Гексафторид серы: свойства и применение

Введение

Химическое соединение и парниковый газ

может быть получен из элементов путем взаимодействия с . Этот же метод использовали первооткрыватели Анри Муассан и Поль Лебо в 1901 году. В качестве побочных продуктов образуются другие фториды серы, но они удаляются путем нагрева смеси для разложения избыточного (который высокотоксичен) и последующей очистки продукта раствором NaOH для уничтожения остатков . В качестве альтернативы, с использованием брома, гексафторид серы может быть синтезирован из SF4 и CoF3 при более низких температурах (например, 100 °C) по следующей схеме:

2 CoF3 + SF4 + [Br2] → SF6 + 2 CoF2 + [Br2]

Реакционная способность практически отсутствует. Основным фактором, определяющим инертность SF6, является стерическое затруднение вокруг атома серы, в то время как его более тяжелые аналоги из 16-й группы, такие как SeF6, более реакционноспособны из-за меньшего стерического затруднения. Он не реагирует с расплавленным натрием при температурах ниже точки кипения, но экзотермически реагирует с литием. Благодаря своей инертности, имеет атмосферный срок службы около 3200 лет и не имеет значительных путей удаления из окружающей среды, кроме поглощения океаном.

Приложения

К 2000 году электроэнергетическая промышленность, по оценкам, использовала около 80% производимого гексафторида серы, главным образом в качестве газового диэлектрика. К 2015 году основными областями применения также были травление кремния при производстве полупроводников и использование в качестве инертного газа при литье магния.

Диэлектрическая среда

используется в электротехнической промышленности в качестве газообразной диэлектрической среды для высоковольтных выключателей, содержащих гексафторид серы, коммутационных аппаратов и другого электрооборудования, часто заменяя масляные выключатели (OCB), которые могут содержать вредные полихлорированные бифенилы (PCB). Газ под давлением используется в качестве изолятора в газоизолированных коммутационных устройствах (GIS) благодаря значительно более высокой диэлектрической прочности по сравнению с воздухом или сухим азотом. Высокая диэлектрическая прочность обусловлена высокой электроотрицательностью и плотностью газа. Это свойство позволяет существенно уменьшить габариты электрооборудования. Это делает ГИС более подходящим для определенных применений, таких как установка в помещениях, в отличие от воздушно-изолированного электрооборудования, занимающего значительно больше места. Газоизолированное электрооборудование также более устойчиво к воздействию загрязнений и климатических факторов, а также более надежно в долгосрочной эксплуатации благодаря контролируемой рабочей среде. Воздействие электрической дуги приводит к химическому разложению, хотя большинство продуктов разложения, как правило, быстро восстанавливаются – этот процесс называется «самовосстановлением». Образование электрической дуги или коронного разряда может приводить к образованию дисульфура декафторида, высокотоксичного газа с токсичностью, аналогичной фосгену. Во время Второй мировой войны рассматривался как потенциальное химическое оружие, поскольку не вызывает слезотечения и раздражения кожи, что не позволяет своевременно обнаружить воздействие. Также часто используется в качестве высоковольтного диэлектрика в высоковольтных источниках питания ускорителей частиц, таких как генераторы Ван-де-Граафа и пеллетроны, а также высоковольтных электронных микроскопов. В качестве диэлектрических газов альтернативой могут служить различные фторкетоны. Для ряда применений до 420 кВ внедрена компактная технология ГИС, сочетающая вакуумное переключение с изоляцией чистым воздухом.

Медицинское применение

используется для тампонады или закрытия дефекта сетчатки при операциях по восстановлению отслойки сетчатки в виде газового пузыря. Он инертен в стекловидном теле. Пузырь удваивает свой объем в течение 36 часов за счет проникновения кислорода и азота, после чего абсорбируется в кровь в течение 10–14 дней. Также используется в качестве контрастного вещества для ультразвуковой визуализации. Микропузырьки гексафторида серы вводятся в виде раствора посредством инъекции в периферическую вену. Эти микропузырьки усиливают визуализацию кровеносных сосудов при ультразвуковом исследовании. Это применение использовалось для оценки васкуляризации опухолей. Он остается видимым в крови в течение 3–8 минут и выводится из организма через легкие.

Трейсерное соединение

Гексафторид серы был трассирующим газом, использованным в первой калибровке модели распространения загрязняющих веществ в воздухе на дороге. Эта исследовательская программа была спонсирована Агентством по охране окружающей среды США и проведена в Саннивейле, Калифорния, на шоссе США 101. Гексафторид серы используется в качестве индикатора в краткосрочных экспериментах по оценке эффективности вентиляции в зданиях и закрытых помещениях, а также для определения скорости инфильтрации. Два основных фактора обуславливают его применение: его концентрацию можно измерять с достаточной точностью даже при очень низких концентрациях, и концентрация гексафторида серы в атмосфере Земли пренебрежимо мала. Гексафторид серы был использован в качестве нетоксичного тестового газа в эксперименте, проведенном 25 марта 2007 года на станции метро St John's Wood в Лондоне, Великобритания. Газ был выпущен по всей станции и отслеживался по мере его распространения. Целью эксперимента, о котором было объявлено в начале марта госсекретарем по транспорту Дугласом Александром, было исследование того, как токсичный газ может распространяться по станциям лондонского метро и зданиям в случае террористической атаки. Гексафторид серы также регулярно используется в качестве трассирующего газа при лабораторных испытаниях на герметичность вытяжных шкафов. Газ применяется на заключительном этапе квалификации вытяжных шкафов по стандарту ASHRAE 110. Внутри вытяжного шкафа создается газовый шлейф, и проводится серия тестов, в то время как газовый анализатор, расположенный снаружи шкафа, отбирает пробы для определения концентрации SF6 и проверки герметичности вытяжного шкафа. Он успешно применяется в качестве трассера в океанографии для изучения диапикного смешения и обмена газами между атмосферой и океаном.

Парниковые газы

По данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата, гексафторид серы – это самый мощный парниковый газ. Его потенциал глобального потепления в 23 900 раз превышает потенциал углекислого газа при сравнении в течение 100 лет. Гексафторид серы инертен в тропосфере и стратосфере и обладает чрезвычайно длительным сроком службы, с расчетным временем жизни в атмосфере 800–3200 лет. Измерения СФ6 показывают, что его глобальное среднее мольное содержание увеличилось с устойчивого уровня около 54 частей на квадриллион. Средняя глобальная концентрация СФ6 увеличивалась примерно на семь процентов в год в 1980-х и 1990-х годах, главным образом из-за его использования в производстве магния, а также энергетическими компаниями и производителями электроники. Учитывая небольшие объемы выбросов СФ6 по сравнению с углекислым газом, его общий индивидуальный вклад в глобальное потепление оценивается менее чем в 0,2 процента, однако совокупный вклад СФ6 и подобных антропогенных галогенированных газов к 2020 году достиг около 10 процентов. Ведутся испытания альтернативных веществ. В Европе гексафторид серы подпадает под действие F-Gas Directive, которая запрещает или ограничивает его использование в ряде областей. С 1 января 2006 года его использование запрещено в качестве трассировочного газа и во всех областях применения, кроме высоковольтных выключателей. В 2013 году сообщалось, что трехлетняя работа Министерства энергетики США по выявлению и устранению утечек в своих лабораториях в Соединенных Штатах, таких как Лаборатория физики плазмы Принстона, где газ используется в качестве высоковольтного изолятора, оказалась продуктивной, сократив годовые утечки на 30%. Это было достигнуто путем сопоставления закупок с запасами, предположения о том, что разница была вызвана утечкой, а затем обнаружением и устранением этих утечек.

Физиологические эффекты и меры предосторожности

Гексафторид серы является нетоксичным газом, но, вытесняя кислород в легких, он также несет риск асфиксии при чрезмерном вдыхании. Поскольку он плотнее воздуха, значительное количество газа, при выбросе, будет скапливаться в низинах и представлять серьезную опасность удушья при попадании в эту зону. Это особенно важно учитывать при его использовании в качестве изолятора в электрическом оборудовании, так как рабочие могут находиться в траншеях или котлованах под оборудованием, содержащим его. Как и для всех газов, плотность влияет на резонансные частоты голосового тракта, что резко меняет качества голосового звука, или тембр, у тех, кто его вдыхает. Это не влияет на вибрацию голосовых связок. Плотность гексафторида серы относительно высока при комнатной температуре и давлении из-за большой молярной массы газа. В отличие от гелия, который имеет молярную массу около 4 г/моль и повышает высоту голоса, гексафторид серы имеет молярную массу около 146 г/моль, а скорость звука в газе составляет около 134 м/с при комнатной температуре, понижая высоту голоса. Для сравнения, молярная масса воздуха, состоящего примерно из 80% азота и 20% кислорода, составляет около 30 г/моль, что обеспечивает скорость звука 343 м/с. Гексафторид серы обладает анестезирующей эффективностью, немного ниже, чем у закиси азота; он классифицируется как мягкий анестетик.