Гексафтори́д се́ры (также элега́з или шестифто́ристая се́ра , SF ₆ ) — 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:

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

Также гексафторид серы образуется при разложении сложных фторидов серы:

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

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 .

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

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

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

Твёрдый гексафторид серы имеет плотность 2,683 г/см ³ при −195 °C, 2,51 г/см ³ при −50 °C .

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) .

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

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

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
	291,6 Дж/(моль·К)
Теплоёмкость	97,15 Дж/(моль·К)
Теплопроводность	12,058 мВт/(м·К)
Критическая температура	318,697...318,712 К (45,547...45,562 °С)
Критическое давление	3,71 МПа (по разным данным, от 37,113 до 38,27 атм )
	198,0 см 3 /моль
Критическая плотность	0,73...0,7517 г/см 3
Теплота плавления	1,1...1,39 ккал/моль
(при −63,8 °C)	5,64...5,57 ккал/моль

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 NH ₃ , 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 , PbCrO ₄ и расплавленного KOH , 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 (см. ).

С водородом и кислородом гексафторид не реагирует. Однако при сильном нагревании (до 400 °C) SF ₆ 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 SF ₆ окисляет PF ₃ до PF ₅ :

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

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 ;
• 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 в ЛФТИ исследовал электрические свойства ряда газов и обратил внимание на некоторые свойства шестифтористой серы SF ₆ (элегаза) . 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 .

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 .

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 . Также элегаз используется как среда дугогашения в высоковольтных выключателях .

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 3847 дней ]} .

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 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

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» .

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» . Аналогичный эффект создаёт и ксенон . А гелий , который в 6 раз легче воздуха, при вдыхании, наоборот, создаёт тонкий и писклявый голос.

Примечания

Литература

• Элегаз — электрическая газовая изоляция (рус.) // «Электричество». — 1947. — № 3 . — С. 15 .

См. также

• Тетрафторид серы — SF ₄
• Декафторид дисеры — S ₂ F ₁₀