Гексафторид серы (также элегаз или шестифтористая сера, SF₆) — неорганическое вещество, при нормальных условиях 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:

S + 3F₂ → SF₆

Также гексафторид серы образуется при разложении сложных фторидов серы:

S₂F₁₀ → SF₆ + SF₄

Физико-химические свойства

Практически бесцветный газ, обладающий высоким (89 кВ/см) пробивным напряжением. Электрическая прочность элегаза зависит от давления, она в 2-4 раза выше, чем у воздуха.

В нем содержится 21,95 % серы и 78,05 % фтора. При нормальном давлении элегаз может находиться в любом из трёх агрегатных состояний при температуре до минус 50,8 °С.

Плохо растворим в воде (1 объём SF₆ в 200 объёмах воды), этиловом спирте и диэтиловом эфире^[1], хорошо растворим в нитрометане^[2].

Плотность элегаза при T=273 K и давлении р=0,1 МПа составляет 6,56 кг/м³. Относительная диэлектрическая проницаемость — 1,0021. Полное число степеней свободы молекулы элегаза равно 36, из них три степени свободы — в поступательном движении, три — во вращательном, а остальные — в колебательном. Диаметр молекулы равен 5,33 Å.

Термодинамические величины

Химические свойства

Гексафторид серы — достаточно инертное соединение, не реагирует с водой, вероятно из-за кинетических факторов, так как свободная энергия Гиббса реакции существенно отрицательна. Не реагирует также с растворами HCl и NaOH^[3], однако при действии восстановителей могут протекать некоторые реакции.

Взаимодействие с металлическим натрием проходит только при нагревании, однако уже при 64 °C взаимодействует с раствором натрия в аммиаке.

SF₆ + 8Na → 6NaF + Na₂S,

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

2SF₆ + 6H₂S → S₈ + 12 HF;

SF₆ + 8HI → 6HF + H₂S + 4I₂.

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

SF₆ + PF₃ → PF₅ + SF₄.

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;^[4];
• для изменения тембра голосовых связок (эффект пониженной тональности голоса), противоположно гелию^[5];
• для улучшения звукоизоляции в стеклопакетах;
• в полупроводниковой промышленности для травления кремния.

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)^[6]. Электрическая прочность при атмосферном давлении и зазоре 1 см составляет Е=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^[7].

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 достаточно 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.^[8] Также элегаз используется как среда дугогашения в высоковольтных выключателях^[9].

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.

Примечания