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Experimente unter Extrembedingungen

Fluorchemie Experimente unter Extrembedingungen

„Fluorchemie unter Hochdruck“: Das ist das Thema des Forschungsprojektes, für das der Marburger Chemie-Professor Florian Kraus durch die DFG für drei Jahre mit 750 000 Euro gefördert wird.

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Professor Florian Kraus hält im Fluorlabor einen Druckbehälter in der Hand, der für Fluor-Experimente verwendet wird.

Quelle: Tobias Hirsch

Marburg. „Fluor ist das ­reaktivste chemische Element: Man kann es mit allen Materialien zur Reaktion bringen“, berichtet der Marburger Chemie-Professor Florian Kraus. So könne man beispielsweise Ziegel oder Metall mithilfe von Fluor verbrennen.

Weil das chemische Element aus der Gruppe der Halogene so extrem reaktiv ist, seien die für den Umgang mit Fluor und Fluorverbindungen (Fluoriden) Arbeitstechniken ganz anders als bei anderen chemischen Elementen. „Das ist eine eigene Welt in der Chemie“, macht Kraus deutlich.

Auf die Spur der Fluorchemie hat sich der Chemiker bereits seit 2006 begeben. So erforschte er schon in seiner Zeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Technischen Universität München die in den 80er-Jahren entdeckte Stoffklasse der Nitride, die als Bestandteile von Leuchtstoffen in LED-Lampen  verwendet wurden.

Dabei ging es um die Herstellung von Nitriden mit einer neuen Methode unter milderen Bedingungen als bisher bei 1 000 Grad. Die Idee war, das dafür benötigte Ammoniak mit Fluoriden (Fluorverbindungen) bei einer Temperatur zwischen minus 80 Grad und 40 Grad zur Reaktion zu bringen. Nach mehreren Jahren gab es schließlich die ersten Erfolge in den Experimenten. Mehrere Hundert Millionen Tonnen Chemikalien werden weltweit jedes Jahr hergestellt. Um in Produktion, Lagerung oder Transport größtmögliche Sicherheit zu gewährleisten, ist fundiertes Wissen über das Verhalten der jeweiligen Stoffe in unterschiedlichen Situationen entscheidend.

„Für Fluor ist dies allerdings noch nicht abschließend gesichert“, betont Kraus. „Fluor und seine Verbindungen zeigen einzigartige und hervorragende Eigenschaften und bieten daher zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, auch in unserem Alltag, beispielsweise in Medikamenten, Kleidungsstücken und Schmiermitteln. Doch ist noch nicht ausreichend erforscht, wie das Element Fluor unter extremen Bedingungen reagiert“, sagt Kraus. Was passiert beispielsweise bei sehr hohen Temperaturen wie bei einem Brand?

Stabile Oxidationsmittel

Kraus hat sich derzeit mehr der Festkörper-Fluorchemie zugewandt. Dabei geht es beispielsweise um Verbindungen von Bromtrifluorid – Verbindungen aus den chemischen Elementen Brom und Fluor, die als stabile Oxidationsmittel eventuell wesentlich umweltfreundlicher bei Recyclingprozessen sein könnten, bei denen Platin aus Alt-Handys oder Elektronikschrott zurückgewonnen wird.

Aber auch das Chlortrifluorod, das bisher fast ausschließlich für die Forschung vor allem als Bestandteile von chemischen Kampfstoffen oder Oxidationsmittel in Raketentreibstoffen Verwendung fand, interessiert den Forscher. „Was können diese Verbindungen noch, außer alles zu verbrennen und kaputtzumachen“, will Kraus fragen. Klar sei auf jeden Fall, dass man mit Hitze in Kombination mit Hochdruck einzigartige Verbindungen herstellen könne.

Der Wissenschaftler vom Fachbereich Chemie der Uni Marburg wird im Reinhart-Koselleck-Projekt „Fluorchemie unter Hochdruck“ das Verhalten des chemischen Elements in Extremsituationen analysieren (siehe Artikel unten). Im Marburger Forschungsprojekt soll vorrangig untersucht werden, wie Fluor und fluorbasierte Oxidationsmittel bei extremem Druck und bei sehr hohen Temperaturen oberhalb von 400 Grad Celsius reagieren. Ein Ansatzpunkt ist dabei der mögliche hohe Anwendungsbezug  der Experimente, beispielsweise was Transportsicherheit oder Brandschutz betrifft.

In Spezialbehältern gelagert

Denn obwohl Fluor und ­fluorbasierte Oxidationsmittel in großen Mengen in Spezialbehältern gelagert und transportiert werden, sei praktisch nichts über ihr Verhalten in solch extremen Situationen bekannt, sagt Kraus. Die Ergebnisse der Marburger Forscher könnten dazu beitragen, noch sicherere Materialien für die Hüllen der Transporter und Behälter zu entwickeln. Gleichzeitig geht es den Marburger Chemikern aber auch um reinste Grundlagenforschung.

Die im Antrag beschriebenen Einzelvorhaben haben im Erfolgsfall das Potenzial, Meilensteine in der anorganischen Chemie darzustellen, so Kraus. So erhoffen sich die Chemiker bei den Experimenten unter Extrembedingungen beispielsweise, viele neue ungewöhnliche Verbindungen herzustellen. Im optimalen Falle könne man diese Fluoride dann wieder nutzbringend für die Synthese von anderen Verbindungen einsetzen, erläutert  Kraus.

von Manfred Hitzeroth

Substanzen werden in Spezialbehältern erhitzt

Für die Erforschung des Verhaltens der Fluorverbindungen unter extremen Temperatur- und Druckbedingungen werden teure Spezialapparaturen benötigt.

Für die Experimente, von Professor Florian Kraus und seiner Arbeitsgruppe am Fachbereich Chemie der Marburger Universität werden spezielle Druckbehälter (Autoklaven) benötigt. Deren Anfertigung kostet pro Exemplar bis zwischen 5 000 und 10 000 Euro.

Die flaschenförmigen Röhren mit einem Gewicht von fünf Kilogramm sind aus einem Spezialmaterial hergestellt und extrem druckbeständig. Schon beim Bau dieser Druckbehälter ist Spezialwissen gefragt. Für den Aufbau der Versuchsanordnung ist ein Chemie-Ingenieur mit Erfahrung im Umgang mit gefährlichen Stoffen zuständig.

Im Inneren der hermetisch abgedichteten Spezialbehälter werden Fluoride in Pulverform in einer Menge von wenigen Milligramm bei extremen Drücken von bis zu 4 000 bar auf Temperaturen von mehr als 400 Grad, aber höchstens 600 Grad erhitzt. Für das Team von Kraus ist es spannend zu sehen, was mit dem Versuchsmaterial passiert.

Dabei können sie das Ergebnis erst nach dem Ende des Experimentes auswerten, weil die Erhitzung der Substanzen in dem nicht einsehbaren Druckbehälter geschieht. Dieser ist zudem in einem speziellen Autoklavenraum im Mehrzweckgebäude der Chemie stationiert.

Vor allem die geringe Menge der verwendeten Substanz sowie das Sicherheitsmaterial der dicken Schutzhülle der Spezialapparatur sollen ausschließen, dass es zu Explosionen oder Unfällen kommen könne, betont Kraus. Das Marburger Forschungsvorhaben wird als Reinhart-Koselleck-Projekt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Mit der Fördersumme von 750 000 Euro wird einerseits eine Postdoktorandenstelle finanziert. Zudem wird das Geld für die Anschaffung eines speziellen Spektrometers verwendet, das für die Charakterisierung chemischer Verbindungen benötigt wird. Des Weiteren werden die Materialkosten für den Bau der notwendigen Apparaturen zur Verfügung gestellt, die ein sicheres Arbeiten mit Fluor und Halogenfluoriden ermöglichen. „Diese Förderung ermöglicht uns unter anderem entsprechende Apparaturen anzuschaffen und spezielle Räume an der Universität auszustatten“, freut sich Professor Kraus.

Die DFG begutachtete die Arbeitsgruppe von Kraus als außerordentlich geeignet. „Für die geplanten Untersuchungen ist ein hohes Maß an Erfahrung im Umgang mit Druckreaktionen notwendig. Wir sind eine der wenigen Arbeitsgruppen weltweit, die entsprechende Kompetenzen haben“, erläutert Kraus. Bei den Koselleck-Projekten erhalten Wissenschaftler die Chance zu „in hohem Maße innovativen und im positiven Sinne risikobehafteten Projekten“.

Dabei betont der Marburger Spezialist für ­Fluorchemie, dass es nicht darum gehe, dass die  Experimente mit einem hohen Risiko für die beteiligten Wissenschaftler verbunden seien.  Stattdessen sei gemeint, dass die Forscher viel Mut zum Risiko benötigen würden. „Wir zweifeln Lehrbuchwissen an und wollen es durchbrechen“, meint Kraus. Selbst wenn die Experimente keine auf den ersten Blick greifbaren Ergebnisse hätten, dann hätten die Forscher zumindest abgesichert, dass der eingeschlagene Weg eine Sackgasse darstellen würde.

von Manfred Hitzeroth

 
Hintergrund

Fluor ist ein Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol F. Das giftige, farblose, blassgelbe Gas  ist das elektronegativste und reaktivste aller Elemente. Sein Name leitet sich von dem lateinischen Begriff „fluor“ (Fluss) ab und weist auf das wichtigste natürlich vorkommende Fluormineral, den Flussspat, hin.

Das Element Fluor gehört zur Gruppe der Halogene, und es kommt aufgrund seiner hohen Reaktivität in freier Form in der Natur nicht vor. Unter natürlichen Bedingungen tritt es fast nur in Form von Fluorverbindungen (Fluoriden) auf. Fluor wurde in Form seines Calciumsalzes (Flussspat) bereits im Jahr 1530 von Georgius Agricola beschrieben und bereits 1556 als Hilfsmittel beim Schmelzen von Erzen erwähnt.

Im Jahre 1886 gelang es dem französischen Wissenschaftler Henri Moissan zum ersten Mal, bei minus 55 Grad durch die elektrische Zersetzung einer Lösung von Kaliumfluorid in flüssigem Fluorwasserstoff reines Fluor herzustellen. Industriell werden Fluoride mithilfe des Ersatzes von Fluor für Chlor in zahlreichen Anwendungsgebieten verwendet, so in der Halbleitertechnologie bei Pharmazeutika oder Insektiziden. Fluoride und diverse Fluorokomplexsalze sind bei genügend hoher Konzentration zwar ebenfalls giftig, können aber in Spurenmengen zur Prophylaxe von Zahnkaries verabreicht werden. Zu diesem Zweck dient auch das fluoridierte Speisesalz.

 
Zur Person
Professor Florian Kraus (40) stammt aus Passau. Von 1998 bis 2003 studierte er Chemie an den Universitäten in Regensburg, Hamburg und San Diego (USA). 2005 erfolgte seine Dissertation, und 2011 habilitierte er sich an der TU München mit einer Arbeit aus der Sparte der Fluorchemie. Von 2014 bis 2017 war Kraus als Heisenberg-Professor für das Fach Anorganische Chemie mit dem Spezialgebiet Fluorchemie an der Marburger Universität tätig. Dort ist Kraus seit 2017 Professor. Seine Forschungsschwerpunkte liegen in der Fluorchemie sowie in der Uran- und Thoriumchemie.
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