Fluorchlorkohlenwasserstoffe

Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW oder CFKW) und Chlorfluorkohlenstoffe, (CFK) sind eine umfangreiche chemische Gruppe niedermolekularer organischer Verbindungen, die als Treibgase oder Kältemittel verwendet werden. FCKW sind Kohlenwasserstoffe, bei denen Wasserstoffatome durch die Halogene Chlor beziehungsweise Fluor ersetzt wurden und sind eine Untergruppe der Halogenkohlenwasserstoffe. Gesättigte FCKW, die also keinen Wasserstoff mehr enthalten, nennt man Chlorfluorkohlenstoffe. Früher wurden sie in Kühlschränken verwendet, doch seit 1995 ist diese Anwendung verboten, da FCKW zur Zerstörung der Ozonschicht beitragen.

Eigenschaften

FCKW sind sehr beständig, unbrennbar und sind meist ungiftig oder haben nur eine geringe Toxizität. Die FCKW der Methan- und Ethanreihe besitzen einen niedrigen Siedepunkt und lassen sich durch Komprimieren leicht verflüssigen. FCKW haben wegen ihrer Reaktionsträgheit eine hohe Verweildauer in der Atmosphäre.

Herstellung

Eine direkte Fluorierung von Alkanen ist nur schwer durchführbar, da die hochexotherme Reaktion meist explosionsartig verläuft und fast stets zu einem Gemisch von perfluorierten Verbindungen führt. Technisch gewinnt man Chlorfluoralkane durch Fluorierung der entsprechenden Chloralkene mit wasserfreiem Fluorwasserstoff an Festbettkatalysatoren aus Aluminium- oder Chromfluoriden. Möglich ist auch die Anwendung eines Antimon(V)-chlorid - Katalysators.

Beispiel 1: Umsetzung von Tetrachlorkohlenstoff mit wasserfreiem Fluorwasserstoff in ein Gemisch von Dichlordifluormethan, Trichlorfluormethan und Chlorwasserstoff.

$2CCl_{4}+3HF\longrightarrow CCl_{2}F_{2}+CCl_{3}F+3HCl$

Beispiel 2: Umsetzung von Chloroform mit wasserfreiem Fluorwasserstoff in Chlordifluormethan (Freon 22). Hier kommt als Katalysator Antimon(V)-chlorid zur Anwendung.

$CHCl_{3}+2HF\longrightarrow CHClF_{2}+2HCl$

Möglich ist auch eine Elektrofluorierung nach Simons. Dabei wird die anodische Fluorierung in wasserfreiem Fluorwasserstoff bei einer Spannung durchgeführt, die noch nicht zur Freisetzung von elementarem Fluor ausreicht.

Geschichte und Verwendung

Ende des 19. Jahrhunderts wurden die ersten halogenierten Kohlenwasserstoffen durch Direktfluorierung (Moissan) und elektrophil katalysierten Halogenaustausch (Swarts) hergestellt. Die ersten FCKWs (CFCl₃ und CF₂Cl₂) wurden 1929 durch Thomas Midgley bei General Motors synthetisiert. Ab 1930 wurden die FCKWs technisch hergestellt und zunehmend als Kältemittel in Kältemaschinen, als Treibgas für Spraydosen, als Treibmittel für Schaumstoffe, als Reinigungs- und Lösungsmittel eingesetzt. Bromhaltige FCKW werden als Feuerlöschmittel eingesetzt und werden oft als Halon bezeichnet. Vor dem Einsatz von FCKWs wurde erstmals 1974 gewarnt, doch dies wurde nicht ernst genommen. Erst mit der Entdeckung des Ozonlochs 1985 wurde am 29. Juni 1990 in London durch die internationale Konferenz zum Schutz der Ozonschicht beschlossen, die Herstellung und Anwendung von CFK und FCKW ab dem Jahr 2000 zu verbieten oder zumindest stark einzuschränken. Man einigte sich, der FCKW-Einsatz bis 1995 um 50%, bis 1997 um 85% zu reduzieren. Die chemische Stabilität macht diese Gase in der Atmosphäre nur schwer abbaubar (mittlere Verweildauer je nach Produkt zwischen 44-180 Jahre).

Die wichtigsten Kältemittel:

Bezeichnung	Trivialname	Summenformel	Siedepunkt
Trichlorfluormethan	Frigen 11	CCl₃F	24.9°C
Dichlordifluormethan	Frigen 12	CCl₂F₂	–30°C
1,2,2-Trichlor-1,1,2-trifluor-ethan	Frigen 113	CClF₂-CCl₂F	48°C
1,2-Dichlor-1,1,2,2-tetrafluor-ethan	Frigen 114 oder Cryofluoran	CClF₂-CClF₂	3.5°C

Umwelteinfluss

Die niedermolekularen, wasserstofffreien CFK gelangen aufgrund ihrer chemischen Stabilität und ihrer grossen Flüchtigkeit in die Stratosphäre und reagieren mit der Ozonschicht.

Beispiel:

CF₂Cl₂ (unter Strahlung) $\longrightarrow$ CF₂Cl + Cl (Radikal)

Cl (Radikal) + O₃ $\longrightarrow$ ClO + O₂

2ClO $\longrightarrow$ Cl₂O₂ $\longrightarrow$ Cl₂ + O₂

Cl₂ (unter Strahlung) $\longrightarrow$ 2Cl (Radikal)

Damit wird die Schutzwirkung der Ozonschicht zerstört und harte UV-Strahlung kann bis zur Erdoberfläche dringen und hat schädigende Wirkung auf Pflanzen, Tiere und Menschen. Zusätzlich absorbieren FCKW Licht im Infrarotbereich (stärker als CO₂) und können bei steigenden Konzentrationen ebenfalls zur Erwärmung der Erdatmosphäre beitragen.

Alternativen

Alternativen zu den FCKW-basierten Treibgasen für Aerosol-Zerstäubung sind u.a. HFA-134a, das die Ozonschicht nicht beeinträchtigt, dafür aber den Treibhauseffekt fördert. Bei den Kühlmitteln bieten sich Propan, Butan, Pentan, Ammoniak oder Kohlendioxid als Alternativen an, wobei zu beachten ist, dass die ersten drei Substanzen feuergefährlich und Ammoniak ätzend und giftig ist.