Verantwortliche Redaktoren für Chemie auf SwissEduc: Roger Deuber.
Licht und Materie
Autor der Unterrichtseinheit: Roger Deuber
In der Unterrichtseinheit Licht und Materie - Nutzung von Sonnenenergie geht es um die die photochemische Anregung von Elektronen und deren technische und biologische Nutzung - z.B. zur Energiegewinnung oder in der Fotografie. Im Gegensatz zur Entstehung von Farben, bei der die angeregten Elektronen in den Grundzustand zurückfallen, muss diese Rekombination der Elektronen verhindert werden, damit Lichtenergie genutzt bzw. gespeichert werden kann – bei Solarzellen in Form von elektrischem Strom, bei der Fotosynthese in Form von energiereicher Glucose, welche die energetische Grundlage jeglicher Form des Lebens ist. Jedes der neun einzelnen Unterrichts-Module enthält Unterrichtsunterlagen für Studierende mit Lernaufgaben, eine Powerpoint-Präsentation als Einführung und mit den Lösungen der Lernaufgaben, sowie detaillierte Praktikumsunterlagen. Die gesamte Unterrichtseinheit dauert ca. 24 Stunden; die Module können aber auch problemlos einzeln eingesetzt werden.
- Umlagerung von Azobenzen ca. 4 Stunden (inkl. Praktikum)
- Ein Vergleich der thermischen mit der photochemischen Umlagerung von Azobenzen ermöglicht eine ideale Einführung in die chemischen Voraussetzungen für die Gewinnung von Sonnenenergie.
- Der Sehvorgang/ Retinal ca. 2 Lektionen
- Die Umlagerung von Retinal ermöglicht als besonders schnelle fotochemische Umlagerungsreaktion den Sehvorgang. Sie erfolgt von der energiereicheren trans – in die energieärmere cis-Form.
- Leitfähigkeit im MO-Modell ca. 2 Stunden
- Die Einführung in die Leitfähigkeit gemäss MO-Modell schafft das Verständnis für die Halbleiter, die in Solarzellen die entscheidene Rolle spielen.
- Die Silizium-Solarzelle ca. 2 Stunden
- Hier lernen die Studierenden das chemische Prinzip der Silizium-Solarzelle kennen. Die Silizium-Solarzelle ist technisch zwar weitgehend ausgereift, weist aber auch Probleme auf, welche die Produktion eher aufwendig und teuer machen.
- Die TiO2-Solarzelle ca. 4 Stunden (inkl. Praktikum)
- Die vom Fraunhofer-Institut geförderte TiO2-Solarzelle basiert auf Prinzipien der Fotosynthese, und umgeht auf diese Weise die Probleme der klassischen Silizium-Solarzelle. Im Praktikumsteil bauen die Studierenden eine eigene funktionstüchtige TiO2-Solarzelle zusammen.
- Fotosynthese und Solarzellen im Vergleich ca. 2 Stunden
- Eine Einführung in die Lichteraktion der Fotosynthese und ein detaillierter Vergleich zwischen der Fotosynthese und den Prinzipien von Solarzellen ermöglicht ein chemisch profundes Verständnis für die Ähnlichkeiten und Unterschiede der biologischen und technischen Nutzung von Sonnenenergie.
- Säulenchromatografie von Blattpigmenten ca. 3 Stunden (inkl. Praktikum)
- In diesem Modul lernen die Studierenden anhand der säulenchromatographischen Trennung von Blattpigmenten die Strategien von Pflanzen zur optimalen Nutzung der Sonnenenenergie und das chemisch wichtige Prinzip der Chromatographie kennen.
- Primärreaktion der Fotosynthese ca. 3 Stunden (inkl. Praktikum)
- Wie wichtig die zahlreichen Oxidationsstufen von Mangan sind, damit Pflanzen mit Hilfe der Sonnenenergie Wasser oxidieren können, und wie die Lichtreaktion der Fotosynthese detailliert abläuft, sind die zentralen Themen dieses Moduls.
- Cyanotypie Separatverfahren ca. 2-3 Stunden (Praktikum)
- Dass photochemische Reaktionen auch in der Fotografie eine zentrale Rolle spielen, lernen die Studierenden im Praktikum anhand des historischen Verfahrens der Cyanotypie (Blaudruck). Das verwendete Sparatverfahren geht auf historische Aufzeichnungen des Erfinders zurück und ermöglicht bei kurzen Belichtungszeiten mit einen Hellraumprojektor (also ohne UV!) besonders detailreiche Fotogramme oder Fotografien.