Fluor

Fluor ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol F und der Ordnungszahl 9.
Das giftige, farblose, in hohen Konzentrationen auch gelb-grüne Gas ist das reaktivste chemische Element.

Bemerkenswerte Eigenschaften

Das blassgelbe, in dicken Schichten auch grüngelbe Gas ist ein starkes Oxidationsmittel. Unter Normalbedingungen liegt es in Form von F₂-Molekülen vor. Mit fast allen anderen Elementen bildet Fluor spontan Verbindungen. Selbst mit den Edelgasen Xenon und Radon und Krypton reagiert Fluor. Im Gegensatz zu allen anderen Halogenen reagiert Fluor ohne Lichtaktivierung selbst bei sehr tiefer Temperatur spontan mit Wasserstoff. Die Reaktion führt zur Bildung von Fluorwassserstoff. Auch viele andere Stoffe reagieren lebhaft mit Fluor. Besonders heftige, explosionsartig verlaufende Reaktionen beobachtet man erwartungsgemäß mit wassserstoffhaltigen, gasförmigen und flüssigen Verbindungen wie z.H. H₂O, NH₃, SiH₄, C₃H₈, vielen organischen Lösungsmitteln etc.. So wird Wasser durch Fluor in Sauerstoff (O₂) und Fluorwasserstoff (HF) gespalten. Treibende Kraft hinter all diesen Reaktionen ist jeweils die äußerst exotherm verlaufende Bildung von Fluorwasserstoff. Mit festen Materialien reagiert Fluor dagegen wesentlich langsamer und kontrollierter. Bei vielen Metallen führt die Reaktion mit elementarem Fluor zur Bildung einer Passivierungsschicht auf der Metalloberfläche, die das Metall vor dem weiteren Angriff des Gases schützt. Die Pssivierungsreaktion verläuft exotherm. Bei hoher Fluorkonzentration - bei hohem Fluorpartialdruck - es dabei u.U. zum Aufschmelzen der Passsivierungsschicht oder zum Schmelzen des darunterliegenden Metalls führen. Da beim Aufschmelzen ständig frisches Metall freigelegt wird, dass dann wieder zur Reaktion mit Fluor betreit steht, kann es letztlich sogar zu einem unkontrollierten Reaktionverlauf kommen (Fluorfeuer). Durch Unterbrechen der Fluorzufuhr lassen sich Fluorfeuer jedoch sofort löschen. Ein andersartiges Löschen ist kaum möglich

Auch Kunststoffe reagieren bei Raumtemperatur zumeist sehr kontrolliert mit elementarem Fluor. Wahrscheinlich war die Umsetzung von Fluor mit Kunststoffen sogar eine der ersten praktischen Fluoranwendungen überhaupt. Wie bei den Metallen, so führt auch beime Kunststoff die Reaktion mit Fluor zur Bildung einer fluorierten Oberflächenschicht.

HF-haltiges Fluor greift Glas (auch Quarz) schnell an. Trockenes Fluor bei reagiert dagegen nur sehr langsam um. Für die Umsetzung sind Fluoratome erforderlich, die schon bei Raumtemperatur in geringer Konzentration in molekularem Fluor auftreten. Bei erhöhter Temperature nimmt die Flurodissoziation schnell zu. Glas Quarz und andere Siliciumverbindungen werden daher bei moderat erhöhter Temperatur schnell angeriffen ( => Einsatz von Fluor als Ätzgas). Treibenden Kraft hinter den besagten Reaktionen ist jeweils die stark exotherme Bildung von gasförmigen SiF_4.

Anwendungen und Produkte

Nukleartechnologie
- Uranhexafluorid (UF₆) in der Urananreicherung
Kunststoffindustrie und Automobilbau
- Fluorierung von Autotanks aus Kunststoff (Barriereschichtbildung)
- Fluorierung von Kunststoffknistern und anderen Verpackungsmitteln (Barriereschichtbildung)
- Erzeugung von selbstreinigenden Niedrigenergieoberflächen
- Zur Verbesserung der Haftung wasserlöslicher Lacke und Farben auf Kunststoffen; Verbesserung der Verklebbarkeit von Kunststoffen; Metallisierung von Kunststoffen
Pharmazeutika
- 5-Fluoruracil: Ein vielfach in der Krebtherapie eingesetztes Cytostatikum
- Arzneimittel zur Chemotherapie von Krebs und HIV-Therapie
- Arzeimittel für die Regulation des Fettstoffwechsels
- Blutersatzstoffe in Chirugie und Notfallmedizin
- Schmerzmittel
- Tierarzneimittel
Argochemische Verbindungen
- Insektizide
- Herbizide
- Fungizide
Supergifte
- Sarin, Tabun und andere als chemische Waffen verwendete Stoffe
Oberflächenaktive Substanzen
- Oberflächenaktive Substanzen für Spezialanwendungen z.B. in der Halbleiterindustrie
Schmiermittel
- Schmiermittel für Computerfestplatten
Flüssigkristalle
- In fluorierten Flüssigkristallen zur Verwendung in LCD-Computermonitoren, Mobiltelefondisplays; tragbaren Comuputern und LCD-Fernsehern
Halbleiterherstellung und Mikrotechnologie
- Ätzgas
- Als UV-Lichtquelle in der EUV-Lithographie
- In Photolacken für die DUV-Lithographie
Treibstoff, Treibmittel, Explosivstoffe
- High-Energy-Fuel für Raketenmotoren (im Zusammenspiel mit einem anderen Brenngas z.B Hydrazin
Explosivstoffe
Lasertechnik,
- Lasergas im chemischen Laser
Schwefelhexafluorid
- Als Füllgas für Autoreifen und Tennisbälle und als Polstergas in Druckausgleichsbehältern
- Zum Befüllen von Isolierglas
- Als Isoliergas in Hochspannungsschaltern
- Als Ätzgas in der Halbleitertechnik
Stickstofftrifluorid (NF3)
- Als Ätzgas Halbleitertechnik
In Form von Flusssäure (Lösung von Fluorwasserstoff in Wassser) als Katalysator in der chemischen Synthese, zum Glasätzen und als Nassätzmedium in der Halbleiterherstellung und Mikrotechnologie
Teflon, ein korrosionsbeständiger Kunststoff mit einem sehr geringen Reibungswiderstand. Daneben werden noch andere Fluorkohlenwasserstoffe für den Temperaturbereich oberhalb 300°C hergestellt.
In Form von anorganischem Fluorid z.B. in der Kariesprophylaxe (Zahnpasta, Fluoridierung von Trinkwasser)
Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW oder CFC) als Kühl-, Schäum-, Treib- und Lösungsmittel. (Wegen der die Ozonschicht der Erde schädigenden Wirkung das den FCKWs enthaltenen Chlors ist der Einsatz von bestimmter FCKW in vielen Länder inzwischen gänzlich verboten).
Freone, fluorierte Kohlenwasserstoffe
In Form wässriger Ammoniumbifluorid-Lösungen zur Reinigung von Bierleitungen (entfernt Bierstein)
Zerstörung von Asbest. Auflösung in Flusssäure führt zur Zerstörung der Faserstruktur
In Form des von Kryolith als unentbehrliches Elektroytkomponente in der Aluminiumherstellung

Geschichte

Fluor (lateinisch fluere für 'fließen') in From seines Calciumsalzes (Flussspat = CaF₂) wurde 1529 von Georgius Agricola als Hilfsmittel zum Metallschmelzen beschrieben. Es macht Erzschmelzen und Schlacken dünnflüssiger, lässt sie fliessen. 1670 zeigte Schwandhard die Glasätzung durch säurebehandelten Flussspat. Alle Versuche das freie Halogen herzustellen scheiterten jedoch - manchmal auf tragische Weise. Erst 1886 gelang Henri Moissan durch elektrolytische Zersetzung einer Lösung von Kaliumfluorid (KF) in flüssigem Fluorwasserstoff (HF) bei -55°C reines Fluor zu erzeugen.

Aufschwung nahm die Fluorherstellung im zweiten Weltkrieg durch die Entwicklung der Atombombe. Die Isotopenanreicherung von Uran erfolgt über gasförmiges Uranhexafluorid (UF₆). Die Herstellung von Uranhexafluorid kann u.a. mit Hilfe von elementarem Fluor erfolgen.

Vorkommen und Herstellung

Elementares Fluor kommt in freier Form in der Natur nicht vor. In Form seine Salze, der sogenannten Fluoride, ist Fluor aber weit verbreitet und z.B. auch in vielen Wässern (0,1 -1,5 mg/l F^-) enthalten.
Zur Herstellung von Fluor und Fluorchemikalien dient hauptsächlich Flussspat (CaF₂), der auch in Deutschland in der Vergangenheit an vielen Stellen bergmännisch abgebaut wurde). Geringe Mengen fallen aus der Phosphorsäureherstellung an. Die natürlichen Kryolithvorkomen in Grönland sind seit den 1960er Jahren ausgebeutet.

Die Erzeugung elementaren Fluors erfolgt durch Elektrolyse von wasserfreier Kaliumfluoride-Fluorwasserstoffschelzen (KF* xHF) in Eisen- oder Monelbehältern. Im quasi kontinuierlich durchgeführten industriellen Elektolyseprozess wird der komplex gebundene Fluorwasserstoff (HF) in Wasserstoff (H₂) und Fluor (F₂) zerlegt. Der daraus resultierende HF-Verlust wird durch kontinuierliches Einspeisen von gasförmigem HF in den Schmelze ausgeglichen. Die Einspeiserate wird über die Temperatur der Schmelze gesteuert. Das Rohfluor, dass die Elektrolysezelle verläßt, ist mehr oder weniger stark mit HF, O₂, CF₄ und perfluorierten Kohlenwasserstoffen verunreinigt und kann, wenn erforderlich, nachgreinigt werden. Die Reinigung geschieht durch Ausfrieren (HF), Absorption (HF) und Tieftemperaturdestillation.

In den Handel kommt elementares Fluor kaum (problematische Handhabung!). Handelsüblich sind aber die wesentlich sicheren Fluor-Inertgasgemische mit einem Fluorgehalt bis zu ca. 20%, die typischerweise in Druckgasflaschen an den Endabnehmer geliefert werden und großtechnisch z.B. in der Autotankherstellung eingesetzt werden.

Verbindungen

Aufgrund seiner Reaktivität bildet Fluor zahllose anorganische und organischen Verbindungen, die in sehr vielen Bereichen Anwendnung finden:

[(Fluorwasserstoff)] / * Nichtwässige Lösungsmittel
Natriumfluorid /Kaliumfluorid /Cäsiumfluorid
Fluorchlorkohlenwasserstoffe / [(CFCs)]
Pharmazeutika
Blutersatzstoffe
Krebstherapie / Chemotherapie /* [[Antivirale Mittel]
Herbizide
Insektizide
Fungizide
Kunststoffe/Teflon/ [(PVF]] / [(PVDF)]
Automobilbau
Nukleartehnologie /Uranhexafluorid
Oberflächentechnik / [(Lotuseffekt)]
Lacke/Farben
Tenside
[[Öle)]
Elektrolyse
Halbleitertechnik /Ätzgase / [[Plasmaätzen)] / [(Trockenätzen)]
Lithographie / Photolacke
Mikrotechnologie
Flüssigkristalle
Treibstoffe
Explosivstoffe
Chemische Waffen
Aminfluorid

Vorsichtsmaßnahmen

Fluor ist eine außerordentlich toxisches, stark oxidierendes und - infolge der Bildung von Fluorwasserstoff - sehr stark ätzenden Gas. Der MAK Wert von Fluor beträgt 0.1 ppm. Ein gewisser Schutz vor Fluorvergiftungen is der sehr starke und äußerst unangenehme Geruch des Gases, der schon bei einer Konzentration im ppb-Bereich deutlich wahrnehmbar ist ( Achtung: Der nicht minder gefährliche Fluorwassserstoff ist geruchlos und daher extrem gefährlich!). Langdauernde Fluor/Fluorid-Exposition - z.B. durch die langdauernden Genuß übermäßig fluorierten Wassers - zur sogenannten Fluorose führen.