Фторид серы(VI)

Гексафтори́д се́ры (также элега́з или шестифто́ристая се́ра, SF₆) — неорганическое вещество, при стандартных условиях представляет собой тяжёлый газ (в пять раз тяжелее воздуха). Применяется в электротехнике.

Фторид серы​(VI)​
Общие
Систематическое наименование	Фторид серы​(VI)​
Традиционные названия	гексафторид серы, шестифтористая сера, элегаз
Хим. формула	SF6
Рац. формула	SF6
Физические свойства
Состояние	газ
Молярная масса	146,06 г/моль
Плотность	Газ: 6,164 г/л Жидкость: 1,33 г/см³
Энергия ионизации	19,3 ± 0,1 эВ[1] и 15,33 эВ[2]
Термические свойства
Температура
• плавления	−50,8 °C
• сублимации	−83 ± 1 ℉[1] и −63,8 °C[2]
• кипения	сублимация при −63,9 °C
Мол. теплоёмк.	97,15 Дж/(моль·К)
Теплопроводность	0,012058 Вт/(м·K)
Энтальпия
• образования	−1219 кДж/моль
Давление пара	21,5 ± 0,1 атм[1]
Структура
Координационная геометрия	октаэдрическая
Кристаллическая структура	орторомбическая
Дипольный момент	0 Д
Классификация
Рег. номер CAS	2551-62-4
PubChem	17358
Рег. номер EINECS	219-854-2
SMILES	FS(F)(F)(F)(F)F
InChI	InChI=1S/F6S/c1-7(2,3,4,5)6 SFZCNBIFKDRMGX-UHFFFAOYSA-N
RTECS	WS4900000
ChEBI	30496
Номер ООН	1080
ChemSpider	16425
Безопасность
Токсичность	малотоксичен или нетоксичен
Пиктограммы СГС
NFPA 704	0 1 0
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Медиафайлы на Викискладе

Методы получения

Возможно получать гексафторид серы из простых веществ:

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

Также гексафторид серы образуется при разложении сложных фторидов серы:

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

Соединение было впервые получено и описано в 1900 году Анри Муассаном в ходе работ по изучению химии фтора.

Физико-химические свойства

Практически бесцветный газ, без запаха и вкуса.

Обладает высоким пробивным напряжением (89 кВ/см — примерно в три 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 ${\displaystyle {\ce {SF_6}}}$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/см<³ 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 чистой водой 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: ${\displaystyle {\mathsf {SF_{6}+4H_{2}O\xrightarrow {>+300^{o}C,p} \ H_{2}SO_{4}+6HF\uparrow }}}$

Взаимодействие с металлическим натрием проходит только при нагревании последнего до температуры кипения, однако уже при 64 °C взаимодействует с раствором натрия в аммиаке:

${\displaystyle {\mathsf {SF_{6}+8Na\rightarrow Na_{2}S+6NaF}}}$

Гексафторид серы реагирует с литием с выделением большого количества тепла:

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

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

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

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

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

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

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». Свойства элегаза были открыты в СССР. В 1930-х годах 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 небольшую 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:^{[значимость факта?]}

• взрыво- и пожаробезопасность;
• снижения массы конструкций^{[источник не указан 4371 день]}.

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 показывался в «Разрушителях легенд»^[15]. Аналогичный эффект создаёт и ксенон. А гелий, который в шесть раз легче воздуха, при вдыхании, наоборот, создаёт тонкий и писклявый голос.