Schwefelhexafluorid

Strukturformel und Kalottenmodell
Sulfur-hexafluoride.png	Sulfur-hexafluoride-3D-vdW.png
Allgemeines
Name	Schwefelhexafluorid
Andere Namen	Schwefel(VI)-fluorid
Summenformel	SF₆
CAS-Nummer	2551-62-4
Kurzbeschreibung	farbloses Gas
Eigenschaften
molare Masse	146,06 g/mol
Aggregatzustand	gasförmig bei Raumtemperatur (20°C)
Dichte	6,16 g/l
Relative Dichte (Luft = 1)	5,114 g/cm³
Schmelzpunkt	-50,8 °C
Sublimationspunkt	-63,8 °C
Kritische Temperatur	45,55 °C
Kritischer Druck	3,76 MPa
Dampfdruck	21 bar bei 20 °C
Löslichkeit	41 mg/l in Wasser
Sicherheitshinweise
Gefahrensymbole
keine
R- und S-Sätze	R: - S: -
MAK	6000 mg/m³
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Schwefelhexafluorid ist eine anorganische, chemische Verbindung aus den Elementen Schwefel und Fluor mit der Summenformel SF₆. Es ist unter Normalbedingungen ein farb- und geruchloses, ungiftiges Gas, das unbrennbar ist und sich äußerst reaktionsträge, ähnlich wie Stickstoff, verhält.

Gewinnung und Darstellung

Schwefelhexafluorid kann direkt aus den elementaren Verbindung, durch Umsetzung von elementarem Schwefel (S₈) im Fluorgasstrom (F₂) synthetisiert werden. Die Reaktion verläuft stark exotherm.

$\mathrm{S_8} + 24\ \mathrm{F_2} \longrightarrow 8\ \mathrm{SF_6} \qquad \Delta H_{R}^0 = -1220\ \mathrm{kJ/mol}$

Neben SF₆ bilden sich bei diesem Syntheseweg auch weitere Schwefelfluoride, wie zum Beispiel Dischwefeldecafluorid (S₂F₁₀). Daher wird bei der technischen Herstellung das Gas auf 400 °C erhitzt, wodurch eine Disproportionierung von Dischwefeldecafluorid in Schwefelhexafluorid und Schwefeltetrafluorid (SF₄) erfolgt.

$\mathrm{S_2F_{10}} \longrightarrow \mathrm{SF_6} + \mathrm{SF_4}$

Durch Waschen des Gasgemisches in Lauge wird das Schwefeltetrafluorid zerstört, während SF₆ durch die Lauge nicht angegriffen wird.

$\mathrm{SF_4} + 6\ \mathrm{OH^-}\longrightarrow \mathrm{SO_3^{2-}} + 4\ \mathrm{F^-} + 3\ \mathrm{H_2O}$

Durch anschließende Druckdestillation wird das reine SF₆ abgetrennt.

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Schwefelhexafluorid ist unter Normal- und Standardbedingungen gasförmig. Es ist ca. 5 mal dichter als Luft. Sein Schmelzpunkt liegt bei -50,8 °C, der Sublimationspunkt bei -63,8 °C. Die kritische Temperatur beträgt 45,55 °C und der kritische Druck liegt bei 3,76 MPa.

Chemische Eigenschaften

Die sechs Fluoratome sind perfekt oktaedrisch um das zentrale Schwefelatom angeordnet, die Bindungslänge beträgt jeweils 156,1 pm. Aufgrund seiner Struktur (der Schwefel ist koordinativ abgesättigt) ist es praktisch inert (reaktionsträge) und verhält sich chemisch dadurch ähnlich wie elementarer Sticktstoff (N₂) oder die Edelgase. Es ist nahezu unlöslich in Wasser und nicht entflammbar.

Reaktionen von SF₆ sind einzig mit Natrium in flüssigem Ammoniak zu Natriumsulfid (Na₂S) und Natriumfluorid (NaF)

$\mathrm{SF_6} + 8\ \mathrm{Na} \longrightarrow \mathrm{Na_2S} + 6\ \mathrm{NaF}$

sowie die Komproportionierung mit Schwefelwasserstoff (H₂S) zu elementarem Schwefel und Fluorwasserstoff (HF) bekannt.

$2\ \mathrm{SF_6} + 6\ \mathrm{H_2S} \longrightarrow \mathrm{S_8} + 12\ \mathrm{HF}$

SF₆ ist weiterhin isoelektronisch zu den Anionen Hexafluorophosphat (PF₆^-), Hexafluorosilicat (SiF₆^2-) und Hexafluoroaluminat (AlF₆^3-).

Verwendung

Da Schwefelhexafluorid sehr reaktionsträge ist, wird es als Isolationsgas in der Hochspannungstechnik eingesetzt, z.B. in Hochspannungsschaltern in Schaltanlagen wie auch in komplett gekapselten Schaltanlagen von 6 kV bis 800kV. Dort dient es auch als Löschgas, um den Schaltlichtbogen zu unterbrechen. Die Durchschlagsfestigkeit ist bei Atmosphärendruck fast dreimal höher als Luft oder Stickstoff. Diese geringen dielektrischen Verluste machen es als Schutzgas in Koaxialkabeln geeignet. Zur Befüllung von Autoreifen wurde es bis etwa zum Jahr 2000 eingesetzt, dort wurde aus Kosten- und Umweltgründen auf die Befüllung mit dem Reifengas Stickstoff umgestellt.
Weiterhin wird SF₆ in Halbleiter-, Displaytechnik und Mikrotechnik eingesetzt. Im Halbleiterbereich dient es als Ätzgas und wird als Isoliergas beim Routinetesten mikroelektronischer Schaltkreise im Rahmen der Qualitätssicherung verwendet. Außerdem wird es zum Reinigungsätzen eingesetzt. Dies ist auch das primäre Einsatzgebiet von SF₆ im Display-Bereich. In der Mikrotechnik ist SF₆ ein Schlüsselmedium im sehr verbreiteten DRIE-Prozess (DRIE-Prozess = Deep Reactive Ion Etching).
Weiterhin verwendet man SF₆ in großem Umfang als Schutzgas bei der technischen Erzeugung von Magnesium. Das spezifisch schwere SF₆ verhindert hier den Kontakt der heißen Metallschmelze mit der Luft. Prozessbedingt werden bei dieser Anwendung sehr große SF₆-Mengen in die Atmosphäre abgegeben.

Einfluss auf die Umwelt

Laut einer Studie des Intergovernmental Panel on Climate Change (Zwischenstaatlicher Ausschuss für Klimaänderungen) ist Schwefelhexafluorid das stärkste bekannte Treibhausgas. Sein Treibhauspotenzial ist etwa 23.900 mal größer als das von Kohlenstoffdioxid (CO₂). Aufgrund der sehr geringen Konzentration von SF₆ in der Erdatmosphäre (ca. 0,005 ppb volumenbezogen, was 0,12 ppmV-CO₂-Äquivalent entspricht.; CO₂ ca. 365 ppm) wird sein Einfluss auf die globale Erwärmung jedoch als äußerst gering betrachtet.

Kurioses

Zu einem interessanten Effekt kommt es, wenn SF₆ eingeatmet wird. Im Gegensatz zu Helium erhält man wegen einer wesentlich höheren spezifischen Masse von SF₆ als Luft eine tiefe Stimmlage. Vor derartigen Experimenten wird ausdrücklich gewarnt, da Schwefelhexafluorid die Abatmung des Kohlendioxids behindert. Die Gefahr einer Kohlendioxidnarkose oder eines Atemstillstandes ist größer als bei der Verwendung anderer sauerstofffreier Gase wie Stickstoff oder Helium. Hintergrund ist die geringere Diffusionsgeschwindigkeit von Gasen in Schwefelhexafluorid, das auf Grund seines großen Stoßquerschnitts und seines hohen Molekulargewichtes die mittlere freie Weglänge herabsetzt.

Literatur

Holleman A.F., Wiberg E.: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 101. Aufl., S. 561 ff, de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9

Weblinks

SF₆ in elektrischen Betriebsmitteln > 1000 Volt Informationsseiten zum Thema SF₆ vom Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V. (ZVEI)
International Chemical Safety Cards: Schwefelhexafluorid (en)
Industriegasverband: Gefahren beim missbräuchlichen Einatmen von Schwefelhexafluorid SF6

Chemische Verbindung

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