Chemie einiger Alltagsmaterialien-100108 - FH Münster · Chemie einiger Alltagsmaterialien-3-Prof....

Chemie einiger Alltagsmaterialien-1-

Prof. Dr. T. Jüstel, FH MünsterFB Chemieingenieurwesen

Prof. Dr. T. JüstelFH Münster, FB Chemieingenieurwesen

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Steinfurt10. Januar 2008

Chemie einiger Alltagsmaterialien



Inhalt

• Einleitung– Chemie einfach alles!– Chemie als Basiswissenschaft

• Chemie und Farbe

• Chemie und Lichtquellen

• Chemie und LASER(-kristalle)

• Warum Chemie studieren?



Chemie einfach alles!Chemieprodukte im Alltag

• Metalle und Legierungen

• Halb- und Supraleiter

• Pigmente und Leuchtstoffe

• Keramik, Kristalle, Gläser

• Baustoffe

• Analytische Reagenzien

• Treibstoffe

• (Bio)Polymere und Komposite

• Farb- und Duftstoffe

• Wasch- und Reinigungsmittel

• Dünger und Lebensmitteladditive

• Pharmazeutika und Kosmetika



Chemie einfach alles!Chemische Industrie in Deutschland

• Wichtigster Wirtschaftszweig des verarbeitenden Gewerbes nach der Automobil-, Maschinenbau- und Elektronikindustrie

• 436.000 Beschäftigte erwirtschaften 2006 einen Umsatz von fast 130 Mrd. Euro • Durchschnittlicher Bruttolohn 2006: 46.800 Euro/Jahr

Sparten (nach Verband der chem. Industrie)

– Anorganische Grundchemikalien– Petrochemikalien und Derivate– Polymere– Fein- und Spezialchemikalien– Pharmazeutika– Wasch- und Körperpflegemittel

Sparten (nach Statistischem Bundesamt)

– Chemische Grundstoffe– Schädlingsbekämpfungs-,

Pflanzenschutz-und Desinfektionsmittel

– Anstrichmittel, Druckfarben und Kitte– Pharmazeutische Erzeugnisse– Seifen, Wasch-, Reinigungs- und

Körperpflegemittel sowie Duftstoffe– Chemiefasern– Sonstige chemische Erzeugnisse



Chemie als BasiswissenschaftZentrale Bedeutung in der Interaktion mit anderen Wissenschaften

Chemie

MineralogieGeologie

BiologiePhysik

Material-wissenschaften

Elektro-technik

Maschinen-bau

Verfahrens-technik

Pharmazie

Medizin



Chemie als BasiswissenschaftChemie als Treiber kulturellen und technischen Fortschritts

Frühzeit

Entdeckung Naturfarben(zufällig) Blut, Ocker, Ruß, etc.

Anwendung Höhlenmalerei

Produkt Bilder

Heute (am Beispiel der Lichtquellen)

Markt(forschung) Energieeffizienz!

Chemie, Mate- Halbleitermaterialienrialforschung Leuchtstoffe

Halbleiter- Blau oder UV ab-Industrie strahlende Halbleiter

Lichtindustrie Weiße LEDs

Anwender LED-LichtquellenPhotochemie



Chemie als BasiswissenschaftChemie als Treiber kulturellen und technischen Fortschritts

- 10000 v. Chr. Pigmente Malerei6000 v. Chr. Keramik Gefäße, Kunstgegenstände5000 v. Chr. Kupfer Gefäße, Waffen, Schmuck3000 v. Chr. Glasuren, Bronze Gefäße, Waffen, Schmuck2000 v. Chr. Glas, Purpur Gefäße, Fenster, Lichtleiter, Färberei1500 v. Chr. Eisen Waffen, Fahrzeugbau25 v. Chr. Zement Gebäude, Baukunst600 n. Chr. Chin. Porzellan Gefäße, Kunstgegenstände1820 n. Chr. Plastik, Gummi Gefäße, Oberflächenversiegelung1850 n. Chr. Beton Gebäude, Baukunst1950 n. Chr. Halbleiter Elektronik1960 n. Chr. Ti-Legierungen, LASER Flug- und Fahrzeugbau, Photonik1986 n. Chr Hochtemperatursupraleiter Medizin (Kernspintomographen)1993 n. Chr. Blaue Leuchtdioden Halbleiterlichtquellen



Chemie und FarbeWie entsteht Farbigkeit?

Durch Interaktion von weißem Lichtmit farbigen Substanzen aufgrundderen Filterwirkung während derReflexion oder Transmission des weißenLichtes

Allgemeinbeleuchtung = Weißes Licht!!

Beleuchtung mit farbigem Licht verändert die wahrgenommene Farbe derbeleuchteten Objekte

Beleuchtungmit weißem

Licht

Beleuchtungmit gelben

Licht



Chemie und FarbeWie entsteht Farbigkeit?

⇒ durch subtraktive Farbmischung, d.h. durch Farbfilter (Farbstoffe, Pigmente)

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800λ [nm]

UV IR

Malerei, Farbdrucker

VIS IR

⇒ Gelb

⇒ Magenta

⇒ Cyan

⇒ Rot

⇒ Grün

⇒ Blau

Weiß

Gelb

Blau

Grün

Rot

Cyan

Magenta



Chemie und FarbeFarbige Substanzen

Mineralien

EdelsteineNatürliche EdelsteineKünstliche Edelsteine

Gefärbte Gläserdurch Metallionendurch Nanopartikel

PigmenteMikropigmenteNanopigmente

FarbstoffeNatürliche Farbstoffe (→ Pflanzen, Tiere)Künstliche Farbstoffe (→ Fasern, Lebensmittel, Polymere)



Chemie und FarbePhysikalische Ursache der Farbigkeit

Wechselwirkung von Licht mit Materie führt zur Verschiebung elektrischer Ladungin der absorbierenden Materie

Lässt sich elektrische Ladung, d.h. Elektronen, relativ leicht verschieben, kann dieseVerschiebung durch relativ energiearmes bzw. sichtbares Licht verursacht werden

Möglichkeiten der Ladungsverschiebung• Von Anionen auf Kationen

CdS S2- → Cd2+

• Zwischen Kationen verschiedener LadungPb3O4 Pb2+ → Pb4+

• Änderung der Elektronenkonfiguration von IonenY3Al5O12:Ce3+ 4f1 → 5d1

• Änderung der Elektronenverteilung in organischen Molekülen

Cadmiumgelb

Mennige



Chemie und FarbeModerne Farbpigmente

GelbpigmenteCdS CadmiumgelbPbCrO4 ChromgelbFeO(OH) LepidokrokitPb3(SbO4)2 AntimongelbBiVO4 Bismutvanadat

WeißpigmentePbCO3-Pb(OH)2 BleiweißZnO ZinkweißTiO2 TitanweißBaSO4 BariumsulfatSb2O3 Antimonweiß

BlaupigmenteNa8Al6Si6O24S2 UltramarinCoAl2O4 Thenard‘s BlauKFe[Fe(CN)6] Berliner Blau

Anwendungen: Anstrichfarbe, Künstlerfarbe, Porzellanfarbe, Kunststoffeinfärbung

RotpigmenteHgS ZinnoberFe2O3 OxidrotPb3O4 MennigePbCrO4

.PbO ChromorangeCdS-HgS Cadmiumzinnober

GrünpigmenteCr2O3 ChromgrünZnCo2O4 Rinmann‘s Grün



Chemie und FarbeTrends bei der Entwicklung neuer Pigmente

• Ökologisch unbedenkliche Pigmente– Ersatz der toxischen Gelbpigmente CdS und

PbCrO4 durch nicht-toxische Ta-Zr-Oxynitride

• Nanopigmente– Transparente farbige Beschichtungen– Feineinstellung der Farbe, z.B. CdS-Pigmente

• Verbesserung der Lichtechtheit (Stabilität)– Beschichtung empfindlicher Pigmente

mit inerten Oxiden, z.B. Al2O3



Chemie und LichtquellenChemische Lichtquellen = Katalysator der kulturellen Entwicklung!

vor 400000 Jahren Fackelvor 13000 Jahren Primitive Steinlampen5000 v. Chr. Fettlampen mit Docht1000 v. Chr. Kerzen600 v. Chr. Ölkeramiklampen 280 v. Chr. Erster Leuchtturm (Alexandria)

1772 Gaslampen1783 Petroleumlampen1784 Argandlampe (Lampe mit Hohldocht)1826 Kalklicht (Limelight, CaO-Brenner)

Lichtquellen verlängern den Tag …



Elektrische Lichtquellen im

leuchtende Festkörper leuchtende Gase leuchtende FestkörperC, Os, W Hg, Na, Ne, Xe AlInGaP,AlInGaN

300 400 500 600 700 8000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Em

issi

on In

tesi

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[a.u

.]

Wavelength [nm]300 400 500 600 700 800

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Rel

ativ

e in

tens

ity [a

.u.]

Wavelength [nm]

19. Jahrhundert 20. Jahrhundert 21. Jahrhundert

300 400 500 600 700 8000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Nor

mie

rte In

tens

ität

Wellenlänge [nm]

Chemie und Lichtquellen



Treiber für die Entwicklung neuer Materialien für Lichtquellen

Reduktion der Kosten der LichterzeugungErhöhung der Lichtausbeute bzw. EnergieeffizienzErhöhung der LebensdauerVerringerung des Materialaufwandes

Erhöhung der LichtqualitätVerbesserung der spektralen EnergieverteilungVariable Farbpunkteinstellung

Verbesserung der UmweltverträglichkeitErsatz problematischer Materialien, z.B. Hg oder PbRecycling der Lichtquellen und Materialien

Erhöhung der LeistungsdichteMiniaturisierung und Reduktion der EinbautiefeVerbesserung von ProjektionssystemenReduktion des Zeitaufwandes für photochemische Prozesse




Chemie und Lichtquellen1. Thermische Strahler: Erwärmung von Materie

Die Intensität und die spektrale Verteilung der emittierten Strahlung eines Körpers ist stark temperaturabhängig (→ Planck‘sches Strahlungsgesetz)

Erwärmung durch

chemische Reaktion (Oxidation)Lagerfeuer, Fackel Kerze, Öllampe

Widerstandsverlust (Stromfluss)GlühlampenHalogenglühlampen

UV IRVIS



Chemie und Lichtquellen2. Gasentladungsstrahler: Anregung freier Atome, Ionen oder Moleküle

Atome, Ionen und Moleküle nehmen nur diskrete Energiezustände an, wobei höhereEnergiezustände durch Strahlungsabsorption oder inelastische Stöße (Wärme) erreicht werden können.Bei der Rückkehr in den Grundzustand kann die überschüssige Energie in Form von Strahlung abgegeben werden.

Atome Hg Na

Ionen Ar+ Kr+

Moleküle S2 D2

Angeregter Zustand

Grundzustand

Ene

rgie ∆T -hν



Chemie und Lichtquellen3. Festkörperstrahler: Anregung von Festkörpern durch ext. Energiequellen

Auch Festkörper besitzen diskrete Energiezustände und können durchEnergie-aufnahme in höher angeregte Zustände überführt werden.Bei der Rückkehr in den Grundzustand kann die überschüssige Energie in Form von Strahlung abgegeben werden ⇒ Lumineszenz

Anregung durch Prozess Anwendung in elektrische Felder Elektrolumineszenz LeuchtdiodenElektronen Kathodoluminesenz Fernseher (Braun‘sche Röhre)Röntgenstrahlung Röntgenlumineszenz Röntgendetektoren, - filmeUV-Strahlung Photolumineszenz Fluoreszenzlampen

Leuchtstoffe mit Tageslicht beleuchtet →

Leuchtstoffe unter UV-Bestrahlung →Photolumineszenz: Anregung durch UV



Chemie und Lichtquellen4. Chemolumineszenz: Anregung von Molekülen als Folge chem. Reaktionen

Oxidationsreaktionen führen häufig zu Produktmolekülen, die in einem energetisch angeregten Zustand vorliegen. Die Rückkehr in den Grundzustand kann unter Lichtemission stattfinden:

H2O2 + → → + blaues Licht

ChemolumineszenzNotfallsignale, Analytik

BiolumineszenzGlühwürmchen, Quallen, Plankton

N

N

H

H

H

H

H

O

ONH2

O-

O-

H

H

H

O

ONH2

O-

O-

H

H

H

O

ONH2

*Base

Fe3+

Luminol




Weißes Licht durchLumineszenz

GelberLeuchtstoff

Weiß Rot Grün Blau UV

Weißes Licht durchadditive Farbmischung

Prinzip: Additive Farbmischung!

Thermische Strahler ⇒ sichtbares weißes Licht + IR

Gasentladungen ⇒ UV + sichtbares farbiges Licht

Elektrolumineszente Halbleiter ⇒ sichtbares farbiges Licht

Farbiges Lichtdurch Absorption

RGBLeuchtstoff-

mischungFarb-filter



Chemie und LichtquellenUmsetzung in Lichtquellenkonzepte

Glüh- undHalogenglühlampen

Gasentladungs-lampen/bildschirme

Anorganische und organische Leuchtdioden

Chemolumineszenz

Biolumineszenz

ChemischeLichtquellen



elektrischerStrom I

500 1000 1500 20000

0.5

1

Wellenlänge in nm

1.2

0.

I λ( )

V z( )

2000.200 λ

nmz

nm,Wellenlänge [nm]

380 780

Chemie der Glühlampen

Eingangsleistung

Energiebilanz einer Glühlampe

Elektromagnetische Strahlung Leitungsverluste

IR VIS ~ 5% UV

Stromfluss durch eine Wolfram-

wendel mit dem elektrischen Wider-

stand R führt zur Erwärmung

Spektrum einer Glühwendel bei

T = 2700 K (Thermischer Strahler)

Gasverluste



Die Lebensdauer von Glühlampen wird durch Verdampfen des Wolframs begrenzt

von der Wendel verdampftes Wolfram kondensiert auf der Innenseite des Glaskolbens → Schwärzung

T

Wolfram hat von allen Metallen den höchsten Schmelz- (und Siedepunkt) und auch den niedrigsten Dampfdruck bei der Betriebstemperatur einer Glühlampe


Element Schmelzpunkt SiedepunktC 3550°C -W 3422°C 5555°CRe 3186°C 5596°COs 3033°C 5012°CTa 3017°C 5458°CFe 1535°C 2750°CCu 1085°C 2562°C



Chemische Tricks zur Erhöhung der Lebensdauer einer Glühlampe

1. Wechsel des Inertgases: Ar → Kr, Xe→ Krypton-Glühlampen

2. Zugabe von Halogenen (Br2, I2) → Halogen-Glühlampen

Gasfüllung einer Halogenglühlampe = Inertgas + O2 + X2 (X = Br, I)

W + O2 + X2 ⇌ WO2X2 „Halogen-Zyklus“

Wendel → WO2X2(g)Glaskolben → W(s) + O2(g) + X2(g)

Vorteil ⇒ Glaskolben bleibt klar




Niederdruck-Gasentladungslampen Hochdruck-Gasentladungslampen

Druck = 10 µbar bis 10 mbar > 1 bar

Länge = ca. 1 m ca. 1 cm

Leistung = 4 – 58 W 100 – 2000 W

Innenraumbeleuchtung Straßenbeleuchtung, Beamer, Xe-Scheinwerfer

Chemie der Entladungslampen



Hg-Gasentladung UV-Strahlung sichtbaresLicht

Leuchtstoff

Strahlung derGasentladung

GewünschtesSpektrum

Leuchtstoff-schicht

angeregtesHg-Atom Elektronen

Elektrode

KappeGlaskolben

Reinigung Desinfektion Beleuchtung

Chemie der EntladungslampenFluoreszenzlampen = Energiesparlampen + Leuchtstoffröhren



Fluoreszenzlampen (Halogen)glühlampenEnergieffizienz 15 - 30% 5 – 10%Lichtstrom 500 - 5500 lm 100 - 1000 lmKritische Materialien Ba, Hg → Recycling Keine

G 545 nmLaPO4:Ce,Tb

LeuchtstoffschichtLampenglas

185 + 254 nm

R 610 nmY2O3:Eu

B 450 nmBaMgAl10O17:Eu

Chemie der Entladungslampen

100 200 300 4000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

365 nm185 nm

254 nm

Em

issi

on in

tens

ity [a

.u.]

Wavelength [nm]

Fluoreszenzlampen

Hg-Spektrum



Chemie der EntladungslampenLeuchtstoffe für Fluoreszenzlampen

Leuchtstoffe bestimmen die Energieeffizienz, Lebensdauer und Farbqualität nichtnur von Fluoreszenzlichtquellen sondern auch von Plasma- und LCD-Bildschirmen

Eu2+-Leuchtstoffe EmissionswellenlängeCaS:Eu 655 nmCaAlSiN3:Eu 650 nmSr2Si5N8:Eu 615 nmSrS:Eu 610 nmBa2Si5N8:Eu 580 nmSr2SiO4:Eu 575 nmSrSi2N2O2:Eu 540 nmSrGa2S4:Eu 535 nmSrAl2O4:Eu 520 nmBa2SiO4:Eu 505 nmSr4Al14O25:Eu 490 nmSrSiAl2O3N:Eu 480 nmBaMgAl10O17:Eu 450 nmSr2P2O7:Eu 420 nmBaSO4:Eu 374 nmSrB4O7:Eu 368 nm



Chemie der Festkörperlichtquellen

Anorganische LEDsKleine Fläche und hohe Leuchtdichte

Organische und Polymer LEDsGroße Fläche und geringe Leuchtdichte



1970

GaAsP

< 0.1 W

< 0.1 lm

gelb + rot

2008

AlInGaP, AlInGaN

0.6 - 10 W

10 - 150 lm

alle Farben + UV

Historische Entwicklung anorganischer Leuchtdioden (LEDs)




Blauer LED Chip: 420 – 480 nm InGaNLeuchtstoffschicht (Konverter): (1) Gelb Kaltweiße Lichtquellen

(2) Gelb + rot Warmweiße Lichtquellen(3) Grün + rot Kalt- und warmweiße Lichtq.

InGaN Chip Silicon

Leuchtstoff

Ag-Spiegel

400 450 500 550 600 650 700 750 8000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Inte

nsity

[a.u

.]

Wavelength [nm]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Emission ofphosphor converterLight

Source

Absorption

Funktionsprinzip von weißen LEDs





(1) Blaue LED + Y3Al5O12:Ce ⇒ Kaltweiße Lichtquellen

(2) Blaue LED + Y3Al5O12:Ce + Rot ⇒ Warmweiße Lichtquellen

(3) Blaue LED + Grün + Rot ⇒ Kalt- und warmweiße Lichtq.

400 500 600 700 8000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Rot

er L

euch

tsto

ff

Gel

ber L

euch

tsto

ff

Bla

ue L

ED

Inte

nsitä

t

Wellenlänge [nm]

Weiße LEDs mit hoher Farbqualität

400 500 600 700 8000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Rot

er L

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ff

Grü

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euch

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ff

Bla

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ED

Inte

nsitä

t

Wellenlänge [nm]



Chemie der FestkörperlichtquellenWeiße LEDs mit hoher Farbqualität

Konzept (2)• Blaue LED InGaN• Gelber Leuchtstoff Y3Al5O12:Ce • Roter Leuchtstoff CaS:Eu

Konzept (3)• Grüner Leuchtstoff Lu3Al5O12:Ce

SrSi2N2O2:Eu 400 450 500 550 600 650 700 750 800nm

black body 3600 K

fluorescent, CCT=3600 K

0

5

4

4

4

4

4

4

4

4

400 450 500 550 600 650 700 750nm

JAZZ 3300K

BB 3300K:

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

400 450 500 550 600 650 700 750 800

nm

Blaue LED YAG:Ce CaS:Eu



Chemie und LASERLASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Kurze Geschichte der LASER-Technik1917 theoretische Grundlagen (A. Einstein)1954 Mikrowellenlaser: MASER1960 gepulste Rubin-Festkörperlaser1961 Nd-Glas-LASER1984 erster Röntgen-LASER1995 erster Hochleistungsdiodenlaser zum Härten2005 blaue Dioden-LASER

LASER-Typen• Festkörper-LASER → Kristalle• Gas-LASER → Edelgase + Halogene• Farbstoff-LASER → Coumarine• Dioden-LASER → Halbleiter

Y3Al5O12:Nd-Kristall



Chemie und LASERAufbau eines LASERs

Komponenten eines Festkörper-LASERs1. Anregungsquelle, z.B. Blitzlichtlampen2. LASER-Kristall(stab)

Aktives Medium, z.B. Al2O3Dotierung, z.B. Cr3+

→ Rubin-LASER

Blitzlichtlampen

Hochreflektierender Spiegel Teilreflektierender Spiegel

LaserstrahlLASER-Kristall



Chemie und LASERLASER-Kristalle für IR-LASER → Dotierung Nd3+

Y3Al5O12:Nd

GdVO4:Nd

YVO4:Nd

YAlO3:Nd

Glas:Nd

Anwendung der Nd3+-LASER: Materialbearbeitung (Schweißen, Bohren, Schneiden)



Chemie und LASERDioden-LASER

Material Emissionsbereich AnwendungenGa(As,P) IR Glasfasernetze, Fernbedienungen

AlInGaP 580 – 700 nm CD/DVD-Spieler

InGaN 370 – 500 nm Blue-ray DVD (405 nm)

AlGaN 220 – 370 nm Nächste DVD Generation, Photochemie

Der Preis kompakter Dioden-LASER ist stark fallend, so dass Halbleiter-LASERin immer mehr Alltagsanwendungen Einzug halten werden

→ Soft-LASER zur Biostimulation von Heilungsprozessen



Chemie und LASERAktuelle Trends im Bereich der LASER-Materialien

1. Entwicklung neuer LASER-Kristalle→ Grüne LASER auf Basis Er3+ dotierter Kristalle

2. Entwicklung kostengünstiger Verfahren zurHerstellung aktiver LASER-Medien → vom Kristallziehen zum Pressen transparenter Keramiken

Druck



Motivation

• Der Chemiker arbeitet an der Basis technologischer Neuerungen und bestimmt somit die Richtung neuer Entwicklungen

• Das Chemiestudium ist in besonderem Masse experimentell ausgerichtet– viele Praktika– fördert kooperatives Arbeiten

• Fördert und fordert die Allgemeinbildung (Technik, Sprachen, Informatik, Jura, Betriebswirtschaft, Rhetorik)

• Bietet hervorragende Berufsaussichten, da der Chemiker vieleTätigkeitsfelder finden kann (siehe oben …)

Warum Chemie studieren?



Warum Chemie studieren?Tätigkeitsfelder

• Forschung, Produkt- u. Verfahrensentwicklung in der chemischen Industrie• Forschung und Lehre an Hochschulen und Forschungsinstituten• Marketing / Vertrieb in der Kunststoff und Pharmaindustrie• Fachjournalismus, Wissenschaftskommunikation• Patent-, Kriminal- und Umweltämter• Gutachtertätigkeit• IT-Branche• Unternehmensberatungen• Lebensmittelindustrie• Medizin



Warum Chemie studieren?Der Chemiker ist ein Allroundtalent bzw. eine …



Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit&

viel Erfolg für Ihre berufliche Ausbildung

KontaktProf. Dr. T. JüstelFH Münster, FB ChemieingenieurwesenTel.: 02551-962-205e-mail: [email protected]://www.fh-muenster.de/fb1/personal/professoren/juestel/juestel.php

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