Etälukion kemia, artikkelit

Hehkulamppu

Ihmettelitkö, mitä tekemistä tavallisella hehkulampulla on lukion kemian kurssien kotisivulla?

Paljonkin. Ajatuksena oli muistuttaa siitä, miten kemia vaikuttaa monesti aivan huomaamatta jokapäiväisessä elämässämme. Tosin valon kyllä huomaa!

Hehkulamppua ilman ei kukaan meistä tule nykyisin toimeen, vaikka vasta runsaat sata vuotta on kulunut sen keksimisestä. Lampun keksi Thomas Alva Edison vuonna 1879.

Palaminen, lämpöä ja valoa

kynttilä

Ihmiskunnan vanhin valaistuskeino on puun, päreen, kynttilän tai öljyn palaessa syntyvä liekki: palavan aineen kemiallinen reaktio ilman hapen kanssa. Samainen reaktio tuottaa myös lämpöä. Lämpö puolestaan tanssittaa atomeja liekissä niin, että niiden elektroniverhossa elektronit pompahtelevat korkeampiin energiatiloihin eli atomit virittyvät. Osa virittyneistä atomeista reagoi hapen kanssa. Osalla atomeista viritystila laukeaa siten, että elektroni vain palaa takaisin alempaan energiatilaan ja vapauttaa ylimääräisen energian valokvanttina. Vähitellen virittyneet atomit kuitenkin toinen toisensa jälkeen liittyvät happeen. Syntyy molekyylejä: hiilidioksidia CO2, hiilimonoksidia CO ja vettä H2O. Muodostuneet yhdisteet haihtuvat lämmön vaikutuksesta. Palaminen hiipuu, lämpötila laskee, ja valo sammuu. Osa palavasta aineesta ei ehkä ehdi reagoida ollenkaan ja osasta syntyy nokea.

Kynttilän liekin kellertävän valkoinen valo on peräisin liekin keskiosassa virittyvistä hiiliatomeista. Liekin alaosan tuskin havaittava sinertävä väri johtuu C2 -molekyyleistä, joita syntyy lämpötilan kohotessa riittävän korkealle. Niitä muodostuu myös kaasupolttimen sinertävässä liekissä.

Liekin väri kertoo paljon palamisesta. Kaasupolttimen liekki muuttuu siniseksi, kun ilmaraot ovat täysin auki ja hapen saanti hyvä. Palaminen tapahtuu silloin siististi, nokeamatta, mutta valoa ei juuri synny – lämpöä sitäkin enemmän. Valaiseva liekki puolestaan on nokeava, koska palaminen on epätäydellistä.

Noen muodostuminen ja muut palamisesta aiheutuvat ongelmat ratkeavat, kun estetään kemiallinen reaktio, siis itse palaminen. Mutta miten silloin saadaan atomit lähettämään valoa?

Hehkulampun toimintaperiaate

hehkulamppu

Hehkulampuissa käytetään valon tuottamiseen hyvin ohutta, kierrettyä metallilankaa. Tavallisin metalli on volframi (W), mutta lampun synnyttämän valon laatuun voidaan vaikuttaa lisäämällä jotakin muuta metallia, esimerkiksi neodyymiä (Nd), hehkulangan metalliseokseen. Volframilla on metalleista korkein sulamispiste 3410 °C, joten se sopii hyvin hehkulangaksi.

Virittyminen saadaan aikaan johtamalla sähkövirta hehkulankaa pitkin. Koska lanka on hyvin ohut ja pitkä (kierteet!), sen resistanssi on suuri. Niinpä lanka kuumenee sähkövirran kulkiessa sen läpi. Kuumentuessaan se alkaa hehkua. Siis metalliatomien lämpöliike voimistuu, ja atomit virittyvät. Välillä aina jonkin atomin viritystila purkautuu, jolloin valokvantteja alkaa syntyä – varsinkin kun virittyneet atomit eivät reagoi kemiallisesti.

Kemiallinen reaktio vältetään hehkulampuissa estämällä hapen pääsy hehkulankaan. Lampun lasikupuun ei jätetä happea vaan se täytetään reagoimattomalla jalokaasulla, argonilla (Ar).

Lamput "palavat" kuitenkin lopulta. Se ei kuitenkaan tarkoita hapen ja hehkuvan metallin välistä reaktiota vaan hehkulangan katkeamista, joka aiheutuu metallin höyrystymisestä. Olethan varmaan huomannut, että palaneessa lampussa on usein tumma läiskä kuvun yläosassa. Se ei ole nokea vaan metallia.

Tavallisista kotivalaistukseen käytettävistä hehkulampuista saadaan lähes valkoista valoa, jonka spektri ei kuitenkaan aivan täysin vastaa päivänvaloa. Valoa lähettävässä aineessa on runsaasti elektroneja: volframilla peräti 74. Lampun korkeassa lämpötilassa monet eri elektronikuorilla liikkuvat elektronit siirtyvät uusiin energiatiloihin. Elektronien palatessa alempiin energiatiloihin vapautuu siten erisuuruisia valokvantteja, siis syntyy eriväristä valoa. Eriväristen valojen sekoittuessa päästään lähelle valkoista valoa.


Jos valaistuksen kemia ja lamppujen rakenne kiinnostaa sinua enemmänkin, voit etsiä netistä lisää tietoa vaikkapa seuraavista aiheista:

  • Millainen on loistevaloputken rakenne ja toiminta?
  • Millainen on halogeenilampun rakenne? Miten halogeenit vaikuttavat?
  • Millaisia lamppuja käytetään majakoissa?
  • Mikä on karbidilamppu ja missä sitä käytetään?
  • Millaisia olivat katuvalot ennen sähkön keksimistä?

Sivun alku | Hakupalvelut | Lisää valokvanteista ja elektroniverhosta