Fluor

Fluor – Chemie

Du weißt bestimmt schon, dass Fluor als das reaktivste aller Elemente gilt. Im folgenden Text erfährst du, warum das so ist und welche weiteren Eigenschaften sich daraus ergeben. Du lernst, wo Fluor im Periodensystem der Elemente (PSE) zu finden ist, erfährst etwas über sein Vorkommen auf der Erde und welche zahlreichen Verbindungen mit Fluor aus unserer heutigen Welt nicht mehr wegzudenken sind. Zum besseren Verständnis solltest du an Vorkenntnissen ein grundlegendes Wissen über Basen, Säuren und Salze mitbringen.

Fluor – Geschichte

Verschiedene fluorhaltige Verbindungen sind schon seit langer Zeit bekannt. So wusste man beispielsweise bereits um 1556 n. Chr., dass das Mineral Flussspat den Schmelzpunkt von Erzen herabsetzt, es also als sogenanntes Flussmittel eingesetzt werden kann. Daher wurde auch der Beiname für dieses Mineral Fluorit aus dem Lateinischen von fluor für Fluss, das Fließen gewählt.
Bis man allerdings das chemische Element Fluor aus seiner Verbindung isolieren konnte, verging noch sehr viel Zeit, da Fluor so reaktiv ist, dass es sich nur äußerst schwer seinen Verbindungspartnern entreißen lässt. Dies gelang Henri Moissan erst 1886 n. Chr. und war so bedeutend, dass Moissan dafür 1906 n. Chr. sogar den Nobelpreis im Fach Chemie erhielt.

Fluor – Stellung im PSE, Eigenschaften und Verbindungen

Wir finden das Element Fluor im PSE unter dem Symbol $\ce{F}$ in der VII. Hauptgruppe (Halogene) und der 2. Periode. Fluor hat die Ordnungszahl 9 und besitzt dementsprechend jeweils neun Protonen und Elektronen. Seine äußerste Schale ist nach Hauptgruppennummer mit sieben Außenelektronen besetzt. Wie die anderen Elemente der VII. Hauptgruppe benötigt es somit nur ein weiteres Elektron, um die stabile Edelgaskonfiguration zu erreichen. Dies ist ein Grund für die hohe Reaktivität von Fluor und seinen Hauptgruppennachbarn Chlor ($\ce{Cl}$), Brom ($\ce{Br}$), Jod ($\ce{I}$) sowie Astat ($\ce{At}$). Bei Raumbedingungen liegt Fluor gasförmig als Molekül ($\ce{F2}$) vor. Nachfolgend findest du weitere wichtige Eigenschaften des Fluors zusammengefasst.

Fluor – Steckbrief

• Stechend riechendes, ätzendes, blassgelbes Gas
• Brandfördernd
• Nichtmetall
• Schmelzpunkt: $\pu{- 220 °C}$
• Siedepunkt: $\pu{- 180 °C}$
• Dichte: $\pu{1,7 g//cm3}$
• Elektronegativität: $\pu{4,0}$ (höchster Wert)
• Oxidationszahl: $\pu{- I}$
• Löst sich nicht in $\ce{H2O}$, sondern reagiert damit
• Reagiert mit allen Elementen außer Helium ($\ce{He}$) und Neon ($\ce{Ne}$)
• Sehr starkes Oxidationsmittel

Besonders aufgrund seiner ätzenden als auch brandfördernden Eigenschaften ist Fluor ein gefährlicher Stoff. Im Umgang mit Fluor sind demnach Schutzmaßnahmen einzuhalten.

Fluor – Verbindungen

Wir haben schon gelernt, dass Fluor ein extrem reaktives Element ist. Daher gibt es auch unzählige Fluorverbindungen:

• Mit $\ce{H2}$ reagiert es zu Fluorwasserstoff ($\ce{HF}$).
• Mit Metallen/Halbmetallen werden Fluoride gebildet ($\ce{FeF3}$, $\ce{CuF2}$, $\ce{NiF2}$, $\ce{SiF4}$ und $\ce{SF6}$).
• Mit Kohlenstoff werden organische Fluoride gebildet ($\ce{CF4}$).
• Mit Edelgasen (außer Helium und Neon) werden Edelgasfluoride ($\ce{XeF2}$, $\ce{KrF2}$ und $\ce{ArF}$) gebildet.

Fluor – Vorkommen

Die Häufigkeit von Fluor in der Erdkruste beträgt 525 ppm (parts per million). Aufgrund seiner hohen Reaktivität finden wir Fluor jedoch nicht als reines Element, sondern immer gebunden vor. Die häufigste – und namensgebende – Verbindung ist dabei das Mineral Fluorit, auch Flussspat genannt, mit der chemischen Formel $\ce{CaF2}$.

Weitere fluorhaltige Minerale sind Fluorapatit ($\ce{Ca5[F|(PO4)3]}$) und der äußerst seltene Kryolith ($\ce{Na3AlF6}$).

Fluor – Herstellung und Verwendung

Fluor ist ein hochreaktives und sehr gefährliches Element. Daher stellen seine Herstellung sowie generell das Arbeiten mit Fluorverbindungen eine große Herausforderung dar, die unter besonderen Schutzmaßnahmen zu erfolgen haben.

Technische Gewinnung von Fluor

Fluor wird vor allem aus Fluorit gewonnen. Dabei wird in einem ersten Schritt mithilfe von konzentrierter Schwefelsäure Fluorwasserstoff hergestellt.

$\ce{CaF2 + H2SO4 -> CaSO4 + 2HF}$

Fluorwasserstoff dient dann bereits als Ausgangsstoff für die weitere Nutzung. Wird reines Fluor benötigt, muss dieses noch durch weitere aufwendige Verfahren (z. B. Schmelzflusselektrolyse) abgespalten werden. Dabei wird aus einer Mischung aus Kaliumfluorid ($\ce{KF}$) und Fluorwasserstoff ($\ce{HF}$) über eine Anodenreaktion molekulares Fluor ($\ce{F2}$) sowie Wasserstoff ($\ce{H2}$) erzeugt.
Die Aufbewahrung von Fluorverbindungen geschieht meist in Metallcontainern (bis $\pu{200 °C}$ Eisen, darüber hinaus Nickel). Dabei werden über den Prozess der Passivierung Fluoride gebildet, die dann eine schützende Schicht aufbauen und demzufolge eine weitere Reaktion mit den Metallcontainern verhindern.

Verwendung von Fluor

Fluor tritt in zahlreichen Verbindungen auf und so zahlreich sind auch deren Einsatzmöglichkeiten, wie z. B. in der Analytik, Erdölindustrie, Halbleiterproduktion, Urananreicherung ($\ce{UF6}$), als Isolatorgas ($\ce{SF6}$) in der Starkstromverteilung oder beim Ätzen von Glas. Auch kennst du sicherlich die Bezeichnung Teflon. Dahinter verbirgt sich die chemische Verbindung Polytetrafluorethen, die hervorragende Antihafteigenschaften besitzt. Allerdings solltest du deine mit Teflon beschichtete Pfanne nie überhitzen ($\pu{< 360 °C}$), da sich Teflon dann zersetzt und giftige, fluorhaltige Gase freigesetzt werden.
Einige weitere Anwendungen sind folgende:

Supersäuren
Viele fluorhaltige Säuren zählen zu den Supersäuren, da sie eine sehr hohe Säurestärke (höher als konzentrierte Schwefelsäure) besitzen – sie sind gute Protonenlieferanten und sehr gut für organische Synthesen geeignet. Beispiele für Supersäuren sind: Tetrafluoroborsäure $\ce{HBF4}$, Hexafluorophosphorsäure $\ce{HPF6}$, Hexafluoroantimonsäure $\ce{HSbF6}$ (sehr stark), der Carborankomplex oder die sogenannte Magische Säure $\ce{FSO3H*SbF5}$, eine Mischung aus Fluorsulfonsäure und Antimon(V)‑fluorid.

Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs)
Früher war der Einsatz von Fluorchlorkohlenwasserstoffen, kurz FCKWs, weit verbreitet. Diese Verbindungen nehmen beim Verdampfen eine große Wärmemenge auf und eignen sich daher gut als Kühlmittel. Da sie jedoch sehr reaktionsträge sind, verbleiben sie lange in der Atmosphäre und gelangen dort in höhere Bereiche. Die starke UV-Strahlung führt dann zum Zerlegen der Verbindungen in Chlor- und Fluorradikale, die in großem Maße die uns schützende Ozonschicht zerstören. Abgesehen davon sind FCKWs auch sehr starke Treibhausgase. Daher ist der Einsatz von FCKWs mittlerweile in den meisten Ländern verboten.

Medizinische Bedeutung
In der Zahnmedizin wird Fluor zum Schutz vor Karies eingesetzt. Dabei nutzt man gleich zwei verschiedene Wirkmechanismen. Zähne (und Knochen) bestehen zu einem großen Anteil aus dem Mineral Hydroxylapatit ($\ce{Ca5[OH|(PO4)3]}$), das sehr leicht von Säuren angegriffen werden kann. Beim Fluoridieren der Zähne mit z. B. Natriumfluorid ($\ce{NaF}$) kann die Hydroxylgruppe des Hydroxylapatits durch Fluor ersetzt werden und so den Zahnschmelz remineralisieren, der dann eine größere Resistenz gegenüber Säuren hat. Darüber hinaus hemmt Fluorid auch das Wachstum von Karies verursachenden Bakterien und bietet so einen weiteren Schutz.

In der Krebsdiagnostik wird das Isotop $\ce{^18F}$ für die sogenannte Positronenemissionstomografie (PET) eingesetzt. Diese macht Stoffwechselvorgänge im Körper sichtbar und erkennt vor allem Gewebe mit einem erhöhten Zuckerverbrauch, was auf Krebszellen schließen lässt. Dabei wird die Verbindung Fluordesoxyglucose eingenommen, die sich vorwiegend in Tumorgewebe anreichert. Das enthaltene radioaktive $\ce{^18F}$ zerfällt dann dort sehr schnell (Halbwertszeit $110$ Minuten) zu $\ce{^18O}$, wobei Positronen emittiert und detektiert werden können.

Fluor – Bedeutung

Fluor und viele seiner Verbindungen sind sehr gefährlich und umwelt- bzw. gesundheitsschädlich. Dennoch hat Fluor eine sehr große Bedeutung und ist für etliche chemische und technische Prozesse unerlässlich geworden.

Dieses Video

In diesem Video geht es um das chemische Element Fluor. Dazu werden die wichtigsten Aspekte des Elements wie seine Entdeckung, sein mineralisches Vorkommen, seine Stellung im PSE sowie seine Herstellung und Eigenschaften beschrieben. Außerdem erfährst du etwas über die spezifischen Reaktionen, die das Fluor zu einem besonderen Element machen, das sogar mit Edelgasen reagieren kann. Du erfährst, was FCKWs und Supersäuren sind, und lernst weitere Anwendungsmöglichkeiten von Fluor kennen.