Fluorwasserstoff

Fluorwasserstoff ist ein anorganisch-chemischer Stoff, der zu den Halogenwasserstoffen gehört. Bei Zimmertemperatur liegt er als farbloses, stechend riechendes, sehr giftiges Gas vor, das leichter als Luft ist. Es ist hygroskopisch und dehydratisiert viele Stoffe. In der wasserfreien Form liegt es unterhalb des Siedepunktes von 19,51 °C als rauchende Flüssigkeit vor.

Fluorwasserstoff ist in jedem Verhältnis mit Wasser mischbar und reagiert dabei sauer. Die wässrige Lösung ist als Fluorwasserstoffsäure oder Flusssäure bekannt.

Gewinnung und Darstellung

Fluorwasserstoff wird durch die Reaktion seiner Salze, den Fluoriden (Beispiel: Calciumfluorid, Flussspat), mit konzentrierter Schwefelsäure hergestellt:

$ \mathrm {CaF_{2}+H_{2}SO_{4}\rightarrow CaSO_{4}+2\ HF} $

Diese Reaktion findet auch beim Nachweis von Fluoriden mittels der Kriechprobe Anwendung.

Achtung: Aufgrund der hohen Giftigkeit von Fluorwasserstoff sollten alle Versuche, bei denen dieser auch nur in geringsten Mengen freigesetzt wird, im Abzug durchgeführt werden!

Fluorwasserstoff fällt außerdem bei der Aluminiumherstellung und beim Brennen von Ziegeln und Feinkeramik an. Weiterhin wird es bei der Verbrennung von fluorhaltigen Abfällen oder Brennstoffen wie beispielsweise Steinkohle freigesetzt.

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

• Kritische Temperatur: 188 °C^[1]
• Kritischer Druck: 6,49 MPa^[1]
• Kritische Dichte: 0,29 g·cm^−3[1]
• Molares Normvolumen: 21,7 l/mol

Chemische Eigenschaften

Das chemische Verhalten des Fluorwasserstoffs wird durch die extrem hohe Elektronegativität des Fluors geprägt, welches mit 4 (Pauling-Skala) die höchste aller Elemente aufweist. Das Fluorwasserstoffmolekül ist durch einen ausgeprägten Dipolcharakter mit starker negativer Partialladung beim Fluor gekennzeichnet. Durch Wasserstoffbrücken bilden sich Oligomere wie etwa (HF)₆. HF hat im Vergleich zu seinem höheren analogen HCl einen relativ hohen Siedepunkt von 19,5 °C; HCl siedet demgegenüber bei −85,0 °C. Dieses Phänomen ist – wie beim Wasser – auf die Wasserstoffbrücken-Bindungen zurückzuführen.

Wässrige HF-Lösung, die Flusssäure, ist eine schwache Säure; jedoch ist wasserfreier Fluorwasserstoff eine sehr starke Protonsäure und autoprotolysiert folgendermaßen:

$ \mathrm {3\ HF\ {\overrightarrow {\longleftarrow }}\ H_{2}F^{+}+HF_{2}^{-}} $

Fluorwasserstoff ätzt Silikatglas und reagiert mit anderen Silikaten zu gasförmigem Siliciumtetrafluorid:

$ \mathrm {SiO_{2}+4\ HF\ {\overrightarrow {\longleftarrow }}\ SiF_{4}+2\ H_{2}O} $

Fluorwasserstoff zeigt innerhalb der Reihe der Halogenwasserstoffe die schwächste Neigung zur Dissoziation in Wasser. Gegenüber den übrigen Halogenwasserstoffen, die vollständig dissoziieren unter Bildung von Oxonium-Ionen (H₃O⁺) und ihrer entsprechenden Gegenionen, liegt in der Flusssäure ein Gemisch verschiedener fluoridhaltiger Ionen vor.

Reiner gasförmiger Fluorwasserstoff kann in Tankwaggons aus Eisen transportiert werden, da sich die Oberfläche des Eisens mit einer Fluoridschicht überzieht, die das Material gegen weiteren Angriff passiviert. Für Ventile, Rohrleitungen und Apparaturen wird auch Monelmetall (eine Nickel-Kupfer-Legierung) verwendet. Die wässrigen Lösungen dagegen würden das Eisen aufgrund des Anlösens der Fluoridschicht tiefgreifend oxidieren. Daher wird Flusssäure in Kunststoff-Tanks transportiert.

Die Kettenstruktur von kristallinem HF

Fluorwasserstoff als Feststoff besteht aus orthorhombischen Kristallen mit Ketten, die im Zick-Zack-Muster angeordnet sind. Die HF-Moleküle haben eine H–F-Bindungslänge von 95 pm, die benachbarten Moleküle haben einen intermolekularen H–F-Abstand von 155 pm.^[7]

Verwendung

Fluorwasserstoff findet Verwendung bei der Herstellung von Fluorkohlenwasserstoffen, Aluminiumfluorid, synthetischem Kryolith (Eisstein, Na₃[AlF₆]), Uranhexafluorid, anderen Fluorverbindungen, Flusssäure, beim Herstellungsprozess von Tensiden und in der Farbstoffchemie. Bei der Elektrolyse von Fluorwasserstoff entsteht unter bestimmten Bedingungen elementares Fluor (F₂).

Fluorwasserstoff wird als Katalysator bei der Benzinherstellung, als Lösungsmittel, in der organischen Chemie für die Substitution mit Fluor und in der Tieftemperaturtechnik eingesetzt.

Biologische Bedeutung

Der Hauptaufnahmeweg für Fluorwasserstoff verläuft über die Atemwege und über die Haut. Aufgrund der hohen Hygroskopizität dürfte es nur in Extremfällen zum Einatmen von gasförmigem Fluorwasserstoff kommen, bei der aber mit nahezu vollständiger Resorption in den oberen Atemwegen zu rechnen ist. Viel häufiger tritt die Resorption von wässrigen Lösungen von Fluorwasserstoff (Fluorwasserstoffsäure oder Flusssäure) über die Haut auf. Die Haut stellt bei der Aufnahme kein Hindernis dar. Mit einer versehentlichen oralen Aufnahme ist aus physikalisch-chemischen Gründen und wegen des äußerst stechenden Geruches nicht zu rechnen. Wässrige Lösungen werden vollständig resorbiert. Der Vorgang kann durch eventuellen Mageninhalt verlangsamt werden.

Kontakt mit Fluorwasserstoff hat akut stark ätzende Wirkung auf Haut und Schleimhäute, insbesondere des Auges. Dabei muss beachtet werden, dass die Symptome mit bis zu 24 Stunden Verzögerung auftreten können. Erste Hilfe bei Hautkontakt ist die unmittelbare Behandlung mit Calciumgluconat-Gel^[8]. Durch Aufnahme in den Organismus kommt es zur erheblichen Beeinflussung biochemischer Stoffwechselvorgänge durch Enzymhemmung. Chronische Auswirkungen umfassen die Schädigung des Skeletts und der Haut, sowie Beeinträchtigung der Lungenfunktion.

Einzelnachweise