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Landesverband

Fluorkohlenwasserstoffe

Verwendung

Fluorkohlenwasserstoffe haben vor allem als Ersatzstoffe für FCKWs Bedeutung als Kältemittel erlangt. Wie FCKWs sind sie meist unbrennbar, schädigen aber im Gegensatz zu FCKWs nicht die Ozonschicht. Ein Sonderfall ist Tetrafluorethylen, welches Ausgangsstoff für Polytetrafluorethylen (Teflon®) ist. Eine Übersicht über gängige FKWs finden Sie bei Wikipedia. FKWs sind allerdings sehr starke Treibhausgase und ihre Freisetzung trägt deshalb massiv zur Erderwärmung bei. Durch das Abkommen von Kigali (2016) soll deren Verwendung deshalb stufenweise zurückgefahren werden. Man erwartet, dass allein dadurch ein halbes Grad der Klimaerwärmung eingespart werden kann.

Treibhauseffekt

Grundlagen

Warme Materie sendet elektromagnetische Strahlung aus. Bei kleinen Massen kann die Strahlung zunächst ein für die beteiligten Stoffe charakteristisches Linienspektrum ergeben. Vergrößert man die Massen, so finden innerhalb der Massen vielfältige Emissions- und Absorptionsvorgänge, verbunden mit Lichtstreuungen statt. Insbesondere Sonnen und Planeten strahlen deshalb ein kontinuierliches Spektrum ab. Dieses Spektrum hängt nicht mehr von der Art der Materie, sondern nur noch von deren Temperatur ab. Idealerweise handelt es sich jetzt um einen schwarzen Körper. Die nachfolgende Abbildung zeigt schematisch typische Spektren für zwei verschiedene Temperaturen.

Graphik

Eine Temperaturerhöhung führt demnach zu einer Erhöhung der Strahlungsintensität und zu einer Verschiebung des Strahlungsmaximums zu kürzeren Wellenlängen. Auf diesem Effekt beruht z.B. die Angabe der Farbtemperatur einer Lichtquelle, die Funktion einer Wärmebildkamera oder die berührungslose Messung einer Oberflächentemperatur durch ein Infrarotthermometer.

Die Oberflächentemperatur der Sonne beträgt 5778 K. Das Intensitätsmaximum der zugehörigen emittierten Strahlung liegt im sichtbaren Bereich. In diesem Bereich ist die irdische Athmosphäre transparent (= Die Mischung der atmosphärischen Gase ist fast farblos. Das Ozon in der Stratosphäre absorbiert aber schädliche UV-Anteile). Die Oberfläche der Erde ist mit ca. 300 K bedeutend kälter, das Maximum der emittierten Strahlung liegt deshalb im Infrarotbereich.

Infrarotstrahlung ist eine Wärmestrahlung. Bindungen von Molekülen werden dabei zu Schwingungen angeregt. Voraussetzung ist, dass sich bei der Anregung das Dipolmoment ändert, was insbesondere dann der Fall ist, wenn zwei Atome mit unterschiedlicher Elektronegativität gegeneinander schwingen. In atmosphäricher Luft vorhandener Stickstoff und Sauerstoff absorbieren deshalb keine IR-Strahlung, wohl aber die Luftfeuchtigkeit und das zwar in Teilen natürliche aber durch anthropogenen Eintrag inzwischen um 40 % vermehrte Kohlenstoffdioxid. Wasser und Kohlenstoffdioxid sind also gewissermaßen "natürliche Treibhausgase". Der Treibhauseffekt von Wasser bzw. Wasserdampf ist jedem geläufig: Bei sternenklarem Himmel kühlt die Temperatur nachts viel stärker ab als bei bewölktem Himmel. Lässt man einen Satelliten aus dem Weltraum ein Infrarotspektrum der Erdstrahlung aufnehmen, so wird nicht die Strahlung gemessen, wie sie einem schwarzen Körper entsprechen würde (Siehe blaue Kurve in nachfolgender Abbildung). Vielmehr vermindern die Absorptionsbanden der genannten Gase die Intensität der Strahlungsemission (rote Kurve).

Graphik

Bei IR-Spektren wird - anders als bei UV/VIS-Spektren) als Abszisse in der Regel nicht die Wellenlänge, sondern die Wellenzahl verwendet. Beide Skalen verhalten sich nicht linear zueinander, weshalb entsprechende Kurvenformen zueinander nicht unmittelbar vergleichbar sind. Hilfsweise ist deshalb hier zusätzlich die Wellenlängenskala mit aufgetragen.

 

Die Ermittlung der Höhe des Treibhauseffekts ist überaus komplex. Zu berücksichtigen sind dabei z.B. Emissions- und Reabsorptionsphänomene in der Atmosphäre, der geographische Breitengrad (und damit der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung) sowie der durch Luftbewegungen verursachter Wärmetransport. Über die Höhe der Effekte gibt es deshalb wissenschaftliche Dispute. Nicht alles publizierte ist seriös. Auch Scharlatane mischen kräftig mit.

Treibhauseffekt der FKWs

In FKWs besitzen aneinander gebundene Kohlenstoff- und Fluoratome eine starke Elektronegativitätsdifferenz. C-F-Bindungen verursachen deshalb eine starke Absorption im Bereich von 1365 - 1120 cm-1. Als Beispiel ist nachfolgend das IR-Spektrum von Trifluormethan wiedergegeben:

Spektrum

In der Atmosphäre vorhandene FKWs vergrößern also den Treibhauseffekt.

Da jedes organische Molekül im IR-Bereich Absorptionsbanden hat, kann theoretisch jede organische Substanz zum Treibhauseffekt beitragen. Es gelten aber weitere Voraussetzungen:

  • Die Substanz muss ausreichend flüchtig sein.
  • Sie muss in wirksamer Menge freigesetzt werden.
  • Sie muss ausreichend stabil sein und darf sich weder photochemisch zersetzen noch durch andere Luftbestandteile angegriffen werden. Sie muss sich also in der Atmosphäre anreichern können.

Die meisten flüchtigen Stoffe werden in der Luft allmählich zersetzt, z.B. die in großen Mengen freigesetzten Lacklösemittel, die beim Auftragen der Lacke in die Atmosphäre verdampfen. FKWs sind jedoch meist hinreichend stabil.

Weiterführende Links