Zauberformel Teflon

Jeder, der schon einmal Töpfe und Pfannen ausgewaschen hat, weiß: Wenn schon spülen, dann nur mit Teflon beschichtetes Kochgeschirr. Anscheinend kann nichts daran kleben bleiben, so sehr wir uns auch bemühen mögen. Wie ist diese Zauberei zu erklären?

Teflon ist der eingetragene Markenname eines Moleküls namens Polytetrafluorethylen, oder kurz PTFE. Es wurde im Jahr 1938 zufällig entdeckt, als der Forscher Roy Plunkett von der amerikanischen Firma DuPont versuchte, ein Kältemittel herzustellen. Das entstandene Produkt war ein Polymer (ein langes, aus sich wiederholenden Einheiten zusammengesetztes Molekül), aufgebaut als lange Kette von Kohlenstoffatomen, die an Fluoratome gebunden sind. Dieses Molekül hat besondere Eigenschaften – es neigt nicht dazu, mit anderen Stoffen zu reagieren, es hat eine hohe Schmelztemperatur, es ist ein elektrischer Isolator, es hat einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten, und andere Stoffe haften schwer an ihm.

Die besonderen Eigenschaften von Teflon ergeben sich aus seiner chemischen Zusammensetzung und aus seinem Aufbau: Die Bindung zwischen den Kohlenstoff- und den Fluoratomen ist sehr stark, und daher ist viel Energie erforderlich, um sie zu brechen und durch eine andere Bindung zu ersetzen, was die chemische Stabilität von Teflon und seine Reaktionsträgheit gegenüber vielen Stoffen erklärt. Weil zudem die Fluoratome größer als die Kohlenstoffatome sind, werden diese vor äußeren Molekülen „verborgen“, was die Wahrscheinlichkeit verringert, dass sie mit ihnen chemisch reagieren.

Weitere Gründe dafür, dass Stoffe nicht an Teflon haften, haben mit dessen elektrischen Eigenschaften zu tun: PTFE ist ein elektrisch neutrales Molekül, das heißt, seine gesamte positive Ladung (die Zahl der Protonen) ist gleich seiner gesamten negativen Ladung (Zahl der Elektronen). Daher wird das Molekül von nahen geladenen Molekülen weder angezogen noch abgestoßen.

Grundsätzlich können auch neutrale Moleküle elektrisch angezogen werden, wenn auch nur schwach, nämlich durch Van-der-Waals-Kräfte. Dabei handelt es sich um sehr schwache elektrische Kräfte, die über sehr kurze Distanzen (weniger als ein Milliardstel Meter) auf neutrale Moleküle wirken, also solche, deren elektrische Gesamtladung null beträgt. Damit das eintritt, müssen die Moleküle polarisiert oder polarisierbar sein, das heißt, die Elektronen müssen im Molekül ungleichmäßig verteilt sein, entweder permanent oder durch einen äußeren Einfluss. Das Teflon-Molekül ist nicht polarisiert und nicht leicht polarisierbar.

Der Grund dafür ist der symmetrische Aufbau des Moleküls, der bewirkt, dass die Elektronen darin gleichmäßig verteilt sind, also ohne Polarisierung. Zudem hat Fluor eine starke Anziehungskraft auf Elektronen von anderen Atomen. Diese Elektronen sammeln sich um die Fluoratome und können nicht leicht in Bewegung gebracht werden, weshalb es schwer ist, das Teflon-Molekül zu polarisieren. Das Zusammenwirken aller dieser Gründe macht Teflon zu einem besonders glatten Stoff, an dem sogar ein Gecko nicht haften kann.

Die starke Bindung zwischen Kohlenstoff- und Fluoratomen und die gleichmäßige Verteilung der Elektronen machen Teflon zu einem inerten Stoff | Animation: Science Photo Library

Ein bisschen schummeln

Damit stellt sich die Frage, wie man Teflon trotzdem auf Pfannen und Töpfe auftragen kann. Die Antwort ist, dass man ein bisschen schummeln und das Molekül verändern muss. Das kann mithilfe von Plasma erreicht werden, also durch den Beschuss des Teflons mit geladenen Teilchen, sodass die Fluoratome sich von der Kohlenstoffkette lösen. An den Stellen, wo das geschieht, bleibt der Kohlenstoff ungeschützt und mit einem fehlenden Elektron zurück, weil das elektronenliebende Fluor das Elektron mitgenommen hat. Dieser Zustand ist chemisch sehr instabil, und deshalb wird der Kohlenstoff dazu neigen, mit jedem anderen Stoff in seinem Umfeld eine chemische Bindung einzugehen, zum Beispiel mit dem Metall, aus dem die Pfanne gefertigt ist.

Eine andere Methode, die Bindung Kohlenstoff-Fluor aufzubrechen, ist die Verwendung eines Reduktionsmittels, also eines Stoffes, der Elektronen an das Fluor abgibt, was die Auflösung der Verbindung zwischen dem Fluor und dem Kohlenstoff bewirkt und den Kohlenstoff zugänglich macht. Das Reduktionsmittel stiehlt gewissermaßen dem Kohlenstoff das Fluor. Gute Reduktionsmittel zum Aufbrechen der Verbindung Kohlenstoff-Fluor sind Alkalimetalle wie Natrium, Kalium oder Lithium.

Videofilm von Ted-Ed über Teflon