Fluorchlorkohlenwasserstoffe

Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), chemische Nomenklatur nach IUPAC: Chlorfluorkohlenwasserstoffe, 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. FCKW, die nur Einfachbindungen enthalten, nennt man gesättigte FCKW. Ist in der Verbindung kein Wasserstoff mehr enthalten, so nennt man sie Chlorfluorkohlenstoffe. Im Laufe der 70er und 80er Jahre des 20. Jh. stellte sich heraus, dass die Freisetzung von FCKW in die Atmosphäre in erheblichem Maße für den Abbau der Ozonschicht in der Stratosphäre (Ozonloch) verantwortlich ist, weshalb der Einsatz von FCKW heute in vielen Anwendungsbereichen verboten ist.

Unter H-FCKW versteht man teilhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe, deren Wasserstoffatome nur teilweise durch Chlor- und Fluoratome ersetzt sind. Sie besitzen ein weitaus geringeres Ozonabbaupotenzial als die FCKW, ihr Treibhauspotenzial liegt ebenfalls weit unter dem der FCKW. Zudem werden die H-FCKW schon in der Troposphäre abgebaut und gelangen nur teilweise in die Stratosphäre.

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Eigenschaften

FCKW sind sehr beständig, unbrennbar, geruchlos, durchsichtig und 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. Sie steigen deshalb bis in die Stratosphäre auf und werden dort von den UV-Strahlen zerlegt. Dabei werden Chlor- bzw. Fluor-Radikale freigesetzt, welche mit dem Ozon der Ozonschicht reagieren und diese schädigen.

Herstellung^[1]

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 Chloralkane 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:

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

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 Kohlenwasserstoffe 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 FCKW technisch hergestellt und zunehmend als Kältemittel in Kältemaschinen, als Treibgas für Sprühdosen, als Treibmittel für Schaumstoffe, als Reinigungs- und Lösungsmittel eingesetzt. Der Einsatz als Kältemittel in Kühlschränken ist seit 1995 verboten, da FCKW zur Zerstörung der Ozonschicht beitragen.

Bromhaltige FCKW werden als Feuerlöschmittel eingesetzt und werden auch als Halon bezeichnet.

Vor dem Einsatz von FCKW wurde erstmals 1974 gewarnt, doch dies wurde nicht ernst genommen. Die Entdeckung des Ozonlochs 1985 sorgte für einen Meinungswandel. Im Montrealer Protokoll vom 16. September 1987 verpflichteten sich viele Staaten zur drastischen Reduktion der Herstellung von FCKW. Am 29. Juni 1990 beschloss die internationale Konferenz zum Schutz der Ozonschicht in London, die Herstellung und Anwendung von CFK und FCKW ab dem Jahr 2000 zu verbieten oder zumindest stark einzuschränken. Die Einigung sah vor, den 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 bis 180 Jahre).

Die wichtigsten Kältemittel:

Umwelteinfluss^[1]

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

Dabei meint ein Photon geeigneter Energie, und Cl ^* ein Chloridradikal.

Das Chloridradikal baut Ozon zu bimolekularen Sauerstoff ab. Das an dem Sauerstoff gebundene Chlor wird wieder frei, wobei bimolekulares Chlor entsteht. Durch ein Photon geeigneter Energie werden daraus wieder Chlorradikale freigesetzt , wodurch der Zyklus von vorn beginnen kann:

Dadurch 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 tragen zur globalen Erwärmung bei.

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 Kältemitteln bieten sich Propan, Butan, Pentan, Ammoniak oder Kohlendioxid als Alternativen an, wobei zu beachten ist, dass die ersten drei Substanzen feuergefährlich, Ammoniak ätzend und giftig ist.

Markennamen und Notation

Freon ist der Markenname von DuPont, Frigen der von Hoechst und Solkane der von Solvay verwendete Name.

Analog zur Halon-Notation gilt die folgende Bezeichnungsweise für Freone:

• R DKHF
  • [D] steht für die Anzahl der Doppelbindungen
  • [K] steht für die Anzahl der Kohlenstoff-Atome, um eins erniedrigt
  • [H] steht für die Anzahl der Wasserstoff-Atome, um eins erhöht
  • [F] steht für die Anzahl der Fluor-Atome
• [R] stammt vom englischen Wort für Kühlmittel (Refrigerant)

Wird das Freon nicht als Kältemittel sondern z. B. als Treibmittel verwendet, wurde das R oft durch das Wort Freon ersetzt.

Um von der Freon-Bezeichnung auf die Formel zu schließen, kann man folgendermaßen vorgehen: Man muss zu der Freon-Nummer die Zahl 90 hinzuzählen. In der daraus sich ergebenden Summe steht die erste Zahl für die Zahl der C-Atome, die zweite Zahl für die Zahl der H-Atome, die dritte Zahl für die Zahl der F-Atome. Die restlichen Bindungsplätze sind mit Cl-Atomen abgesättigt.

Beispiel: R22: 22 + 90 = 112 -> 1 C-Atom, 1 H-Atom, 2 F-Atome, 1 Cl-Atom -> CHClF₂

Hat eine der Zahlen den Wert Null, wird sie bei vorgestellten Werten weggelassen. Die restlichen Bindungsplätze an den Kohlenstoffatomen sind durch Chloratome besetzt.

Beispielsweise für R11, CCl₃F:

• Es ist keine Doppelbindung vorhanden, also ist D=0.
• Ferner ist die Anzahl der Kohlenstoffatome um eins erniedrigt (=K) auch 0.
• H=1, da kein Wasserstoffatom=0 um eins erhöht 1 ergibt.
• F=1 ist die Anzahl der Fluoratome im Molekül.

Also lautet die Bezeichnung: R11.

Freone haben üblicherweise ein (K=0) oder zwei (K=1) Kohlenstoffatome. Falls K größer ist als 1, liegt kein Reinstoff, sondern eine Mischung von Freonen vor. Die Zusammensetzung einer solchen Mischung geht nicht direkt aus der Ziffernfolge hervor. Beispielsweise ist R502 eine Mischung aus R22 und R115 zu etwa gleichen Teilen.

Freone mit anderen Halogenen: Wenn das Freon noch ein anderes Halogen als Fluor und Chlor enthält, wird seine Abkürzung, ein Buchstabe, und die Zahl der Atome angefügt wie z. B. bei R13B1.

• R13B1: 13 + 90 = 103 + 1 Bromatom -> 1 C-Atom, 0 H-Atom, 3 F-Atome, 1 Br-Atom -> CBrF₃

Quellen

1. ↑ ^{a b} H. Beyer, W. Walter, Fluorierte Kohlenwasserstoffe. Lehrbuch der organischen Chemie, 22. Auflage, 1991, Hirzel Verlag, Stuttgart, S. 138ff