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Graphitfluorid CFx ist eine nicht stöchiometrische feste Fluorkohlenstoffverbindung in der x Werte zwischen 0 und 1 24 a

Graphitfluorid

Graphitfluorid, CFx ist eine nicht stöchiometrische, feste Fluorkohlenstoffverbindung, in der x Werte zwischen 0 und 1,24 annehmen kann. In Abhängigkeit vom Fluorgehalt erscheint Graphitfluorid schwarz (x ≤ 0,9), braungrau (0,9 < x ≤ 1,0) oder creme-weiß (x > 1,0). Graphitfluorid wurde erstmals in den 1930er Jahren von Otto Ruff und Bretschneider durch Reaktion von Aktivkohle oder Graphit mit Fluor bei erhöhter Temperatur synthetisiert.

Strukturformel
Allgemeines
Name Graphitfluorid
Summenformel CFx
Externe Identifikatoren/Datenbanken
Eigenschaften
Molare Masse 31,01 g·mol−1 für x=1
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung

Achtung

H- und P-Sätze H: 315​‐​319​‐​335
P: ?
Toxikologische Daten

4000 mg·kg−1 (LD50, Maus, oral)

Thermodynamische Eigenschaften
ΔHf0

(−178,029·x + 4,519) kJ·mol−1

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Darstellung Bearbeiten

Graphitfluorid kann durch Reaktion von geordnetem Kohlenstoff, wie z. B. Graphit, aber auch von ungeordneten Substraten nach Wärmebehandlung wie z. B. Pyrolysekoks und selbst Flammruß mit Fluor im Temperaturbereich von 400 bis 700 °C erzeugt werden. Grundsätzlich liefert ein hochgeordnetes Material wie Graphit stets einen höheren Anteil an Graphitfluorid als z. B. ein "graphitierter" Flammruß, bei welchem der Anteil flüchtiger Fluorkohlenstoffe, wie z. B. Tetrafluormethan, CF4 dominiert. Bei höheren Temperaturen (ab 700 °C) werden ausschließlich flüchtige Fluorkohlenstoffverbindungen gebildet.

Struktur Bearbeiten

Bei der Fluorierung des Graphits bleibt dessen Schichtstruktur grundsätzlich erhalten. Allerdings wird der Abstand der Kohlenstoffschichten je nach Präparationsart und Zusammensetzung des Graphitfluorids durch Ausbildung der tertiären C–F-Einheiten und deren starker elektrostatischer Abstoßung signifikant von 335 pm bei Graphit auf bis zu 580 – 615 pm aufgeweitet. Der Aufbau der Schichten ist allerdings turbostratisch, d. h. aufeinanderliegende Schichten sind zwar parallel, nehmen aber zueinander keine Vorzugsorientierung ein. Die einzelnen C6F6-Elemente der Schichten liegen in einer Sesselkonformation mit jeweils axial stehenden Fluoratomen vor, wie in der obigen Strukturformel abgebildet. Im Gegensatz zu Graphitfluorid, das eine Fluorkohlenstoffverbindung mit kovalenten C-F-Bindungen darstellt, können durch Reaktion von Fluor mit z. B. Kohlenstoff bei niedrigen Temperaturen auch verschiedenste Graphit-Fluor-Interkalationsverbindungen der allgemeinen Zusammensetzung, CyF mit y = 2–10, erzeugt werden.

Eigenschaften Bearbeiten

Im Gegensatz zum anisotropen elektrischen Leiter Graphit ist dessen Reaktionsprodukt Graphitfluorid, mit der idealen Stöchiometrie CF, ein Isolator. Bei einem Fluorierungsgrad unterhalb x = 0,9 leitet Graphitfluorid den elektrischen Strom ebenso wie Graphit. Graphitfluorid ist ein superhydrophobes Material und zeigt mit Wasser einen Kontaktwinkel von 143°, während Polytetrafluorethylen zum Vergleich einen Kontaktwinkel von 109° liefert. Graphitfluorid mit Stöchiometrien zwischen x = 0,61 – 1,12 zeigt hervorragende Schmiereigenschaften speziell im hohen Temperaturbereich, die weder von Molybdänsulfid noch von Graphit erreicht werden. Graphitfluorid zersetzt sich bei Temperaturen ab 600 °C im Wesentlichen unter Dismutation zu Difluorcarben, Tetrafluorethen und Blähgraphit.

Verwendung Bearbeiten

Graphitfluorid wird heute hauptsächlich als kathodischer Depolarisator in der Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie verwendet. Es beschleunigt den Ausbrand von Bor in Festtreibstoffzusammensetzungen durch wirksame Entfernung der Oxidschicht unter Bildung von Kohlenmonoxid und Bortrifluorid. Darüber hinaus ist es ein sehr energiereiches Oxidationsmittel in Infrarot-Täuschkörpern und luftatmenden Antrieben. Bei der exothermen Reaktion von Graphitfluorid mit Reduktionsmitteln werden unter anderem auch nanostrukturierte Reaktionsprodukte wie z. B. SiC-Fasern und Kohlenstoffnanotubes gebildet. In heißem Sulfolan (50 °C) dispergiertes Graphitfluorid liefert durch Ultraschall-induzierte Exfoliation Graphenfluorid.

Quellen Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Vorlage:CL Inventory/nicht harmonisiertFür diesen Stoff liegt noch keine harmonisierte Einstufung vor. Wiedergegeben ist eine von einer Selbsteinstufung durch Inverkehrbringer abgeleitete Kennzeichnung von Carbon fluoride im Classification and Labelling Inventory der Europäischen Chemikalienagentur (ECHA), abgerufen am 26. Mai 2020.
  2. Datenblatt Graphitfluorid bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 13. Juni 2011 (PDF).Vorlage:Sigma-Aldrich/Name nicht angegeben
  3. ↑ P. Kamarchik Jr., J. L. Margrave, Poly(carbon monofluoride): A Solid, Layered Fluorocarbon, Acc. Chem. Res., 11, 1978, 296. doi:10.1021/ar50128a002
  4. O. Ruff, O. Bretschneider, Die Reaktionsprodukte der verschiedenen Kohlenstoffformen mit Fluor II (Kohlenstoff-monofluorid), Z. anorg. allg. Chem., 217, 1934, 1. doi:10.1002/zaac.19342170102
  5. ↑ T. Nakajima., N. Watanabe, Graphite Fluorides and Carbon-Fluorine Compounds, CRC Press, Boca Raton, 1990
  6. ↑ A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 101. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9.
  7. M. S. Dresselhaus, M. Endo, J.-P. Issi, Physical Properties of Fluorine- and Fluoride-Graphite Intercalation Compounds, in T. Nakajima (Ed.), Fluorine-Carbon and Fluoride Carbon Materials, Marcel Dekker, New York, 1995, 95
  8. N. Watanabe, S. Koyama, H. Imoto, Thermal Decomposition of Graphite Fluoride. I. Decomposition Products of Graphite Fluoride, (CF)n in a Vacuum, Bull. Chem. Soc. Jpn., 53 1980, 2731. doi:10.1246/bcsj.53.2731
  9. Gong Chen, Zhongning Shi, Jiangyu Yu, Zhaowen Wang, Junli Xu, Bingliang Gao, Xianwei Hua: Kinetic analysis of the non-isothermal decomposition of carbon monofluoride, Thermochim. Acta, 589, 2014, 63–69, doi:10.1016/j.tca.2014.05.002
  10. T.-K. Liu, I.-M. Shyu, Y.-S. Hsia, Effect of Fluorinated Graphite on Combustion of Boron and Boron-Based Fuel-Rich Propellants, J. Propul. Power, 12, 1996, 26. doi:10.2514/3.23986
  11. Patent US6635130B2: Pyrotechnic composition for producing IR-radiation. Angemeldet am 10. Januar 2003, veröffentlicht am 21. Oktober 2003, Anmelder: Diehl Munitionssysteme GmbH, Erfinder: Ernst-Christian Koch.‌
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  13. Patent US6736912B1: Combustible compositions for air-augmented rocket engines. Angemeldet am 24. März 1977, veröffentlicht am 18. Mai 2004, Erfinder: Jerry L. Fields, James D. Martin.‌
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  15. Patent DE10122750B4: Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffallotropen und deren Intercalaten bzw. Endohedralverbindungen. Angemeldet am 10. Mai 2001, veröffentlicht am 10. April 2008, Anmelder: Diehl Stiftung & Co KG, Erfinder: Ernst-Christian Koch.‌
  16. Radek Zborˇil, Frantisˇek Karlicky´, Athanasios B. Bourlinos, Theodore A. Steriotis, Athanasios K. Stubos, Vasilios Georgakilas, Klára Sˇafárˇová, Dalibor Jancˇík, Christos Trapalis, and Michal Otyepka, Graphene Fluoride: A Stable Stoichiometric Graphene Derivative and its Chemical Conversion to Graphene, Small, 6: 2885–2891. doi:10.1002/smll.201001401
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Veröffentlichungsdatum:
Graphitfluorid CFx ist eine nicht stochiometrische feste Fluorkohlenstoffverbindung in der x Werte zwischen 0 und 1 24 annehmen kann 3 In Abhangigkeit vom Fluorgehalt erscheint Graphitfluorid schwarz x 0 9 braungrau 0 9 lt x 1 0 oder creme weiss x gt 1 0 Graphitfluorid wurde erstmals in den 1930er Jahren von Otto Ruff und Bretschneider durch Reaktion von Aktivkohle oder Graphit mit Fluor bei erhohter Temperatur synthetisiert 4 StrukturformelAllgemeinesName GraphitfluoridSummenformel CFxExterne Identifikatoren DatenbankenCAS Nummer 51311 17 2EG Nummer 257 131 3ECHA InfoCard 100 051 920PubChem 6365488Wikidata Q947047EigenschaftenMolare Masse 31 01 g mol 1 fur x 1SicherheitshinweiseGHS Gefahrstoffkennzeichnung 1 AchtungH und P Satze H 315 319 335P Toxikologische Daten 4000 mg kg 1 LD50 Maus oral 2 Thermodynamische EigenschaftenDHf0 178 029 x 4 519 kJ mol 1 3 Soweit moglich und gebrauchlich werden SI Einheiten verwendet Wenn nicht anders vermerkt gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen Inhaltsverzeichnis 1 Darstellung 2 Struktur 3 Eigenschaften 4 Verwendung 5 Quellen 6 EinzelnachweiseDarstellung BearbeitenGraphitfluorid kann durch Reaktion von geordnetem Kohlenstoff wie z B Graphit aber auch von ungeordneten Substraten nach Warmebehandlung wie z B Pyrolysekoks und selbst Flammruss mit Fluor im Temperaturbereich von 400 bis 700 C erzeugt werden Grundsatzlich liefert ein hochgeordnetes Material wie Graphit stets einen hoheren Anteil an Graphitfluorid als z B ein graphitierter Flammruss bei welchem der Anteil fluchtiger Fluorkohlenstoffe wie z B Tetrafluormethan CF4 dominiert 5 Bei hoheren Temperaturen ab 700 C werden ausschliesslich fluchtige Fluorkohlenstoffverbindungen gebildet 3 6 n C n x 2 F 2 C F x n displaystyle n mathrm C frac nx 2 mathrm F 2 longrightarrow mathrm CF x n nbsp Struktur BearbeitenBei der Fluorierung des Graphits bleibt dessen Schichtstruktur grundsatzlich erhalten Allerdings wird der Abstand der Kohlenstoffschichten je nach Praparationsart und Zusammensetzung des Graphitfluorids durch Ausbildung der tertiaren C F Einheiten und deren starker elektrostatischer Abstossung signifikant von 335 pm bei Graphit auf bis zu 580 615 pm aufgeweitet Der Aufbau der Schichten ist allerdings turbostratisch d h aufeinanderliegende Schichten sind zwar parallel nehmen aber zueinander keine Vorzugsorientierung ein Die einzelnen C6F6 Elemente der Schichten liegen in einer Sesselkonformation mit jeweils axial stehenden Fluoratomen vor wie in der obigen Strukturformel abgebildet 3 6 Im Gegensatz zu Graphitfluorid das eine Fluorkohlenstoffverbindung mit kovalenten C F Bindungen darstellt konnen durch Reaktion von Fluor mit z B Kohlenstoff bei niedrigen Temperaturen auch verschiedenste Graphit Fluor Interkalationsverbindungen der allgemeinen Zusammensetzung CyF mit y 2 10 erzeugt werden 7 Eigenschaften BearbeitenIm Gegensatz zum anisotropen elektrischen Leiter Graphit ist dessen Reaktionsprodukt Graphitfluorid mit der idealen Stochiometrie CF ein Isolator Bei einem Fluorierungsgrad unterhalb x 0 9 leitet Graphitfluorid den elektrischen Strom ebenso wie Graphit Graphitfluorid ist ein superhydrophobes Material und zeigt mit Wasser einen Kontaktwinkel von 143 wahrend Polytetrafluorethylen zum Vergleich einen Kontaktwinkel von 109 liefert 5 Graphitfluorid mit Stochiometrien zwischen x 0 61 1 12 zeigt hervorragende Schmiereigenschaften speziell im hohen Temperaturbereich die weder von Molybdansulfid noch von Graphit erreicht werden 3 Graphitfluorid zersetzt sich bei Temperaturen ab 600 C im Wesentlichen unter Dismutation zu Difluorcarben Tetrafluorethen und Blahgraphit 8 9 Verwendung BearbeitenGraphitfluorid wird heute hauptsachlich als kathodischer Depolarisator in der Lithium Kohlenstoffmonofluorid Batterie verwendet 5 Es beschleunigt den Ausbrand von Bor in Festtreibstoffzusammensetzungen durch wirksame Entfernung der Oxidschicht unter Bildung von Kohlenmonoxid und Bortrifluorid 10 Daruber hinaus ist es ein sehr energiereiches Oxidationsmittel in Infrarot Tauschkorpern 11 12 und luftatmenden Antrieben 13 Bei der exothermen Reaktion von Graphitfluorid mit Reduktionsmitteln werden unter anderem auch nanostrukturierte Reaktionsprodukte wie z B SiC Fasern 14 und Kohlenstoffnanotubes gebildet 15 In heissem Sulfolan 50 C dispergiertes Graphitfluorid liefert durch Ultraschall induzierte Exfoliation Graphenfluorid 16 Quellen BearbeitenErwin Riedel Anorganische Chemie 6 Auflage de Gruyter Berlin 2004 S 516 ISBN 3 11 018168 1 A F Holleman E Wiberg N Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 101 Auflage Walter de Gruyter Berlin 1995 ISBN 3 11 012641 9 S 846 Einzelnachweise Bearbeiten Vorlage CL Inventory nicht harmonisiert Fur diesen Stoff liegt noch keine harmonisierte Einstufung vor Wiedergegeben ist eine von einer Selbsteinstufung durch Inverkehrbringer abgeleitete Kennzeichnung von Carbon fluoride im Classification and Labelling Inventory der Europaischen Chemikalienagentur ECHA abgerufen am 26 Mai 2020 Datenblatt Graphitfluorid bei Sigma Aldrich abgerufen am 13 Juni 2011 PDF Vorlage Sigma Aldrich Name nicht angegeben a b c d e P Kamarchik Jr J L Margrave Poly carbon monofluoride A Solid Layered Fluorocarbon Acc Chem Res 11 1978 296 doi 10 1021 ar50128a002 O Ruff O Bretschneider Die Reaktionsprodukte der verschiedenen Kohlenstoffformen mit Fluor II Kohlenstoff monofluorid Z anorg allg Chem 217 1934 1 doi 10 1002 zaac 19342170102 a b c T Nakajima N Watanabe Graphite Fluorides and Carbon Fluorine Compounds CRC Press Boca Raton 1990 a b A F Holleman E Wiberg N Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 101 Auflage Walter de Gruyter Berlin 1995 ISBN 3 11 012641 9 M S Dresselhaus M Endo J P Issi Physical Properties of Fluorine and Fluoride Graphite Intercalation Compounds in T Nakajima Ed Fluorine Carbon and Fluoride Carbon Materials Marcel Dekker New York 1995 95 N Watanabe S Koyama H Imoto Thermal Decomposition of Graphite Fluoride I Decomposition Products of Graphite Fluoride CF n in a Vacuum Bull Chem Soc Jpn 53 1980 2731 doi 10 1246 bcsj 53 2731 Gong Chen Zhongning Shi Jiangyu Yu Zhaowen Wang Junli Xu Bingliang Gao Xianwei Hua Kinetic analysis of the non isothermal decomposition of carbon monofluoride Thermochim Acta 589 2014 63 69 doi 10 1016 j tca 2014 05 002 T K Liu I M Shyu Y S Hsia Effect of Fluorinated Graphite on Combustion of Boron and Boron Based Fuel Rich Propellants J Propul Power 12 1996 26 doi 10 2514 3 23986 Patent US6635130B2 Pyrotechnic composition for producing IR radiation Angemeldet am 10 Januar 2003 veroffentlicht am 21 Oktober 2003 Anmelder Diehl Munitionssysteme GmbH Erfinder Ernst Christian Koch E C Koch Metal Fluorocarbon Pyrolants VI Combustion behaviour and Radiation Properties of Magnesium Poly carbon Monofluoride Pyrolant Propellants Explos Pyrotech 30 2005 209 doi 10 1002 prep 200500007 Patent US6736912B1 Combustible compositions for air augmented rocket engines Angemeldet am 24 Marz 1977 veroffentlicht am 18 Mai 2004 Erfinder Jerry L Fields James D Martin S Cudzilo M Szala A Huczko M Bystrzejewski Combustion Reactions of Poly Carbon Monofluoride CF n with Different Reductants and Characterization of the Products Propellants Explos Pyrotech 32 2007 149 doi 10 1002 prep 200700015 Patent DE10122750B4 Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffallotropen und deren Intercalaten bzw Endohedralverbindungen Angemeldet am 10 Mai 2001 veroffentlicht am 10 April 2008 Anmelder Diehl Stiftung amp Co KG Erfinder Ernst Christian Koch Radek Zborˇil Frantisˇek Karlicky Athanasios B Bourlinos Theodore A Steriotis Athanasios K Stubos Vasilios Georgakilas Klara Sˇafarˇova Dalibor Jancˇik Christos Trapalis and Michal Otyepka Graphene Fluoride A Stable Stoichiometric Graphene Derivative and its Chemical Conversion to Graphene Small 6 2885 2891 doi 10 1002 smll 201001401 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Graphitfluorid amp oldid 237545760