwirddieLuft—einschlechterWärme-leiter—gutfestgehalten.WeilsiedortwenigPlatzzumStrömenhat,gehtüberdieHautkaumWärmeverloren.

InderkaltenJahreszeitverstärkenvieleTiereihre„körpereigeneIsolierung“noch:SiebildenzumBei-spieleinWinterfell,dasnochmehrkleineHaareenthältalsdasSommerkleid.Vögelbekommenzu-sätzlicheFlaumfedern(Daunen),dienachdemWin-

terwiederausfallen.WennVögelfrieren,könnensiesichaußerdem„aufplustern“.Dadurchbringensiezu-

sätzlicheLuftunterihrFederkleidundvergrößernsodieDickederdämmendenLuftschicht.KleineluftgefüllteHohlräumesindalsoidealfürguteWärmedämmung.DeshalbwendetauchderMenschdiesenTrickbeivielenDämmstoffenan,beispielsweiseumseinHausvorWärmeverlustenzuschützen.

WärmedämmunginderTechnik

AlsDämmstoffebezeichnetmanalleMaterialienmitwärme-und/oderschalldämmendenEigenschaften.EsgibteineVielzahlnatürlicherundsynthetischerDämm-stoffemitunterschiedlichgutenEigenschaften.WichtigfürdieBewertungihrerQualitätsindzumBeispiel:• Wärmeleitwert• Wärmespeicherfähigkeit• Brandverhalten(Brandschutz)• Schalldämmung• Zugfestigkeit• Druckfestigkeit• BaubiologischeEignung(z.B.Vermeidungvon

Schimmel)

WieanhandderWärmedämmunginderNaturbereitsdeutlichgewordenist,sindkleineHohlräumemitmini-malerLuftzirkulationdieUrsachefürdieDämmwirkung.DämmstoffemüssenfolglichübereineporöseodergewebeartigeStrukturverfügen.DieDämmstoffeaufdernebenstehendenSeitesindbesondersgeläufig.


ABBILDUNG 6–4–1

Wärmedämmung in Natur und Technik

Ungedämmt

Gedämmt

51

6

DenklassischenDämmstoffenausMineralienoderna-türlichvorkommendenPolymeren(etwaKeratininWolleoderZelluloseimHolz)stehendiesynthetischhergestell-tenDämmstoffeausorganischenPolymerengegenüber.

PolystyrolwirddurchkatalysatorvermitteltePolymerisa-tionvonmonomeremStyrolsynthetisiert.Polystyrol-Hart-schaumhatsichalshochleistungsfähigesDämmmaterialfüralleArtenvonVerpackungenindustrielletabliert.SeineEinsatzbreitereichtvonderGebäudedämmungbishinzurLebensmittelverpackung.AlsPartikelschaum,alsomitkörnigerStruktur,kenntmanihnbeispielsweiseunterdemMarkennamenStyropor.ImHerstellungspro-zesswirddasPolystyrolgranulatauf90°Cerhitzt.DadurchverklebendiePartikelmiteinanderundeskommtdurchdieAusdehnungdesTreibmittels(Pentan)zurAufschäu-mung.Polystyrol-Hartschaumbesitztmit0,03W/(m2·K)einesehrniedrigeWärmeleitfähigkeit.

PolyurethanschaumistalsKerninsandwichartigaufge-bautenDämmplattenzwischenzweiDeckschichtenausDachpappeoderAluminiumfoliebesondersfürdieIsolie-rungvonWänden,Dächern,FußbödenoderDeckenge-eignet.DasMaterialkannauchalsSprühschaumaufFlach-dächeroderFassadenangebrachtwerden.DurchseineextremniedrigeWärmeleitfähigkeit(0,02bis0,03W/(m2·K))liefertPolyurethaninvielleichterenunddünnerenPlattendieselbeIsolierwirkungwiewesentlichdickereElementebeispielsweiseausSteinwolleoderPoly-styrol.MöglichwirddiesdurcheinenspeziellenSchaum-stabilisator.ErsorgtfüreineoptimaleDurchmischungderbeidenAusgangsstoffe(PolyoleundPolyisocyanate)undbewirktbeimAufschäumendieEntstehungmikroskopischkleinerBläschen,ausdenensichspäterdieZellenbilden.JekleinerdieZellen,destobesserdieIsolierwirkung.AuchdiegleichmäßigeStruktur(ohneLöcherundharteoderweicheStellen),dieDruckfestigkeitunddieStrapazier-fähigkeitbeiHitzeundKältesindEigenschaften,dieent-scheidendvomStabilisatorbestimmtwerden.Erbewirktu.a.einemöglichstguteEmulgierung(Vermischung)derStoffe,ausdenenderSchaumhergestelltwird.

TABELLE 6–4–1

Gängige Dämmstoffe, ihre Rohstoffe und Herstellung

Dämmstoff Herstellung

Polyurethanschaum GleichmäßigeDurchmischungvonPolyolenundPolyisocyanatenwährendder0,02–0,03W/(m2·K) PolyadditionsreaktionzuPolyurethanunterZuhilfenahmeeinesspeziellen SchaumstabilisatorsführtzugleichmäßigenPorenstrukturen.

Polystyrol-HartschaumKatalysatorvermitteltePolymerisationvonmonomeremStyrolzuPolystyrolund0,03W/(m2·K) VerarbeitungzuGranulat,ErhitzendesGranulatsbei90°CinGegenwartdesTreib- mittelsPentanzurVerklebungdesGranulatsundAufschäumung.

Mineralwolle SchmelzenundZerfasernmineralischenGesteins(z.B.Spat,Dolomit,Basalt)(Stein-,Glaswolle) mitZusätzenzumBeispielvonKoksundBindemittelnbzw.vonAltglasmit0,035W/(m2·K) BeimischungenvonzumBeispielSand,KalksteinundSoda.

Zellulose ZerfasernvonAltpapier(LignozellulosenausHolz)0,045W/(m2·K)

Blähperlit MahlenvonvulkanischemGestein(Perlit)undErhitzenauf1.000°C,0,05–0,1W/(m2·K) ExpansiondesimGesteingebundenenWassersaufzwanzigfachesVolumen unterDampfentwicklung.


Wettbewerb zur Wärmedämmung mit verschiedenen Materialien (PHY–EX10)

SieheAnleitung.

52

Dachisolierung

Sonnenkollektoren

Solarzellen

Dämmmaterialien

Organische Leuchtdioden

Brennstoffzellen

Windkrafträder

Wärmeschutzfenster

Organische Solarzellen

Magnetische Kühlung

InnovativeWärmeisolierungbeiVerglasungen

TricksfürguteDämmung:WärmeschutzfensterÜberveralteteFenstergehteingroßerTeilderWärmeausdemHausverloren.UmdenWärmeverlustrechnerischzubeschreiben,wirddersogenannteU-Wertherange-zogen.SeineMaßeinheitdesinternationalenEinheiten-systemsistWattproQuadratmeterundKelvinW/(m2·K).BezogenaufdasFenstergibterdieWärmeenergie-MengeinJoule(=Wattsekunden)an,dieimZeitraumvoneinerSekundeübereineFlächevoneinemQuadratmeterdurchdasGlashindurchgelassenwird,wennsichdieTempera-turenaufbeidenSeitendesGlasesum1Kelvin(=1°C)unterscheiden.JekleinerderU-Wert,destobesserdieIsoliereigenschaftendesFensters.InderBautechnikwirdderU-WertaberauchzurBeschreibungandererBauteile,wieetwaWände,herangezogen.EinBeispiel:DerjährlicheWärmeverlustdurchein1m2großesFenstermitEinfach-Glasscheibe(U-Wert:5,5)erfordertungefährdenEnergieaufwandvon60LiternHeizöl.ModerneIsolierglasfensterhelfendeutlichbeimEnergiesparen(U-Wert:0,65).

SiebestehenauszweioderdreiGlasscheiben.DieZwi-schenräumesindmit„Wärmeschutzgas“(meistArgon,Krypton,seltenauchXenon)gefüllt.AllerdingsdarfderZwischenraumnichtsogroßsein,dassüberdieKon-vektiondesFüllgasesWärmeverlorengehenkann.DieeinatomigenEdelgaseArgon,KryptonundXenonbe-sitzeneinewesentlichgeringereWärmeleitfähigkeitalsLuft.BeiXenonbeispielsweiseistdiesefünfmalgeringer.DarüberhinauszeichnensiesichdurchweiterepositiveEigenschaftenfürdieAnwendungalsIsoliergasaus:SiediffundierennichtüberdasDichtungssystemderScheibeausdemZwischenraumheraus,sindchemischinertundgreifendasumgebendeMaterialnichtan.SieentfaltenkeineGiftwirkungenundsindnichtschädlichfürdieUmwelt.HinzukommtihreguteVerfügbarkeit(siefallenbeimVerfahrenderLuftverflüssigungan).ZusätzlicheWärmschutzwirkungentstehtdurchdiespezielleBehandlungderGläser.EineDotierungmitFe2+-IonendurchBeimischenvonEisenoxidzurGlas-schmelzebewirkteingutesAbsorptions-undReflexions-verhalteniminfrarotenSpektralbereich.AuchdasAuf-dampfendünnerKupfer-oderSiliciumdioxidschichtendientdiesemZweck.

C Oberstufe

ABBILDUNG 6–4–2

Schemazeichnung eines Niedrigenergiehauses

53

6

FastsoleichtwieLuft:AerogeleAerogelesindganzbesondereIsoliermaterialien.SiekönnenausMetalloxidenoderverschiedenenPolyme-renhergestelltwerden,sindhart,dabeiabersehrleichtundnahezulichtdurchlässig.DerBlickinihreFeinstrukturoffenbartdreidimensiona-leNetzwerkeausPolymerketten,zwischendenensichHohlräumevonwenigenMilliardstelMeter(Nanome-ter)Durchmesserauftun.GemessenamVolumendesverwendetenPolymersüberwiegtderAnteilderHohl-räumebeiweitem.SobestehenetwadiehäufigverwendetenSilikat-Aero-gelezuüber95ProzentausLuft.IhreHerstellungkannzumBeispielnachdemsogenanntenKistler-VerfahrendurchkatalysatorvermittelteHydrolysevonTetrametho-xysilanzuOrthokieselsäureundMethanolerfolgen:

(H3CO)4Si + 4 H2O H4SiO4 + 4 CH3OH

DabeientstehenSilikat-Tetraeder,diezueinemdreidi-mensionalenNetzwerkmitmethanolgefülltenPoren,demAlkogel,aggregieren.AnschließendwirddasMethanolbei249°Cund80,9bardemGelentzogenundimTrocknungsprozessdurchLuftersetzt.

IndenluftgefülltenHohlräumeninGrößenordnungenzwischen10und100NanometerliegtdasGeheimnisderbesonderenIsoliereigenschaftenvonAerogelen.DieBeweglichkeitderLuftmoleküleistindenkleinenPorenstarkeingeschränkt,wasdieAusbreitungvonSchallundWärmegleichermaßenstarkhemmt.AusdiesemGrundwerdenSilikat-AerogleinGranulat-formfürSpezialanwendungenalsFüllmaterialzwischenDoppelverglasungen,zumBeispielfürAnwendungeninderHochhausarchitektur,kommerziellangeboten.

ABBILDUNG 6–4–3

Struktur eines Melaminharz-Dämmstoffs und eines Silicat-Aerogels

Silicat-AerogelMelaminharz

1–2nm

20–40nm

NH2

NH2

N N

H

H

> 100 °C

- H2O

H

H

O

O

6

-

NH2N

CH2OH CH2OH

CH2OH

CH2OH

CH2OH

HOCH2

HOCH2

HOCH2CH2

CH2

OCH2

N

N N

N

N N

N

N

N N

NN

Melamin

(H3CO)4Si + 4 H2O H4SiO4 + 4 CH3OH

54

7.1MobileKommunikationundUnterhaltung

HightechfürunterwegsDasweltweiterstetragbareMobiltelefonkam1986aufdenMarkt.EswogknappachtKilogramm,hatteeineStand-by-ZeitvonachtStundenundkostetegute4.000US-Dollar.Bis1992wurdendieGeräteschonerheblichkleinerundverdientendiedeutsch-englischeBezeich-nung„Handy“.ImVergleichdazuwogimJahr2010einmodernesSmartphonealskompletteskleines„Multimedia-Center“umdie100GrammundhatteeineStand-by-Dauervonmehreren100Stunden.DiesertechnischeFortschrittistderrasantenVerkleine-rungundLeistungssteigerungderEnergiespeicher(undAnwendungneuerMaterialienundTechnologienfürweitereelektronischeBauteile)zuverdanken.

PraktischeElektrochemiefürzuhauseundunterwegsBatterienundAkkusumgebenunsnahezuüberall.WiebereitsinAbschnitt4.Bdargestellt,handeltessichbeiihnenumgalvanischeElemente.Dieinihnenablau-fendenRedoxreaktionenlassensichsystematischinderelektrochemischenSpannungsreihederElementedar-stellen.FürMetalleergibtsichdieseSpannungs-reihe,wennmandiesenachihremBestrebenanordnet,beiKontaktmiteinerwässrigenLösungdurchElektro-nenabgabepositivgeladeneIonenzubilden(Oxida-tionsbestreben).

7. M

obili

tät


ABBILDUNG 7–1–1

Mobile Kommunikation und Unterhaltung

55

7

IndenSpannungsquellenlaufenRedoxreaktionenab,derenUrsacheninderelektrochemischenSpannungs-reiheliegen.JedesMetallverdrängtinderReihejeweilsMetallehöherenPotenzialsausdenLösungenihrerSalze,d.h.eswirktgegenüberdenIonendieserMetallealsReduktionsmittel.UmgekehrtwirkenMetall-IonengegenüberallenMetallenmitgeringeremNormal-potenzialalsOxidationsmittel.

Beispiel:Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu

DieKombinationauseinemMetallundseinemkorres-pondierendenIonwirdalsRedoxpaarbezeichnet.DochnatürlichexistierenauchzahlreicheRedoxpaare,andenenkeinMetallbeteiligtist.SobildenelementaresIodundIodidebenfallseinRedoxpaar,welchesinderüblichenKurzschreibweisealsI2/2I–dargestelltwird.EinsehrwichtigesRedoxpaarwirddurchdenelementarenWasser-

stoffunddasWasserstoff-Ion(Proton)gebildet,dennesdientkonventionsgemäßalsNullpunktderSpannungs-reihe:AlleMetalle,dieeinnegativesStandardpotenzialaufweisen,verdrängendenWasserstoffausverdünntenSäurenundwirkengegenüberdenWasserstoff-Ionen(Protonen)alsReduktionsmittel.

Beispiel:Mg + 2 H3O+ Mg2+ + H2 + 2 H2O

WelcheSpannunganeinemgalvanischenElementmitzweidefiniertenRedoxpaarenvorliegt,kannmandurchDifferenzbildungausderelektrochemischenSpannungs-reihederElementeablesen(sieheArbeitsblattCH–EX5).

DieZink-Braunstein-BatterieDieelektrochemischenVorgängeineinerBatteriekannmangutamBeispielderZink-Braunstein-Batterie(un-präziseauchalsZink-Kohle-Batteriebezeichnet)erklären,diewirschonkurzinAbschnitt4.Bkennengelernthaben.ImWesentlichenbestehtdiesesgalvanischeElementauseinemZinkbecher,dermiteinereingedickten,20-pro-zentigenAmmoniumchloridlösung(NH4Cl),KohlenstoffzurVerbesserungderLeitfähigkeitundMangandioxid(„Braunstein“,MnO2)gefülltist.InderzähenMassestecktalsElektrodeeinGraphitstift.DerZinkbecherfungiertalsMinuspol,dasBraunsteinpulveralsPluspol.DieSpannungeinerfrischenZink-Braunstein-Zellebe-trägt1,5V.WennmandasGehäuseeinersolchestarkgebrauchtenZelleöffneterkenntman,dassderZinkbecherzerfressenist.OffenbarlöstsichdasZinkauf,wenndieBatterieStromliefert.(FürdiechemischenVorgängeinderBatteriesieheABBILDUNG4–2)


Volta-Element — Die Idee des Herrn Volta (CH–EX5)

Durch den Bau einer Volta‘schen Säule lernen die

Schüler wesentliche Teile einer galvanischen Zelle ken-

nen. Der säulenartige Aufbau verdeutlicht die Funktion

der Komponenten, außerdem sind Variationen wie eine

Vergrößerung des Plattenquerschnitts, der Zahl der

„Schichten“sowiederKonzentrationdesElektrolytenmög-

lich.SolcheVariationenkönnenhelfen,dieFunktionsweise

galvanischerElementezuverstehen.


Elektrolyse einer Zinkbromidlösung an Kohleelektro-den und deren Umkehrung (CH–EX6)

BeiderElektrolyseentstehenzweideutlichsichtbare

Produkte,dieSchülerkönnendas„Laden“derBatterie

beobachten.DieRückreaktionbeimEntladenistüberdie

nachlassendeFärbunginderBromid-/Brom-Halbzellebeo-

bachtbar.DerVersuchverbindetdieThemen„Elektrolyse“,

„galvanischeZelle“sowie„BatterienundAkkumulatoren“.

ABBILDUNG 7–1–2

Spannungsreihe der Metalle

Element NormalpotenzialGold Au Au3++3e– +1,45VoltSilber Ag Ag+ +e– +0,80VoltKupfer Cu Cu2+ +2e– +0,34VoltWasserstoff H2 2H+ +2e– 0VoltBlei Pb Pb2+ +2e– -0,125VoltEisen Fe Fe2+ +2e– -0,44VoltZink Zn Zn2+ +2e– -0,76VoltAluminium Al Al3+ +3e– -1,68VoltMagnesium Mg Mg2++2e– -2,40Volt

56

Der„Blei-Akku“DasbekanntesteBeispielfüreinSekundärelement,alsoeinewiederaufladbareBatterie,istderBlei-Akkumula-tor.DieseinerFunktionzugrundeliegendenRedoxpaaresindPb/Pb2+undPb2+/Pb4+,alsElektrolytkommtver-dünnteSchwefelsäurezumEinsatz(Reaktionsgleichun-genanAnodeundKathodesieheABBILDUNG4–2).Blei-AkkumulatorengestattenkurzzeitighoheEntladestrom-stärken,weshalbsiealsStarterbatterieninPkwweitver-breitetsind.Siesindpreisgünstigundrelativlanglebig,ihreelektrischeKapazitätistmit0,03KilowattstundenproKilogrammjedochrechtgering(ineinemkgAutobatterie„steckt“alsonursovielEnergiewieinca.siebengZucker).Blei-Akkumulatoren,zumBeispielAutobatterien,alternheuterelativlangsam.Trotzdemgiltes,einigeFaktoren


Modell einer Taschenlampenbatterie (CH –EX7)

Alternativ oder ergänzend zur Öffnung einer Batterie

kannanhandderABBILDUNG7–1–3eineBatterieselbst

gebaut werden. Dabei sollten keine allzu strengen

VorgabenhinsichtlichderzuverwendendenMaterialien

gemachtwerden,umverschiedeneBauweisenzureali-

sierenundderenVor-undNachteilezudiskutieren.


Blei-Akku — Wieder verwenden statt wegwerfen (CH–EX8)

Die Bedeutung von Blei-Akkumulatoren vor allem

als Starterbatterie für Autos macht diese Art der

Akkumulatoren so wichtig. Experimentell lernen die

SchülerdenprinzipiellenAufbaudesBlei-Akkumulators

kennen und erarbeiten die ablaufenden Reaktionen.

In diesem Zusammenhang können besondere Aspekte

beimBetriebdesAkkus (z.B.ÄnderungderDichtedes

Elektrolyten,BedeutungderSchwerlöslichkeitvonBlei(II)

sulfat)besprochenundeinigeseinerEigenschaften(z.B.

Abhängigkeit der Leistung von derTemperatur) experi-

mentellnachgestelltunderläutertwerden.

Wie ist eine Taschenlampenbatterie aufgebaut? (CH –EX7)

Mit einigen Sicherheitsvorkehrungen ist es möglich

eineBatteriezuöffnen,umihrenAufbauzustudieren.Je

nachKenntnisstandderSchülersinddiese inderLage,

dieFunktiondereinzelnenTeileherzuleiten.Dazuistes

unterUmständeninstruktiv,eineneueundeineentlade-

neBatteriezuöffnenundzuvergleichen.

ABBILDUNG 7–1–3

Aufbau einer „Zink-Kohle-Batterie”

+

-

Abdichtung

Graphit (Kathode)

Mangandioxid (MnO2) und Kohlenstoff (C)

Ammoniumchlorid-Paste (NH4CI)

Poröses Papier

Zink (Zn)-Behälter (Anode)

Leitfähiges Gehäuse

57

7

zubeachten,umdieLebensdauernichtzuverkürzen.Soistesnichtempfehlenswert,teilgeladeneAutobatterienlängereZeitunbenutztzulassen.DannbildensichgroßeBleisulfatkristalle(mansprichtauchvon„groberSulfatie-rung“),diebeimWiederaufladennichtmehrinBleiundBleidioxidumgewandeltwerdenkönnen.DiemöglichenFolgen:einstarkerKapazitätsverlustbishinzurtotalenUnbrauchbarkeit.ZudemsollteeineAutobatterieimmermitderoptimalenLadespannungversorgtwerden,diefüreineBatteriemitnominell12Voltzwischen13,8und14,4Voltliegt.BeieinerhöherenSpannungkommteszurElektrolysedesinderBatteriesäureenthaltenenWassers(sogenann-tes„Gasen“).DieFolgeisteinSinkendesFlüssigkeits-spiegelsundschließlicheinteilweisesTrockenfallenvonElektroden.DieseElektrodenbereichewerdenirreversibelgeschädigtunddieKapazitätderBatterienimmtab.BeieinerzuniedrigenLadespannunghingegenwirddieBatterienierichtigvollgeladen,sodasseinegeringereKapazitätzurVerfügungstehtunddieBatterieschnelleraltert.FüreinemöglichstpräziseRegulierungderLade-spannungsorgenheutzutageelektronischeLaderegler.

BesondersbeliebtsindsogenanntewartungsfreieAuto-batterien,derenZellennichtmehrohneweitereszugäng-lichsind.BeiälterenTypenkonntemandenLadezustanddurchDichtemessung(„Spindeln“)derBatteriesäureer-mitteln:DaSchwefelsäureeinehöhereDichtealsWasserhatundbeimLadevorgangSulfationenundProtonenausderBatteriesäureentferntwerden,hatdiesebeieinergeladenenBatterieeineniedrigereDichtealsbeieinerungeladenen.


Recycling von Akkuschrott (CH–EX9)

Bleiistgiftigundumweltgefährlich,sodassnaheliegt,

dass Akkuschrott fachgerecht entsorgt werden muss.

„Entsorgen“ heißt in diesem Falle, das Blei aus dem

Schrottabzutrennen.JenachKenntnisstandderSchüler

kann man sie hier eigene Ideen sammeln und diese

dann vor allem vor dem Hintergrund der relativen

UnlöslichkeitvonBlei(II)sulfatdiskutierenlassen.

ABBILDUNG 7–1–4

Verschiedene Batterien und Akkus

58

Hightech,nichtnurimHandy:LeistungswunderLithium-Ionen-AkkuVielemobileEndgerätewiebeispielsweiseMobiltelefoneoderNetbookswerdenheutevonLithium-Ionen-Akku-mulatorenmithoherLeistungsdichtegespeist,dieeineBetriebsdauervonmehrals16Stundengewährleisten.DieLeistungsdichteeinesEnergieträgersgibtan,wievielLeistung(gemesseninWatt)manproGewichtoderVolumenderZelleentnehmenkann.DieproVolumenoderGewichtgespeicherteEnergieEwirdalsEnergiedichtebezeichnetundwirdentsprechendinJ·m–3bzw.J·kg–1oderdavonabgeleitetenEinheitenangegeben.EinweitererVorteilderLithium-Ionen-Akkusist,dasssieandersalsandereAkkumulatoren,keinenMemory-Effektaufweisen.DieserEffektwurdebeiNiCd-Akkumulatorenbereitsinden1960erJahrenvonderamerikanischenRaumfahrtbehördeNASAanSatellitenbeobachtet:EinGerätstelltmitderZeitstattderursprünglichennurnochdiebeidenbisherigenEntladevorgängenbenötigteEnergiemengezurVerfügung—verliertalsoannutzbarerKapazität.DiesesPhänomenlässtsichu.a.aufdasWachs-tumvonCadmiumkristalleninderZellezurückführen:Jegrößerdiesesind,destogeringerwirddasOberflächen-Volumen-VerhältnisunddestoschlechterlässtsichderAkkuentladen.

WiesiehtdasInnenlebeneinesLithium-Ionen-Akkusaus?DasMaterialdernegativenElektrodebestehtausGraphit,währenddiepositiveElektrodemeistLithium-MetalloxidewieLiCoO2(Lithiumcobaltdioxid),LiNiO2(Lithiumnickeloxid)oderLiMn2O4(Lithiummanganoxid)enthält.DerElektrolytistpraktischwasserfreiundbestehtausLithiumsalzen(z.B.LiPF6),dieinaprotischenpolarenLösemittelnwieEthylencarbonat,Propylencarbonat,Dimethylcarbonat,Diethylcarbonatoder1,2-Dimethoxyethangelöstsind.DieseFlüssigkeitenlösendurchihrepolarenEigenschaftenIonenverbindungensehrgut,spaltenaber—andersalsWasser—keineProtonenab(aprotisch).BeideElektrodensinddurcheineporöseMembran(Separator)getrennt,welchedieDiffusionvonLithium-Ionenermöglicht.Lithium-Ionen-AkkussolltemanaufkeinenFallöffnen,dadieReaktionmitWasserausderLuftsehrheftigerfolgenkann.


Leistungswunder Lithium-Ionen-Batterie (CH–EX10)

Chemisch interessant ist hier der Einfluss der chemischen

Umgebung eines Teilchens. Alternativ kann man experi-

mentell die Abhängigkeit des Potenzials eines [MLn]z+/M–

Redoxpaares von der Art der Liganden L untersuchen.

Siehe auch ANIMATION 7–1–1 auf der CD-ROM.

ABBILDUNG 7–1–5

Aufbau eines Lithium-Ionen-Akkus

EntladevorgangLadevorgang

+ -

Li+

Li+Li+

Li+

CuAI

+ -

Li+

Li+Li+

Li+

CuAI

Separator

Kohlenstoff (Graphit)

Metall (Cobalt)

Lithium

Sauerstoff

nicht-wässrige Elektrolytlösung

Ladevorgang

Entladung

C Oberstufe

59

7

ModerneElektronik—vieleBauteilehelfenEnergiesparenHochleistungbeielektronischenGerätenist„Team-sache“,beidernichtnurderAkkuentscheidet,sondernauchdergeringeStromverbrauchandererKomponen-ten,wiezumBeispielTouchdisplays.HierwerdenanultradünnenHalbleiterschichtenausIndiumzinnoxidminimaleStrömebenötigt,umdenDruckeinesFingersoderPlastikstiftsaufdemDisplayzumessen.

LithiumkannsichzwischendeneinzelnenSchichtendesElektrodenmaterialsGraphiteinlagern,ohnedassdessenStrukturdabeiwesentlichverändertwird.DieserProzesswirdauchalsInterkalationbezeichnet(vonlat.intercalare,einschieben).FürdieFunktionderBatterieistesunerlässlich,dasssichaufdernegativenElektrodeeineDeckschichtausbildet.DieseistfürdiekleinenLithium-Kationendurch-lässig,nichtjedochfürdiegrößerenLösungsmittelmoleküle.IstdieseDeckschichtnichtausreichendoderbeschädigt,könnenLi+-IonenzusammenmitLösungsmittelmoleküleninterkalieren,wodurchdieGraphitelektrodezerstörtwird.DieQuellspannungwirdnunausschließlichdurchVerschie-bungvonLithium-IonengemäßderfolgendenGleichun-genaufgebaut(dainInterkalationsverbindungen*dasstöchiometrischeVerhältniszwischendenReaktandennichtganzzahligseinmuss,weichendieseGleichungenvonderunsbekanntenFormab(0<n<1)).

NegativeElektrode(Entladung):

Lix+Cn Cn+xLi++xe–

PositiveElektrode(Entladung):

xLi++xe–+Li1-xCoO2 LiCoO2

Redoxgleichung(Entladung):

Li1-xCoO2+LixCn LiCoO2+Cn

FrüherbestandbeiLithium-Ionen-AkkusdieSeparator-membranausKunststoffen.BeiunsachgemäßerHand-habung,beispielsweisedurchÜberladung,bedeutetediesoftBrandgefahr.Umdiesezubeseitigen,hateindeutschesUnternehmendiePolymermembranmiteinerSchichtausKeramik-Nanomaterialienversehen,dieaufdieMembranaufgesintertwerden.DiekeramischeZusammensetzungderMembranmachtsiehitzebeständigbiszu700°C.


Nickel-Metallhydrid-Akku (CH–EX11)

ChemischistamNickel-Metallhydrid-Akkuvorallemdas

AuftretendesHydridsinteressant,wodurchderBlickder

Schüler, die Wasserstoff ansonsten hauptsächlich ele-

mentaroderinFormdesProtonswahrnehmen,deutlich

ausgeweitetwerdenkann.

ABBILDUNG 7–1–6

B-Netz Funktelefon und modernes Mobiltelefon

Smart Phone (2010)Funktelefon (1990er Jahre)

60

7.2EnergiesparendurchLeichtbau

Leichter=sparsamerObbeiAutosoderFlugzeugen:SeitdemBeginnihrerMassenproduktionhabensichdieverwendetenMaterialienstarkverändert.ImmerweitergingderTrendhinzuleichteren,abermindestensebensostabilenundsicherenWerkstoffen.BestandenfrüherKarosseriennochausStahlundspäterausAluminium,sofindensichheuteinvielenFällenVerbundwerkstoffemitHochleistungseigenschaften.LeichtereFahrzeugebenötigengeringereMotorleistun-gen.Dasbedeutet:geringererBenzinverbrauchundwenigerUmweltbelastungen.

NeueWerkstoffeschützennichtnurdasKlimaNachStudiendesIFEU(InstitutfürEnergie-undUm-weltforschungHeidelberg)bewirkteineGewichtser-sparnisvon100KilogrammimPkwdurchLeichtbaumate-rialieneinedurchschnittlicheEinsparungvon0,35L

Benzinpro100km.DementsprechendverringertsichdieKohlenstoffdioxidemissionumetwa10gprokm(wobeihierdiegesamteTreibstofflieferketteberücksichtigtist).EindurchschnittlicherPkwverbrauchtbei200.000Kilo-meternLebensdauerdurchLeichtbau700LiterwenigerTreibstoff.FahrzeugewieBusseoderTaxen,dieimDurch-schnittgrößereStreckenfahrenalseinPkw,könneninihrem„Produktleben“sogarmehrals2.500Litereinsparen.ImSinnedesKlimaschutzeswirdbesondersdaraufge-achtet,dassdieVerringerungdesCO2-AusstoßesbeiderNutzungeinesMaterialsweitgrößeristalsdieCO2-EmissionenbeidessenHerstellung.MansprichtdannvoneinerpositivenCO2-Bilanz.

VerbundwerkstoffeTreibstoffersparnisdankneuerMaterialien–dabeidürfendieWerkstoffezwarleichterwerden,sollenabereben-

A Basis

B Mittelstufe

ABBILDUNG 7–2–1

Drei Generationen: Materialien in Automobilbau & Luftfahrt


Modellrechnung zur Kraftstoffeinsparung (PHY–AB5)

HiergehtesumErsparnisseimSpritverbrauchbeiPkw,

wennnichtderWagen,sonderndieInsassenleichter

werden.

61

7

sobelastbarbleibenodersogarnochmehraushaltenalsvorher.OftwünschtmansichaucheinehöhereTem-peratur-oderChemikalienbeständigkeit.DiesenSchrittermöglichendiesogenanntenVerbundwerkstoffeoderauch„Komposite“.WiederNameschonsagt,liegeninihnenzweiodermehrMaterialienimstrukturellenVer-bundmiteinandervor.DieEigenschaftenderverschiedenenMaterialienbleibendabeierhaltenundergänzensichimneuenWerkstoff.DessenCharakteristikawerdendurchdiestofflichenEi-genschaftenunddieGeometriederKomponentenunddieihrerGrenzflächenzueinanderbestimmt.EnthältalsoeinKompositbeispielsweiseFasern,dannsinddieBeschaffenheitderFasernundihreAusrichtungzuein-anderbestimmendfürdieEigenschaftendesVerbund-werkstoffs.

ManunterscheidetvierArtenvonKompositen:• Teilchenverbundwerkstoffe(z.B.RußinAutoreifen)• Faserverbundwerkstoffe(z.B.Stahlbeton)• SchichtverbundwerkstoffeoderauchLaminate

(z.B.Bimetallstreifen)• Durchdringungswerkstoffe(z.B.Keramikschaummit

infiltrierterMetallschmelze)

Verbundwerkstoffesinddie„Stars“unterdenindustriel-lenAnwendungenimLeichtbau.Nachdemobenbeschrie-benenPrinziplassensichbeispielsweiseKunststoffemitKohlefasern(sog.CFK=Carbon-Faser-Komposite),Kohlen-

stoff-NanoröhrenoderGlasfasern(sog.GFK=Glas-Faser-Komposite)mischen:WeiterhinkönnenPolymeremitmetallischenHohlkügelchenzuneuenMaterialienver-mischtwerden.

DieseVerbundwerkstoffebewirken:• Gewichtseinsparungenzwischen50und75Prozent• HöhereDruck-undZugfestigkeitbeiAufprallund

Verformung• HöhereStabilitätbeiminimalerBiegung• Möglichkeiten,zumBeispielfaserförmigeFunktions-

elemente,etwawinzigeAufprallsensoren,fürPkwindasBauteilzuintegrieren.UnsichtbareBeschädigun-genkönnensoleichtererkanntwerden.

NeueMaterialiensparenEnergieinderProduktionWeilinderFahrzeug-,Luftfahrt-undRaumfahrtindustriezunehmendPolymerwerkstoffeuntereinanderodermitMetallenverbundenwerdenmüssen,trittdasSchweißenimmermehrindenHintergrundundwirddurchKlebe-prozesseabgelöst.PunktgenauesHeißklebenstattSchweißensenktdabeidenEnergieaufwandunduner-wünschteWärmeeinwirkungaufdieBauteile.Weiterhinarbeitetmandaran,durchneueultradünneBeschichtungenausKeramikoderdiamantähnlichemKohlenstoff(engl.DLC=“diamond-likecarbon“)dieReibungswärmeverlusteanGetriebeteilenvonMaschi-nenundMotorenzuverringern.DiesträgtzuwenigerEnergieverlustimProduktionsprozessbei.

ABBILDUNG 7–2–2

Metallschäume und Sandwichstrukturen

62

ClevereIdeen,neueMaterialienVerbundwerkstoffeInVerbundwerkstoffenwiedenKunststoffenmitKohle-fasern(CFKs)sindparalleleSträngevonstabilenFasernineinePolymermatrixeingebundenundgebeneinemWerkstücksodiegewünschtenEigenschaften.DochwiekommendieseFasernindergewünschtenAnordnungdorthinein?DieslässtsichanhandderHerstellungtech-nischerTextilienverdeutlichen.MankanneineKunst-stoff-undeineKohlefasermiteinanderzueinemGarnverdrillenundausdemGarneinflächigesGewebeer-zeugen.DiesesTextilwirdstarkerhitzt,bisderKunst-stoffschmilztundgleichmäßigzerläuft.NachdemAus-härtenentstehteinedünneKunststoffplatte,inderdieKohlefasernnochingenauderselbenRichtungverlaufenwieimTextil.SandwichstrukturenImAutomobilbauwirdunteranderemfürdieProduktionvonKofferraumböden,ReserveradabdeckungenoderSchiebedachkassetteneinebesondereMethodever-wendet.LeichtePapierwabenkernewerdenzwischenGlasfasergewebemattenvonwenigenzehntelMillimeterDickegelegt.DannbesprühtmandieGlasfasermattenaufbeidenSeitenmiteinerleichtaufschäumendenPoly-urethan-ReaktionsmischungundverpresstdieTeileineinerheißenFormmiteinander.NachdemAushärtendesPolymerssindalleTeilefestmiteinanderverbunden.SoerzeugteSandwichbauteilesindhochstabilundweisenFlächengewichtevonlediglichdreiKilogrammproQua-dratmeterauf.

MetallschäumeMetallwerkstücke,dievonBlasenundPorendurchzogensind,stelleninteressanteMaterialienfürdenLeichtbaudar.InsbesondereleichteMetallschäumeaufBasisvonAluminiumundZinkbeziehungsweiseausderenLegie-rungenerscheinenwegenihrerEigenschaftskombinatio-neninteressant.SiebesteheninderRegelzu85ProzentausLuftundnurzu15ProzentausMetall.DieseGewichts-ersparnisistgleichzeitiggepaartmitdentypischenEigen-schafteneinesmetallischenWerkstoffs,etwahöherenFestigkeitenundSteifigkeitenalsbeiKunststoffschäumen.FürdieFahrzeugindustrieistinsbesonderedieTatsacheinteressant,dassMetallschäumebeieinemCrashsehrhoheMengenanAufprallenergieaufnehmenkönnenundguteWärme-undSchalldämmungseigenschaftenbesitzen.

MetallschäumekönnenaufzweiWegenhergestelltwerden.EinerdavonistdieschmelzmetallurgischeProduktion:DiesebeginntinderRegeldurchdasAuf-schäumeneinerMetallschmelze,entwederdurchEin-leitenvonGasenoderdurchdieZugabeeinesTreibmittels(beispielsweiseTitanhydrid),dasineinerthermischenReaktionGasabspaltet.AufdiesemWegkönnensowohloffenzellige(miteinanderverbundene)Porenalsauchgeschlossenzellige(insichabgeschlossene)Porenhergestelltwerden.BeidemVerfahrenderpulvermetallurgischenProduktionvermischtderHerstellerhandelsüblicheMetallpulvermitgeringenMengeneinesebenfallspulverförmigenTreibmittels.DiePulvermischungwirddannzueinemfesten,wenigporösenVormaterialverdichtet,dasindiegewünschteForm—zumBeispielzuBlechenoderProfi-len—weiterverarbeitetwerdenkann.NahederSchmelz-temperaturdesGrundmaterialsnimmtdasMetalleinenzähenoderflüssigenZustandanunddurchGasbildungentstehendiegewünschtenPoren.

C Oberstufe

63

7

7.3TreibstoffeausBiomasse

UmdenkenistnötigNebenErdölistesheutevorallemErdgas,ausdemKraft-stoffefürAutosundFlugzeugehergestelltwerden.DieseRohstoffelagernunterderErde.SiesindausdenÜber-restenvonPflanzenundKleinstlebewesenentstanden,dievorvielenhundertMillionenJahrengelebthaben.DieserVorratistjedochbegrenzt.DeshalbmussdieMenschheitbereitsheuteumdenken,umneueQuellenfürdieTreibstoffevonmorgenzuerschließen.VieleLänderderWelthabendamitbereitsbegonnen.SiestellenBioethanol,BiogasundBiodieselausBiomasseher.AlsQuellenkommenunteranderemMais,Raps,Weizen,Zuckerrohr,Palmöl,Olivenöl,Holz,StrohoderKompostin-frage.TreibstoffeausBiomassekönneneinekreislauffähi-geAlternativezuTreibstoffenausfossilenRohstoffquellendarstellen.DerGrund:BeiihrerVerbrennungwirdnursovielKohlenstoffdioxidfreigesetzt,wiediePflanzenausderAtmosphäreaufgenommenhaben.WoderAnbauvonTreib-stoffpflanzensinnvollist,mussimEinzelfallunterBerück-sichtigungvonökologischenundökonomischenFakto-renentschiedenwerden.Diesbetrifftbeispielsweisedieviel-zitierte„TankoderTeller“-Diskussion.DieAusweitungvonAnbauflächenfürdieTreibstoffproduktionausBiomassedarfnichtaufKostendesNahrungspflanzenanbausgehen.ÖkologischeFragestellungenbetreffenetwadieAuswei-tungvonMonokulturenunddenVerlustderArtenvielfalt.

WerdenBiokraftstoffedieErdölprodukteablösen?Bisheuteistesnichtmöglich,StromoderWasserstofffürdenAntriebvonAutos,SchiffenoderFlugzeugenkostengünstiggenugzuspeichern.DahersindwirbisaufweiteresaufandereKraftstoffeangewiesen.

BiokraftstoffedererstenGenerationGroßeHoffnungensetztmandarauf,solcheTreibstoffeausdenInhalts-undGerüststoffenvonPflanzenzuge-winnen.BereitsseiteinigenJahrensinddiesogenanntenBiokraftstoffedererstenGeneration(BiodieselundBio-ethanol)aufdemMarkt,beidenennureinTeilderPflanzegenutztwird.BiodieselwirdinDeutschlandüberwiegendalsRapsölmethylestergetankt,derdurchUmsetzungvonRapsölmitfossilemMethanolhergestelltwird.BioethanoleignetsichfürdenEinsatzinOttomotoren.EswirdüberwiegendausZuckerrohrundMaisproduziert.

BiokraftstoffederzweitenGenerationInsbesondereinärmerenLändernmitgravierendenPro-blemeninderNahrungsmittelversorgungisteswichtig,dassAgrarflächenfürErnährungspflanzennichtaufKostender„TreibstoffproduktionvomAcker“verringertwerden.AuchdarfdieAgrarnutzungnichtweiterzurVernichtungdertropischenWälderführen.AusdiesemGrundwirdintensivdarangeforscht,diegesamtepflanzlicheBiomasseinflüssigeTreibstoffe

A Basis

ABBILDUNG 7–3–1

Treibstoffherstellung aus nachwachsenden Rohstoffen

B Mittelstufe

64

dersogenanntenzweitenGenerationumzuwandeln.AllerdingsgibtesnochkeinegroßtechnischenProduktions-anlagen,weilsichdiestofflicheZusammensetzungdesAusgangsmaterialsjenachPflanzenart,Bodenbeschaf-fenheitundKlimastarkunterscheidenkann.BeiderGewinnungvonBiokraftstoffenderzweitenGeneration,etwaausHolzoderStroh,sollenauchdieFaserstoffe(Lignozellulose)aufgeschlossenundverar-beitetwerden.MöglichwirddiesdurchdieBehandlungmitZelluloseabbauendenEnzymen(Zellulasen).FürfeuchteBiomassewieErnterückstände,TraubentresteroderKlärschlammkommt—alternativzurHerstellungvonBiogas(MethanundKohlenstoffdioxid)—möglicher-weisederAufschlussmitüberkritischemWasserinBe-tracht.BeieinemDruckvonmindestens221barundeinerTemperaturvonmindestens374°CwirdWasserzueineraggressivenSubstanz,dieauchsehrgroßePolymereinkurzeMoleküleaufspaltet.

FürdieTreibstoffherstellungaustrockenenPflanzenrestenstehtinKarlsruhebereitseineVersuchsanlagefüreinenProzessausSchnellpyrolyse,Synthesegasproduktion(VergasungzueinemGemischausKohlenstoffdioxidundWasserstoff)undSynthesedesflüssigenKraftstoffs.DerenglischeFachbegrifffürdiesesVerfahrenlautet“BiomasstoLiquid“,abgekürztBtL.

“BiomasstoLiquid“:FlüssigkraftstoffausfesterBiomasseFürdietechnischunproblematischeProduktionflüssigenTreibstoffswurdeamForschungszentrumKarlsruhedas„bioliq®“-Verfahrenentwickelt.NachdemMotto„SpritausStroh“solleineProduktions-anlageineinemvierstufigenProzessaustrockenerBio-massehochwertigeFlüssigtreibstoffeimindustriellenMaßstabherstellen.AbernichtnurStrohkannalsAus-gangsmaterialdienen.AuchBaumschnitt,Heu,Restholz,RindeoderPapierkommeninfrage.Diesewerdenbei500°CdurchdiesogenannteSchnellpyrolyseineintransportfähigesflüssigesZwischenprodukt(„Bioslurry“)—eineArtbiologischesRohölmithoherEnergiedichte—umgewandelt.Bei1.200°CentstehenausdiesemdannKohlenwasserstoffemitBenzin-undDieseleigenschaften.Dasbioliq®-VerfahrenbietetzahlreicheVorteile:Soist

dieQualitätdesKraftstoffesweithöheralsdievonher-kömmlichenBiotreibstoffenundsogaralsdievonMineral-ölprodukten.Rund50ProzentderinderBiomasseent-haltenenEnergieverbleibenimProdukt,demTreibstoff.AlsNebenproduktewerdenWärmeundStromerzeugt,diewiederindenHerstellungsprozesseingespeistwerdenunddessenEnergiebedarfvollständigdecken.ZudembenötigtdieHerstellungderBiomassealsAusgangsmate-rialkeinezusätzlichenlandwirtschaftlichenFlächen.

C Oberstufe

65

8

WeiterimWebDiefolgendenLinksfindenSie

auchaufderCD-ROM.

FondsderChemischenIndustrieimVerbandderChemischenIndustriee.V.

www.fonds.vci.de

VerbandderChemischenIndustriewww.vci.de

DECHEMAGesellschaftfürChemischeTechnikundBiotechnologiee.V.

www.dechema.de

GesellschaftDeutscherChemikere.V.www.gdch.de

NeueEntwicklungeninderBeleuchtungstechnikwww.naturwissenschaften-entdecken.de/dyn/bin/844243-844265-1-gdch_beleuchtungstechnik.pdf

„KonzeptfüreinintegriertesEnergieforschungspro-grammfürDeutschland“derLeopoldina,zumDownloadunter:www.leopoldina-halle.de/cms/fileadmin/user_upload/leopoldina_downloads/Energieforschungskonzept.pdf

InternationalesJahrderChemie2011www.ijc2011.de

JahrderEnergie2010www.zukunft-der-energie.de

PlanetSchulewww.planet-schule.de

AralForschung:DieBrennstoffzellewww.aral.de/aral/genericarticle.do?categoryId=9011599&contentId=56436

„ErneuerbareEnergie2020“derAgenturfürErneuerbareEnergienwww.unendlich-viel-energie.de/de/wirtschaft/potenziale.html

„EnergieundChemie–EinBündnisfürdieZukunft“derDeutschenBunsen-Gesellschaft(speziellauchfürSchülergeeignet),zubestellenüberwww.bunsen.de/Wir+%C3%BCber+uns/Publi-kationen/Energie+und+Chemie.html

DesertecFoundation(Solarthermie-Kraftwerke)www.desertec.org/de/

LiteraturChemieimKontextHrsg.:Prof.Dr.ReinhardDemuth,Prof.Dr.IlkaParchmann,Prof.Dr.BerndRalle2006,Cornelsen-Verlag,Berlin

DienachfolgendenPublikationenwurdenerstelltundgetragendurchdenKoordinierungskreisChemischeEnergieforschungderfolgendenChemieorganisationen:DBG–DeutscheBunsen-GesellschaftfürPhysikalischeChemiee.V.,DECHEMA–GesellschaftfürChemischeTechnikundBiotechnologiee.V.,DGMK–DeutscheWissenschaftlicheGesellschaftfürErdöl,ErdgasundKohlee.V.,GDCh–GesellschaftDeutscherChemikere.V.,VCI–VerbandderChemischenIndustriee.V.,VDI-GVC–GesellschaftVerfahrenstechnikundChemieingenieurwesen

Positionspapier:EnergieversorgungderZukunft—derBeitragderChemie—EinequantitativePotenzialanalyseOktober2009www.energie-und-chemie.de/pdf/psp_energie09.pdf

Positionspapier:EnergieversorgungderZukunft–derBeitragderChemie–März2007www.vci.de/template_downloads/tmp_VCIInternet/120330Positionspapier.pdf?DokNr=120330&p=101

InnovativeBeiträgederChemiefürdieEnergieversorgungderZukunftundzurReduzierungdesEnergieverbrauchsSeptember2006www.gdch.de/oearbeit/chemenerg.pdf

8. W

ebsit

es u

nd Li

tera

tur

66

AbsoluteTemperaturBeiderAngabederabsolutenTemperaturinKelvin(K)gehtmanvomabsolutenNullpunkt(-273,15°C,ent-spricht0K)aus.DerabsoluteNullpunktkanngemäßdem3.HauptsatzderThermodynamikprinzipiellnichterreichtwerden.

AnthocyaneBeiAnthocyanenhandeltessichumeineweitverbrei-teteGruppevonPflanzenfarbstoffen,welchevonderGrundstrukturdesFlavansabgeleitetsindundjenachSubstituenteineoftintensiveFarbevonrotüberblaubiszufastschwarzaufweisen.

BlockheizkraftwerkEinBlockheizkraftwerk(BHKW)isteineAnlagezurgleichzeitigenGewinnungvonelektrischerEnergieundWärmeenergie.BHKWleistentypischerweisezwischen5Kilowattund5Megawattaufundermög-licheneinebesonderseffizienteNutzungvonBrenn-stoffen.

Carnot‘scherKreisprozessAlsKreisprozessewerdenperiodischablaufendetechnischeProzessebezeichnet,indenendurchdieZustandsänderung(beispielsweiseDruckoderTem-peratur)einesArbeitsmediumsWärmeenergieinmechanischeEnergieumgewandeltwirdoderumge-kehrt.DervondemfranzösischenPhysikerSadiCarnot(1796—1832)beschriebeneProzessstelltdabeieinenidealisiertenPrototypdar,ausdemsichdermaximaletheoretischmöglicheWirkungsgrad(Carnot-Wirkungs-grad)einesProzessesermittelnlässt.

FullereneAlsFullerenewerdenkugel-oderröhrenförmige,aus-schließlichausKohlenstoffbestehendeMolekülebezeichnet.DasbekanntestedieserMolekülemitderSummenformelC60wurde1985erstmalssynthetisiert.DaseineFormstarkandiegeodätischenKuppelndesamerikanischenIngenieursBuckminsterFullererinnert,erhieltesdenNamenBuckminsterfulleren,wovondannderGattungsbegriffFullerenabgeleitetwurde.

GalvanischesElementEinGalvanischesElement(auchGalvanischeZellege-nannt)bestehtauszweiRedoxpaaren,derenRedox-Teil-reaktioneninzweisogenanntenHalbzellenräumlichvoneinandergetrenntablaufen.Dadurchkannimäuße-renStromkreis,derdiebeidenHalbzellenmiteinanderverbindet,einStromflussauftreten.BenanntistesnachdemitalienischenNaturforscherLuigiGalvani(1737—1798),einemderPionierederErforschungderElektrizität.

HalbleiterBeiHalbleiternhandeltessichumElementeoderVerbin-dungen,diebezüglichihrerelektrischenLeitfähigkeitzwischendenLeiternunddenNichtleiternliegen.Halb-leitermaterialiensindvonzentralerBedeutungfürAnwen-dungeninElektronik,OptoelektronikundPhotovoltaik.

InterkalationsverbindungBeidiesemVerbindungstypsindMoleküle,IonenoderAtomeinandereMoleküleeingelagert(interkaliert).DieStrukturderaufnehmendenMolekülewirddabeinurwenigbeeinflusst.

KritischeTemperaturBetrachtetmandieZustandsänderungeneinesStoffes,solassensichdiedreiAggregatzustände—fest,flüssigundgasförmig—,inAbhängigkeitvonDruckundTem-peratur,ineinsogenanntesZustandsdiagrammeintra-gen.OberhalbdeskritischenPunktes,derfürjedenStoffcharakteristischunddurchdiekritischeTempe-raturunddenkritischenDruckgegebenist,existiertkeineUnterscheidungmehrzwischenderFlüssigkeits-undderGasphase.

LCDEinLCD(liquidcrystaldisplay)isteineFlüssigkristall-anzeige.FlüssigkristallevereinigenEigenschaftenvonFlüssigkeitenmitrichtungsabhängigenoptischenEigenschaften(ähnlichdenenvonKristallen).DieseoptischenEigenschaftenkönnendurchAnlegeneinerelektrischenSpannungbeeinflusstwerden.

9. G

loss

ar

67

9

NanopartikelAlsNanopartikelwerdenPartikelmitäußerenDurch-messernunterhalbvon100Nanometernbezeichnet.UnteranderemdurchihreimVerhältniszumVolumensehrgroßeOberflächeweisensieoftbesondereEigen-schaftenauf.

NanostrukturierteMaterialienNanostrukturierteMaterialienhabeneinenanoskaligeinnereStrukturodereinenanoskaligeOberflächen-struktur.AlsnanoskaligwirdderderLängenbereich1–100nmverstanden.Chemischgesehen,kannessichbeiNanomaterialienbeispielsweiseumreineoderge-mischteOxide,Salze,MetalleundorganischeStoffehandeln.

ParaffinDabeihandeltessichumeinGemischverschiedenerlangkettigerAlkane,derenHauptbestandteilezwischen18und32Kohlenstoffatomeenthalten.

PermafrostbodenAlsPermafrostbödenwerdensolcheBödenbezeichnet,dieabeinerbestimmtenTiefedasganzeJahrübergefrorensind.Siefindensicharktischenundantark-tischenRegionen,aberauchimHochgebirge.

PerpetuummobileEinPerpetuummobileisteinenichtrealisierbareVor-richtung,dieentwedermehrEnergieabgebensollalsihrzugeführtwird–diesistaberaufgrunddesPrinzipsderEnergieerhaltung(ersterHauptsatz)nichtmöglich–oderaberdieohneweitereEnergiezufuhrderUmge-bungWärmeentziehenundinnutzbareEnergieum-wandelnsoll.LetztereskämeeinerVerringerungderGesamtentropiedesWeltallsunddamiteinemVerstoßgegendenzweitenHauptsatzgleich.

PlasmaManchmalals„vierterAggregatzustand“bezeichnet,verstehtmanuntereinemPlasmaeinGas,dasganzodervollständiginLadungsträgergetrenntist.InderNaturtrittesbeispielsweiseinBlitzenaufundFix-sternewiedieSonnebestehenvollständigausPlasma.

PyrolyseBeiderPyrolysewerdendieMoleküleorganischerVerbindungenbeihohenTemperaturen(500—900°C)unterLuftabschlussinkleinereMolekülezerlegt.

QuantenpunktAlsQuantenpunktewirdeineKlassevonNanopartikelnbezeichnet,diemeistaushalbleitendenMaterialienbestehenundausverhältnismäßigwenigen(einigen1.000)Atomenaufgebautsind.

ThermodynamikAlsThermodynamik(auchWärmelehre)wirddieWissenschaftvondenEnergieumwandlungen,ins-besonderevonthermischerundmechanischerEnergie,bezeichnet.IhregrundlegendenGesetzmäßigkeitenwerdenindenvierHauptsätzenderThermodynamikbeschrieben.

Die im Glossar erklärten Begriffe sind im Textheft * markiert.

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Notiz

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PlatzfürIhreNotizen:

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HerausgeberFondsderChemischenIndustrieimVerbandderChemischenIndustriee.V.(FCI),MainzerLandstraße55,60329FrankfurtamMainwww.fonds.vci.de

Erstauflage:Juli201126.000ExemplareAlleRechtevorbehalten

DasvorliegendeTextheftzurInformationsserie„Chemie—SchlüsselzurEnergievonmorgen“istzusammenmiteinerinteraktivenCD-ROMerschienen.AufdieserCD-ROMsindalleAbbildungennochmalsseparatalsPPT-undPDF-Dateiengespeichert.AußerdementhältdieCD-ROM,Animationen,ArbeitsblätterundVersuchsbeschreibungen.DieInformationsserieistaußerdemüberdasInternetabrufbar(www.fonds.vci.de).

FachlicheundfachdidaktischeBeratungProf.Dr.BerndRalle,TechnischeUniversitätDortmundProf.Dr.DavidDiFuccia,UniversitätKasselUdoWlotzka,Helene-Lange-GymnasiumDortmundMitarbeit:DECHEMAe.V.

AutorenDr.AndreasJungbluth,Flad&FladCommunicationGmbH,HeroldsbergDr.MarkusDöring,Flad&FladCommunicationGmbH,HeroldsbergProf.Dr.DavidDiFuccia,UniversitätKasselUdoWlotzka,Helene-Lange-GymnasiumDortmundInesSchmidt,UniversitätKassel

RedaktionBirgitKullmann,FondsderChemischenIndustrieimVerbandderChemischenIndustriee.V.

BildquellenGettyImages/Flad&Flad(Titel)iStockphoto(Seiten8,9,10o.m.,13,22o.m.+u.l.,27r.,34/Blatt+u.m.+u.r.,35,37,50u.m.,59o.+u.r.,60o.+u.l.+u.m.)www.Solarbox24.de(Seite9)Stockbyte(Seiten10u.,45r.)KaneSkennar(Seite10o.l.)Hemera(Seiten9,10o.r.,22o.r.+u.m.+r.,29m.,34u.l.,41r.,50o.,54r.,60u.r.,62r.,64l.)UniversitätSiegen(Seite16l.)AVE(16r.)BananaStock(Seite22o.r.)HemeraTechnologies(Seiten26u.,59l.)KlausBonda/Pixelio(Seite30l.)ToyotaDeutschlandGmbH,LexusDeutschland(Seite30r.)Photodisc(Seite34,Zellen)Max-Planck-InstitutfürMetallforschung(Seite38l.)FraunhoferISE(Seite40u.)www.fh-ooe.at/campus-wels(Seite41l.)RaBoe(Seite43)DaimlerAG(Seite45l.)FlorianLehr(Seite47)CornelsenVerlagGmbH(Seite48u.58)teleDesign,München(Seite49)MalermeisterSeidel(Seite50u.l.)Jupiterimages(Seiten17,50u.r.)VCI—infografik.biz.(Seite52)BASF(Seite53o.l.)CabotCorporation(Seite53o.r.)BrandXPictures(Seite54l.)FraunhoferIFAM(Seite61)KarlsruherInstitutfürTechnologie(KIT)(Seite63)Goodshoot(Seiten62r.,64r.)Flad&FladCommunicationGmbH(ÜbrigeAbbildungen)

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FCI Informationsserie Chemie – Schlüssel zur Energie von ... · 3 Inhalt Vorwort Arbeitsblätter und Versuche 1. Einleitung 2. Methodisch-didaktische Einführung 3. Grundbegriffe