Фторид серы(VI)

Гексафтори́д се́ры (также элега́з или шестифто́ристая се́ра, SF₆) — неорганическое вещество, при стандартных условиях представляет собой тяжёлый газ (в 5 раз тяжелее воздуха). Соединение было впервые получено и описано в 1900 году Анри Муассаном в ходе работ по изучению химии фтора.

Методы получения

Возможно получать гексафторид серы из простых веществ:

{\mathsf {S+3F_{2}\rightarrow SF_{6}}}

Также гексафторид серы образуется при разложении сложных фторидов серы:

{\mathsf {S_{2}F_{10}\rightarrow SF_{6}+SF_{4}}}

Физико-химические свойства

Практически бесцветный газ, без запаха и вкуса.

Обладает высоким пробивным напряжением (89 кВ/см — примерно в 3 раза выше, чем у воздуха при нормальном давлении).

Охлаждение газа при атмосферном давлении приводит к конденсации в бесцветное твёрдое вещество при −63,8 °C. Твёрдый гексафторид серы может быть расплавлен под давлением при −50,8 °C. Параметры тройной точки: t = −50,8 °C, P = 2,3 атм^[3].

В твёрдой фазе при T = 94,30 К — происходит эндотермическое фазовое превращение^[3].

Плохо растворим в воде (1 объём ${\ce {SF_6}}$ в 200 объёмах воды), этаноле и диэтиловом эфире^[4], хорошо растворим в нитрометане.

Плотность элегаза при температуре 20 °C и давлении 753,5 мм рт. ст. составляет 6,093 кг/м³^[3].

Твёрдый гексафторид серы имеет плотность 2,683 г/см³ при −195 °C, 2,51 г/см³ при −50 °C^[3].

Относительная диэлектрическая проницаемость — 1,0021. Полное число степеней свободы молекулы элегаза равно 21, из них три степени свободы — в поступательном движении, три — во вращательном, а остальные — в колебательном. Диаметр молекулы равен 5,33 Å.

Поверхностное натяжение жидкого гексафторида серы составляет 11,63 мН/м (−50 °C), 8,02 мН/м (−20 °C)^[3].

Вязкость газообразного элегаза несколько ниже вязкости воздуха: 15,37 мкПа·с (+22,5 °C), 18,71 мкПа·с (+100 °C)^[3].

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К): 1,32 (ж., +20 °C), 1,36 (ж., +30 °C), 1,43 (ж., +50 °C)^[3], 0,0138 (г., +27,5 °C, 1 атм.)^[5].

В составе молекулы 21,95 % серы и 78,05 % фтора по массе.

Термодинамические величины

Свойство	Значение при н. у. (газ)
Энтальпия образования	−1219 кДж/моль
Энтропия образования	291,6 Дж/(моль·К)
Теплоёмкость	97,15 Дж/(моль·К)^[6]
Теплопроводность	12,058 мВт/(м·К)^[6]
Критическая температура	318,697...318,712 К (45,547...45,562 °С)^[3]
Критическое давление	3,71 МПа (по разным данным, от 37,113 до 38,27 атм^[3])
Критический объём	198,0 см³/моль^[3]
Критическая плотность	0,73...0,7517 г/см³^[3]
Теплота плавления	1,1...1,39 ккал/моль^[3]
Теплота сублимации (при −63,8 °C)	5,64...5,57 ккал/моль^[3]

Химические свойства

Гексафторид серы — достаточно инертное соединение, наименее активное химически среди всех фторидов серы, не реагирует с водой, вероятно, из-за кинетических факторов. Не реагирует также с растворами HCl, NaOH и NH₃, однако при действии восстановителей могут протекать некоторые реакции. Не взаимодействует с галогенами, фосфором, мышьяком, углеродом, кремнием, бором, медью и серебром при температуре красного каления. Не подвергается воздействию нагретых CuO, PbCrO₄ и расплавленного KOH^[3], но при температуре выше +300°C реагирует с водой под избыточным давлением. Реакцию следует проводить при температуре не выше +370°C:

${\mathsf {SF_{6}+4H_{2}O\xrightarrow {>+300^{o}C,p} \ H_{2}SO_{4}+6HF\uparrow }}$

Взаимодействие с металлическим натрием проходит только при нагревании последнего до температуры кипения, однако уже при 64 °C взаимодействует с раствором натрия в аммиаке: : ${\mathsf {SF_{6}+8Na\rightarrow Na_{2}S+6NaF}}$

Гексафторид серы реагирует с литием с выделением большого количества тепла:

{\mathsf {SF_{6}+6Li\rightarrow S+6LiF}}

При этом продукты реакции — элементарная сера и фторид лития — имеют меньший объём, чем исходные вещества, что нашло применение в некоторых экзотических тепловых двигателях (см. ниже).

С водородом и кислородом гексафторид не реагирует. Однако при сильном нагревании (до 400 °C) SF₆ взаимодействует с сероводородом, а при 30 °C — с иодоводородом:

{\mathsf {2SF_{6}+6H_{2}S\rightarrow S_{8}+12HF}}

{\mathsf {SF_{6}+8HI\rightarrow 6HF+H_{2}S+4I_{2}}}

При повышенном давлении и температуре около 500 °C SF₆ окисляет PF₃ до PF₅:

{\mathsf {SF_{6}+PF_{3}\rightarrow PF_{5}+SF_{4}}}

Применение

как изолятор и теплоноситель в высоковольтной электротехнике;
как технологическая среда в электронной и металлургической промышленности;
в системах газового пожаротушения в качестве пожаротушащего вещества;
как хладагент благодаря высокой теплоёмкости, низкой теплопроводности и низкой вязкости^[7];
для улучшения звукоизоляции в стеклопакетах;
в полупроводниковой промышленности для плазмохимического травления кремния;
как окислитель в некоторых экзотических тепловых двигателях — например, в паротурбинной установке американской малогабаритной 324-мм противолодочной торпеды Mark 50, где он используется для окисления металлического лития.

Применение в электротехнике

Название «элегаз» шестифтористая сера получила от сокращения «электрический газ». Уникальные свойства элегаза были открыты в СССР, его применение также началось в Советском Союзе. В 30-х годах известный учёный Б. М. Гохберг в ЛФТИ исследовал электрические свойства ряда газов и обратил внимание на некоторые свойства шестифтористой серы SF₆ (элегаза)^[8]. Потребность в элегазе появилась в стране в начале 1980-х годов и была связана с разработкой и освоением электрооборудования для передач постоянного тока сверхвысокого напряжения. Его промышленное производство в РФ было освоено в 1998 году на Кирово-Чепецком химическом комбинате^[9].

Электрическая прочность при атмосферном давлении и зазоре 1 см составляет 89 кВ/см. Характерным является очень большой коэффициент теплового расширения и высокая плотность. Это важно для энергетических установок, в которых проводится охлаждение каких-либо частей устройства, так как при большом коэффициенте теплового расширения легко образуется конвективный поток, уносящий тепло^[10].

В центре молекулы элегаза расположен атом серы, а на равном расстоянии от него в вершинах правильного октаэдра располагаются шесть атомов фтора. Это определяет высокую эффективность захвата электронов молекулами, их относительно большую длину свободного пробега и слабую реакционную способность. Поэтому элегаз обладает высокой электрической прочностью.

Элегаз безвреден в смеси с воздухом. Однако вследствие нарушения технологии производства элегаза или его разложения в аппарате под действием электрических разрядов (дугового, коронного, частичных), в элегазе могут возникать чрезвычайно активные в химическом отношении и вредные для человека примеси, а также различные твёрдые соединения, оседающие на стенах конструкции. Интенсивность образования таких примесей зависит от наличия в элегазе примесей кислорода и особенно паров воды.

Некоторое количество элегаза в электротехнической аппаратуре также разлагается в процессе нормальной работы. Например, коммутация тока 31,5 кА в выключателе 110 кВ приводит к разложению 5—7 см³ элегаза на 1 кДж выделяемой в дуге энергии.

Стоимость элегаза довольно высока, однако он нашёл достаточно широкое применение в технике, особенно в высоковольтной электротехнике. Он прежде всего используется как диэлектрик, то есть в качестве основной изоляции для комплектных распределительных устройств, высоковольтных измерительных трансформаторов тока и напряжения и др^[11]. Также элегаз используется как среда дугогашения в высоковольтных выключателях^[12].

Основные преимущества элегаза перед его основным «конкурентом», трансформаторным маслом, это:

взрыво- и пожаробезопасность;
снижения массо-габаритных показателей конструкции за счёт уменьшения изоляционных промежутков и улучшенных условий охлаждения токоведущих частей^{[источник не указан 3922 дня]}.

Регламентирующие стандарты

IEC

IEC 60376:2005 — Технические условия на элегаз (SF6) технического сорта для электрического оборудования.
IEC 60480:2004 — Руководство по проверке и обработке серы шестифтористой (SF6), взятой из электротехнического оборудования, и технические условия на её повторное использование.

EN^[англ.]

EN 60376:2005 — Технические условия на элегаз (SF6) технического сорта для электрического оборудования.
EN 60480:2004 — Руководство по проверке и обработке элегаза (SF6), взятого из электротехнического оборудования, и технические условия на его повторное использование.

Вредное воздействие

Основной источник: ^[13]

По степени воздействия на организм человека относится к малоопасным химическим веществам (класс опасности IV согласно ГОСТ 12.1.007-76).

Имеется возможность отравления продуктами распада элегаза (низшими фторидами), образующимися, например, при работе дугогасительных камер в высоковольтных выключателях.

Потенциал разрушения озонового слоя ODP = 0.

Сильнейший известный парниковый газ, потенциал глобального потепления GWP = 24 900. Из-за небольших объёмов изготовления вклад в глобальное потепление не превышает 0,2 %. Регламентируется Киотским протоколом.

Дополнительная информация

Если наполнить гексафторидом серы открытый сверху сосуд (так как газ тяжелее воздуха, то он не будет «выливаться» из сосуда) и поместить туда лёгкую лодочку, сделанную, например, из фольги, то лодочка будет держаться на поверхности и не «утонет». Этот опыт был показан в передаче «Разрушители легенд» как фокус с «прозрачной водой»^[14].

Также высокая плотность газа приводит к комичному эффекту при его вдыхании — голос становится очень низким и грубым, подобно голосу Дарта Вейдера. Опыт также демонстрировался в «Разрушителях легенд»^[15]. Аналогичный эффект создаёт и ксенон. А гелий, который в 6 раз легче воздуха, при вдыхании, наоборот, создаёт тонкий и писклявый голос.

Примечания

↑ ¹ ² ³ http://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0576.html
↑ ¹ ² David R. Lide, Jr. Basic laboratory and industrial chemicals (англ.): A CRC quick reference handbook — CRC Press, 1993. — ISBN 978-0-8493-4498-5
↑ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ ¹⁰ ¹¹ ¹² ¹³ ¹⁴ Опаловский А. А., Лобков Е. У. Гексафторид серы (рус.) // Успехи химии. — 1975. — Т. 44, вып. 2. — С. 193—213. — doi:10.1070/RC1975v044n02ABEH002249. Архивировано 1 апреля 2022 года.
↑ [www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4038.html Свойства гексафторида серы на сайте «Химик.ру»]
↑ Kestin J., Imaishi N. Thermal conductivity of sulfur hexafluoride (англ.) // International Journal of Thermophysics. — 1985. — Vol. 6, no. 2. — P. 107—118. — ISSN 0195-928X. — doi:10.1007/BF00500026. [исправить]
↑ ¹ ² Sulfur hexafluoride (неопр.). Air Liquide Gas Encyclopedia. Дата обращения: 22 февраля 2013. Архивировано 31 марта 2012 года.
↑ Применение шестифтористой серы (неопр.). Дата обращения: 20 апреля 2007. Архивировано 17 декабря 2007 года.
↑ Гохберг Б. М. Ленинградский физико-технический институт Академии наук СССР (рус.) // Успехи физических наук. — 1940. — Т. XXIV, вып. 1. — С. 11-20. Архивировано 4 марта 2016 года. См. стр. 16-17, раздел «Электрическая прочность газов»
↑ Уткин В. В. Завод у двуречья. Кирово-Чепецкий химический комбинат имени Б. П. Константинова: строительство, развитие, люди. — Киров: ОАО «Дом печати — Вятка», 2007. — Т. 4 (1973—1992), часть 1. — С. 66—67. — 144 с. — 1000 экз. — ISBN 978-5-85271-293-6.
↑ Коробейников С.М., д.ф.м.н., профессор. Диэлектрические материалы. 4.1.2. Электроотрицательные газы, применение газообразных диэлектриков. (рус.) Дата обращения: 2 июня 2011. Архивировано 6 октября 2014 года.
↑ ЗВА :: Измерительные трансформаторы с газовой изоляцией (неопр.). Дата обращения: 16 декабря 2009. Архивировано из оригинала 27 мая 2011 года.
↑ Применение SF₆ в высоковольтной электронике. (неопр.) Дата обращения: 9 июля 2009. Архивировано 15 июля 2009 года.
↑ Элегаз. Свойства (неопр.). Дата обращения: 17 июля 2012. Архивировано 6 января 2012 года.
↑ Фрагмент передачи «Разрушители мифов» (неопр.). Дата обращения: 20 декабря 2022. Архивировано 20 декабря 2022 года.
↑ Фрагмент передачи «Разрушители мифов» (неопр.). Дата обращения: 20 декабря 2022. Архивировано 6 июня 2017 года.