Calciumfluorid

chemische Verbindung
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Calciumfluorid (auch Kalziumfluorid, eigentlich Calciumdifluorid) ist das Calciumsalz der Fluorwasserstoffsäure.

Kristallstruktur
Struktur von Calciumfluorid
_ Ca2+ 0 _ F
Kristallsystem

kubisch

Raumgruppe

Fm3m (Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225[1]

Gitterparameter

a = 5,463 Å[1]

Koordinationszahlen

Ca[8], F[4]

Allgemeines
Name Calciumfluorid
Andere Namen
Verhältnisformel CaF2
Kurzbeschreibung

weißer, geruchloser Feststoff[3]

Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 7789-75-5
EG-Nummer 232-188-7
ECHA-InfoCard 100.029.262
PubChem 24617
ChemSpider 23019
DrugBank DB15962
Wikidata Q413374
Eigenschaften
Molare Masse 78,08 g·mol−1
Aggregatzustand

fest

Dichte

3,18 g·cm−3[4]

Schmelzpunkt

1423 °C[5]

Siedepunkt

2500 °C[3]

Löslichkeit

praktisch unlöslich in Wasser (15 mg·l−1 bei 18 °C)[3]

Brechungsindex

1,4338[6]

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[3]
keine GHS-Piktogramme

H- und P-Sätze H: keine H-Sätze
P: keine P-Sätze[3]
MAK

1 mg·m−3[3]

Toxikologische Daten

4250 mg·kg−1 (LD50Ratteoral)[3]

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa). Brechungsindex: Na-D-Linie, 20 °C

Eigenschaften

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Calciumfluorid bildet farblose, in Wasser, Alkohol und verdünnten Säuren schwerlösliche Kristalle mit der weitverbreiteten Fluoritstruktur. Natürlich vorkommendes Calciumfluorid heißt Fluorit oder auch Flussspat und ist meist durch Verunreinigungen gelb, grün, blau, braun, beige oder violett gefärbt.

Für Ultraviolett- und Infrarotstrahlung besitzt es eine hohe Durchlässigkeit. Alkalilaugen greifen Calciumfluorid nicht an. Mit Wasserstoff und Sauerstoff erfolgt auch unter Rotglut keine Reaktion.

Reaktionen

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Calciumfluorid und Schwefelsäure setzen Fluorwasserstoff frei.
 
Calcium-Kationen und Fluorid-Anionen bilden immer das schwerlösliche Calciumfluorid.

Vorkommen und Gewinnung

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violetter Fluorit

Fluorit wird in großen Mengen, mehrere Millionen Tonnen pro Jahr, im Tage- und Tiefbau bergmännisch gewonnen. Da es mit anderen Mineralien wie Baryt (auch Schwerspat, Bariumsulfat BaSO4), Galenit (auch Bleiglanz, PbS) und Quarz (SiO2) vergesellschaftet ist, muss das 30–60 % CaF2 enthaltende Roherz vor einer industriellen Verwertung aufgearbeitet werden. Hierzu wird das geförderte Erz mechanisch zerkleinert und anschließend durch (mehrstufige) Flotation auf bis zu 98 % aufkonzentriert. Als Handelsform unterscheidet man

  • Kristallspat mit mehr als 99 % CaF2
  • Säurespat mit mehr als 97 % CaF2
  • Keramikspat mit mehr als 95 % CaF2
  • Hüttenspat mit mehr als 85 % CaF2
  • Metallspat mit 75–82 % CaF2

Reines Calciumfluorid gewinnt man durch Umsatz von Fluorwasserstoff oder Hexafluorokieselsäure mit Calciumcarbonat, da ausgefälltes Calciumfluorid in Abwesenheit von Calciumcarbonat gelatinöse Konsistenz hat und daher schwer zu reinigen ist.[7]

Verwendung

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Calciumfluorid ist neben den Fluoriden aus der Phosphorsäureherstellung der wichtigste Rohstoff zur Fluorherstellung. Entsprechend den oben genannten Flussspatqualitäten wird Calciumfluorid für folgende Anwendungen verwendet:

Weitere Anwendungen:

  • Katalysator für die Kalkstickstoffherstellung
  • Wegen ihrer Durchlässigkeit für ultraviolettes und infrarotes Licht werden Einkristalle in der instrumentellen Analytik und bei der Herstellung von elektronischen Schaltkreisen als Linsen verwendet.
  • Wegen seiner optischen Eigenschaften – es weist eine Abbe-Zahl von 96 auf – kommen in hochwertigen Objektiven und Fernrohren Calciumfluoridlinsen in Apochromaten zum Einsatz.
  • Aufgrund der gegenseitigen Kompensation der Änderung des Brechungsindex und der Wärmedehnung sind thermische Linsen nur schwach ausgeprägt. Aus diesem Grund wird Calciumfluorid als Fenster für Laserstrahlen mit hoher Leistungsdichte eingesetzt.
  • Standardmineral der Mohsschen Härteskala (Härte 4).

Vorsichtsmaßnahmen

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Bei Kontakt mit starken Säuren wird Fluorwasserstoff freigesetzt. Dieser ist außerordentlich giftig und stark ätzend.

Nachweis

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Ätzprobe: CaF2 mit etwas konzentrierter Schwefelsäure in ein Reagenzglas geben. Die Benetzung der Glasoberfläche ändert sich, da Fluorwasserstoffsäure HF entsteht.

Ultradünne Schichten

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Nanometerdünne kristalline CaF2-Schichten werden als Barrieren in den Festkörperheterostrukturen, insbesondere in den Resonanztunneldioden (mit CdF2 oder Si als Quantentopf) benutzt[8]. Ferner untersucht man die Möglichkeiten ihrer Verwendung als Gateisolator in den Feldeffekttransistoren[9], statt üblicher Materialien wie SiO2 und high-k-Oxide.

Solche Schichten werden mittels der Molekularstrahlepitaxie auf dem Silizium gewachsen[8][9]; gute Qualität wird dabei dank Ähnlichkeit der Gitterkonstanten von Si und CaF2 gewährt.

Einzelnachweise

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  1. a b Hugo Strunz, Ernest H. Nickel: Strunz Mineralogical Tables. Chemical-structural Mineral Classification System. 9. Auflage. E. Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung (Nägele u. Obermiller), Stuttgart 2001, ISBN 3-510-65188-X, S. 153 (englisch).
  2. Eintrag zu CALCIUM FLUORIDE in der CosIng-Datenbank der EU-Kommission, abgerufen am 11. Dezember 2021.
  3. a b c d e f g Eintrag zu Calciumfluorid in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 20. Dezember 2019. (JavaScript erforderlich)
  4. Korth Kristalle: Calciumfluorid (Memento vom 21. Dezember 2015 im Internet Archive), abgerufen am 9. Dezember 2015.
  5. H. Kojima, S. G. Whiteway, C. R. Masson: Melting points of inorganic fluorides. In: Canadian Journal of Chemistry. 46 (18), 1968, S. 2968–2971, doi:10.1139/v68-494.
  6. David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press / Taylor and Francis, Boca Raton FL, Index of Refraction of Inorganic Crystals, S. 10-245.
  7. G. Brauer (Hrsg.), Handbook of Preparative Inorganic Chemistry 2nd ed., vol. 1, Academic Press 1963, S. 233–4.
  8. a b M. Watanabe et al.: CaF2/CdF2 double-barrier Resonant Tunneling Diode with high room-temperature peak-to-valley ratio. In: Japanese Journal of Applied Physics. Band 39, 7B, 2000, S. L716, doi:10.1143/JJAP.39.L716.
  9. a b Ultradünne Isolatoren ebnen Weg zu weiterer Miniaturisierung bei Mikrochips. DerStandard, 28. Juli 2019, abgerufen am 27. Dezember 2023.