Esafluoruro di zolfo

L'esafluoruro di zolfo è un composto chimico binario dello zolfo esavalente con il fluoro, avente formula molecolare SF₆.^[2]

Esafluoruro di zolfo
Struttura
Modello a sfere e bastoncini
Nome IUPAC
esafluoruro di zolfo
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare	SF6
Massa molecolare (u)	146,06
Aspetto	gas incolore e inodore
Numero CAS	2551-62-4
Numero EINECS	219-854-2
PubChem	17358
DrugBank	DBDB11104
SMILES	FS(F)(F)(F)(F)F
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/cm3, in c.s.)	1,88 (-50 °C)
Densità (kg·m−3, in c.s.)	6,164 g/L ad 1 bar (~5,1 volte più denso dell'aria)
Solubilità in acqua	Bassa
Coefficiente di ripartizione 1-ottanolo/acqua	1,68
Temperatura di fusione	−64 °C (209 K) (sublima); si decompone a 500 °C (773 K)
Temperatura di ebollizione	Sublima a condizioni normali
Indicazioni di sicurezza
Simboli di rischio chimico
attenzione
Frasi H	280
Consigli P	410+403 [1]

In condizioni ambiente è un gas incolore e inodore, poco solubile in acqua ma solubile in solventi organici apolari, non tossico e non infiammabile; generalmente viene trasportato in forma liquefatta. La sua densità in condizioni standard è 6,164 g/L (5,1 volte più denso dell'aria).^[3]

È una molecola ipervalente, con lo zolfo allo stato di ossidazione +6.

Sintesi e reazioni

SF₆ può essere preparato per sintesi diretta dagli elementi, tramite esposizione di S₈ (solido) a F₂ (gas).

${\displaystyle {\ce {24 F2 + S8 -> 8 SF6}}}$

Questo è il metodo scoperto e usato da Henri Moissan e Paul Lebeau nel 1901. Durante la sintesi si formano altri fluoruri (S₂F₁₀ e SF₄); per riscaldamento, il primo si decompone, disproporzionandosi in SF₆ e SF₄; quest'ultimo, infine, viene eliminato tramite un lavaggio della miscela con NaOH.

Alternativamente, è possibile preparare l'esafluoruro di zolfo per fluorurazione del tetrafluoruro SF₄ con CoF₃ a temperatura relativamente bassa (circa 100 °C) in presenza di bromo.^[4]

${\displaystyle {\ce {2 CoF3 + SF4 -> SF6 + 2CoF2}}}$

Il vantaggio di questa via sintetica è la maggiore purezza del prodotto.

Proprietà e struttura molecolare

Da un punto di vista termodinamico l'esafluoruro di zolfo è un composto estremamente stabile, ΔH_ƒ° = -1.220,47 kJ/mol,^[5] ed è tale anche dal punto di vista cinetico in quanto lo zolfo praticamente non può espandere il proprio guscio di coordinazione e d'altro canto l'allontanamento di un atomo F comporta la rottura di un forte legame S−F, per cui l'energia di attivazione risulta in entrambi i casi molto alta,^[6] tanto che SF₆ è spesso descritto come un composto «notevolmente inerte».^[2][7][8]

In condizioni ambiente l'esafluoruro di zolfo è un gas incolore e inodore, oltre cinque volte più pesante dell'aria, non infiammabile e non combustibile;^[9] tecnicamente è un vapore in quanto è liquefacibibile per sola compressione (T_critica = 45,6 °C)^[10] e di norma è commercializzato in forma liquida.

In acqua a 25 °C è poco solubile (36 mg/kg), è molto più solubile nei perfluorocarburi: 8,64 g/kg in n-C₇F₁₆.^[10]

Configurazione elettronica e geometria molecolare

La molecola SF₆ ha geometria ottaedrica, con l'atomo di zolfo al centro e i sei atomi di fluoro ai vertici: la sua simmetria molecolare è O_h;^[11] conseguentemente, la molecola è priva di momento dipolare e quindi anche del tutto apolare,^[12] e questo nonostante che i singoli legami S−F siano molto polari,^[13] dato che la differenza di elettronegatività tra F e S è di 1,4.

Nel formare SF₆ l'atomo di zolfo, che ha configurazione elettronica esterna 3s² 3p⁴, impegna tutti e sei gli elettroni del guscio di valenza per altrettanti legami semplici con atomi di fluoro: la geometria ottaedrica risultante, riscontrata sperimentalmente,^[11][12] è in accordo con un'ibridazione sp³d² di S,^[7][14] ma è in accordo anche con le indicazioni del modello VSEPR per una molecola del tipo AX₆ come questa.^[15]

Dato che qui l'atomo di zolfo è circondato da 6 coppie di elettroni nel guscio di valenza, la molecola è ipervalente^[16] e dato che tali coppie sono condivise con atomi più elettronegativi, lo zolfo è allo stato di ossidazione +6 (il suo massimo).^[17]

Da un'indagine di spettroscopia rotazionale nella regione delle microonde è stato possibile ricavare, tra l'altro, i suoi parametri strutturali: i legami S−F sono lunghi 156,1 pm; gli angoli F-S-F, in accordo alla simmetria O_h, sono di 90° o 180°.^[11][12] Tali legami sono apprezzabilmente più corti della somma dei raggi covalenti di S e F, pari a 162 pm;^[18] sono più corti anche dei legami S−F nel difluoruro di zolfo (SF₂, 158,7 pm).^[19]

Applicazioni

SF₆ è un gas inerte e non è praticamente usato in reazioni di sintesi di altri prodotti.

• come gas tracciante in esperimenti per controllare ventilazione, perdite o infiltrazioni in edifici; è usato anche in idrogeologia;
• nella metallurgia per la produzione di alluminio e magnesio;
• nella fabbricazione di semiconduttori grazie al suo carattere inerte ed all'elevata densità (l'aria e gli inquinanti, più leggeri, vengono così allontanati);
• è usato negli acceleratori di particelle (bassa tendenza a ionizzarsi);
• è utilizzato come mezzo spegni arco elettrico negli interruttori MT e AT vista la sua elevata rigidità dielettrica (89 kV/cm) che aumenta con la pressione;^[20] A pressione ambiente la sua rigidità dielettrica è circa 3 volte quella dell'aria.^[21]
• viene utilizzato come dielettrico in cabine e stazioni, elettriche, blindate^[22];
• in ambito medico per la disinfezione di presidi respiratori contro i microbi aerobi, come mezzo di contrasto in ecografia (sotto forma di microbolle iniettabili), e come tamponante intraoculare;
• nella fabbricazione di innovative celle fotovoltaiche denominate black silicon;
• in edilizia, all'interno delle vetrate isolanti (vetrocamera), per migliorare le prestazioni di isolamento acustico delle stesse.
• nell’ambito della propulsione dei siluri, è utilizzato nel moderno sistema propulsivo SCEPS (Stored Chemical Energy Propulsion System). In detto sistema, funzionante tramite ciclo Rankine, si fa avvenire all’interno di una caldaia la fusione di una massa di litio allo stato solido. Nel litio fuso si inietta successivamente una certa quantità di esafluoruro di zolfo che dà origine a una forte reazione esotermica controllata che permette all’acqua presente nelle serpentine della caldaia di evaporare e alimentare una piccola turbina. Quest’ultima aziona le classiche eliche controrotanti del sistema propulsivo del siluro, permettendo allo stesso di avanzare.

Data la sua elevata densità l'esafluoruro di zolfo è usato come trucco magico per simulare la presenza di "acqua invisibile" sulla quale far galleggiare oggetti leggeri (ad esempio una barchetta di alluminio).

L'esafluoruro di zolfo altera la voce: inalandone una piccola quantità si ottiene un tono più profondo, effetto opposto a quello che si ottiene inalando elio che, essendo meno denso dell'aria, provoca un innalzamento del tono.

Aspetti ambientali

SF₆ è un gas serra, cioè uno dei gas che contribuiscono all'aumento dell'effetto serra, e risulta 24000 volte più pericoloso per l'ambiente dell'anidride carbonica.^[23] Per questa ragione in Europa sono previste forti limitazioni al suo impiego.^[24][25]