Фторид серы(VI)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Фторид серы​(VI)​
Изображение химической структуры Изображение молекулярной модели
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 Д
Классификация
Рег. номер CAS 2551-62-4
PubChem
Рег. номер EINECS 219-854-2
SMILES
InChI
RTECS WS4900000
ChEBI 30496
Номер ООН 1080
ChemSpider
Безопасность
Токсичность малотоксичен или нетоксичен
Пиктограммы СГС Пиктограмма «Восклицательный знак» системы СГСПиктограмма «Газовый баллон» системы СГС
NFPA 704
NFPA 704 four-colored diamondОгнеопасность 0: Негорючее веществоОпасность для здоровья 1: Воздействие может вызвать лишь раздражение с минимальными остаточными повреждениями (например, ацетон)Реакционноспособность 0: Стабильно даже при действии открытого пламени и не реагирует с водой (например, гелий)Специальный код: отсутствует
0
1
0
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Логотип Викисклада Медиафайлы на Викискладе

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

[править | править код]

Возможно получать гексафторид серы из простых веществ:

Также гексафторид серы образуется при разложении сложных фторидов серы:

Физико-химические свойства

[править | править код]

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 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

[править | править код]
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

[править | править код]

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:

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

Гексафторид серы реагирует с литием с выделением большого количества тепла:

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:

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

Применение

[править | править код]
  • 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

[править | править код]

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 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, это:

  • взрыво- и пожаробезопасность;
  • снижения массо-габаритных показателей конструкции за счёт уменьшения изоляционных промежутков и улучшенных условий охлаждения токоведущих частей[источник не указан 3987 дней].

Регламентирующие стандарты

[править | править код]

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

[править | править код]

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

[править | править код]

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

[править | править код]
  1. 1 2 3 http://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0576.html
  2. 1 2 David R. Lide, Jr. Basic laboratory and industrial chemicals (англ.): A CRC quick reference handbookCRC Press, 1993. — ISBN 978-0-8493-4498-5
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Опаловский А. А., Лобков Е. У. Гексафторид серы // Успехи химии. — 1975. — Т. 44, вып. 2. — С. 193—213. — doi:10.1070/RC1975v044n02ABEH002249. Архивировано 1 апреля 2022 года.
  4. [www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4038.html Свойства гексафторида серы на сайте «Химик.ру»]
  5. 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]
  6. 1 2 Sulfur hexafluoride. Air Liquide Gas Encyclopedia. Дата обращения: 22 февраля 2013. Архивировано 31 марта 2012 года.
  7. Применение шестифтористой серы. Дата обращения: 20 апреля 2007. Архивировано 17 декабря 2007 года.
  8. Гохберг Б. М. Ленинградский физико-технический институт Академии наук СССР // Успехи физических наук. — 1940. — Т. XXIV, вып. 1. — С. 11-20. Архивировано 4 марта 2016 года. См. стр. 16-17, раздел «Электрическая прочность газов»
  9. 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.
  10. Коробейников С.М., д.ф.м.н., профессор. Диэлектрические материалы. 4.1.2. Электроотрицательные газы, применение газообразных диэлектриков. Дата обращения: 2 июня 2011. Архивировано 6 октября 2014 года.
  11. ЗВА :: Измерительные трансформаторы с газовой изоляцией. Дата обращения: 16 декабря 2009. Архивировано из оригинала 27 мая 2011 года.
  12. Применение SF6 в высоковольтной электронике. Дата обращения: 9 июля 2009. Архивировано 15 июля 2009 года.
  13. Элегаз. Свойства. Дата обращения: 17 июля 2012. Архивировано 6 января 2012 года.
  14. Фрагмент передачи «Разрушители мифов». Дата обращения: 20 декабря 2022. Архивировано 20 декабря 2022 года.
  15. Фрагмент передачи «Разрушители мифов». Дата обращения: 20 декабря 2022. Архивировано 6 июня 2017 года.

Литература

[править | править код]
  • Гохберг Б. М. Элегаз — электрическая газовая изоляция // «Электричество». — 1947. — № 3. — С. 15.