Schwefelhexafluorid

Strukturformel
Allgemeines
Name	Schwefelhexafluorid
Andere Namen	Schwefel(VI)-fluorid
Summenformel	SF6
CAS-Nummer	2551-62-4
PubChem	17358
Kurzbeschreibung	farb- und geruchloses Gas[1]
Eigenschaften
Molare Masse	146,05 g·mol−1
Aggregatzustand	gasförmig
Dichte	6,63 kg·m−3 (0 °C, 1013 hPa)[1]
Sublimationspunkt	−50,8 °C[1]
Dampfdruck	2,11 MPa (20 °C)[1]
Löslichkeit	sehr schlecht in Wasser (40 mg·l−1)[2]
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [1] Achtung H- und P-Sätze H: 280 EUH: keine EUH-Sätze P: 403 [1] EU-Gefahrstoffkennzeichnung [1] keine Gefahrensymbole R- und S-Sätze R: keine R-Sätze S: 9-23
GWP	22.800 (bezogen auf 100 Jahre) [3]
Thermodynamische Eigenschaften
ΔHf0	−1220 kJ·mol−1
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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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 Elementen durch Umsetzung elementaren Schwefels (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 Normalbedingungen gasförmig. Es hat eine etwa fünfmal höhere Dichte als Luft. Sein Sublimationspunkt liegt bei −50,8 °C. Die kritische Temperatur beträgt 45,55 °C, das kritische Volumen ist 197,4 ml/mol und der kritische Druck liegt bei 3,76 MPa.

Chemische Eigenschaften

Bindungslängen und -winkel

Die sechs Fluoratome sind perfekt oktaedrisch um das zentrale Schwefelatom angeordnet; die Bindungslänge beträgt jeweils 156,1 pm. Aufgrund seiner Struktur ist es praktisch chemisch inert und verhält sich daher ähnlich wie elementarer Stickstoff oder die Edelgase. Es ist nahezu unlöslich in Wasser und nicht entflammbar.

Auf Grund seiner Inertheit sind Reaktionen in der Regel nur unter drastischeren als der Normalbedingung durchführbar. So setzt sich Natrium mit SF₆ in flüssigem Ammoniak zu Natriumsulfid und Natriumfluorid um:

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

In Gegenwart von Schwefelwasserstoff ist die Komproportionierung zu elementarem Schwefel und Fluorwasserstoff (HF) bekannt:

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

SF₆ ist isoelektronisch zu den Anionen Hexafluorophosphat (PF₆⁻), Hexafluorosilicat (SiF₆²⁻) und Hexafluoroaluminat (AlF₆³⁻).

Verwendung

Mit SF₆ betriebene Schaltanlage

Wegen seiner hohen Dichte, der hohen Ionisierungsenergie und der Eigenschaft, freie Elektronen zu binden, wird Schwefelhexafluorid (SF₆) als Isoliergas in der Mittel- und Hochspannungstechnik eingesetzt, beispielsweise in Hochspannungsschaltern^[4], in komplett gekapselten Schaltanlagen von 6 kV bis 800 kV. Dort dient es auch als Löschgas, um den Schaltlichtbogen zu unterbrechen.

In Schaltanlagen mit dem prinzipiell ungiftigen SF₆-Gas entstehen allerdings im Laufe des Betriebes durch die Lichtbögen in Kombination mit Verunreinigungen wie einen geringen Wasseranteil giftige Fluorid-Verbindungen wie Fluorwasserstoff, Thionylfluorid und Tetrafluormethan und das hochgiftige Dischwefeldecafluorid (S₂F₁₀). Aus diesen Gründen müssen bei gasdichten SF₆-Schaltanlagen vor Wartungsarbeiten entsprechende Sicherheitsrichtlinien zur Entlüftung beachtet werden.^[5]

Die Durchschlagsfestigkeit ist bei Atmosphärendruck fast dreimal höher als in Luft oder Stickstoff. Diese Eigenschaften sowie die geringen dielektrischen Verluste machen es als Isoliergas in Koaxialkabeln und gasisolierten Hochfrequenz-Leistungskondensatoren geeignet.

Weiterhin wird SF₆ zur Dichtheitsprüfung von Leckagen von 1·10⁻⁹ mbar·l/s eingesetzt. Es wird als Isoliergas beim Routinetesten (Prüfung) mikroelektronischer Schaltkreise im Rahmen der Qualitätssicherung verwendet.

Bei der Herstellung von Halbleiter-Bauteilen dient es als Ätzgas: SF₆ ist das reaktive Gas beim reaktiven Ionenätzen (RIE) und DRIE (von engl. Deep Reactive Ion Etching). Außerdem wird es auf ähnliche Weise zum Reinigungsätzen unter anderem bei der Display-Fertigung eingesetzt.

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.

SF₆ wurde früher als Isoliergas zwischen Isolierglasscheiben benutzt sowie als Füllgas in Sohlen von Sportschuhen. Außerdem wurde Schwefelhexafluorid bis etwa zum Jahr 2000 auch zur Befüllung von Autoreifen eingesetzt, obwohl das, bedingt durch den hohen Preis des Schwefelhexafluorides, pro Reifensatz bis zu 100 DM (ca. 50 €) kostete (siehe auch Reifengas). Alle drei vorgenannten Anwendungen sind inzwischen aus Gründen des Umweltschutzes verboten.^[6][7]

Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften, der geringen Hintergrundkonzentration in der Atmosphäre und der sehr guten Nachweisbarkeit in Gasanalysatoren wird SF₆ aktuell noch als Tracergas für Lüftungseffizienz-Messungen in sehr geringen Mengen verwendet. Für viele Anwendungen werden jedoch mittlerweile weniger klimaschädliche Gase eingesetzt.^[8]

Klimaschädlichkeit

SF₆-Gas ist laut einer Studie des Intergovernmental Panel on Climate Change (Zwischenstaatlicher Ausschuss für Klimaänderungen) das stärkste bekannte Treibhausgas. 1 kg dieses Gases ist, auf einen Zeitraum von 100 Jahren betrachtet, genauso schädlich wie 22.800 kg Kohlendioxid (CO₂).^[3] Wegen der sehr geringen Konzentration von SF₆ in der Erdatmosphäre (ca. 0,005 ppb volumenbezogen, was 0,12 ppmV CO₂-Äquivalent entspricht.; CO₂ ca. 385 ppm) wird sein Einfluss auf die globale Erwärmung jedoch als verhältnismäßig gering betrachtet. Es trägt nicht wesentlich zur Zerstörung der Ozonschicht bei. Der Abbau des SF₆-Gases in der Atmosphäre durch energiereiche UV-Strahlung der Sonne dauert ca. 3.200 Jahre. Die Emission durch elektrotechnische Anlagen in Deutschland betrug 1997 10 % von 238 t der Gesamtemission.

Der Anstieg der SF₆-Konzentration in den letzten Jahren ist aber enorm. So stieg er an der Station Bukit Kototabang in Indonesien von 5,3 ppt Anfang 2004 auf 6,3 ppt Ende 2008, was einem Anstieg um ca. 19 % in nur 5 Jahren entspricht. ^[9]

Kurioses

Wegen seiner etwa fünfmal höheren Dichte im Vergleich zu normaler Luft kann Schwefelhexafluorid wie eine Flüssigkeit in Behälter gegossen werden. Auf dem SF₆-Spiegel können dann extrem leichte Objekte, etwa Schalen aus Alufolie, „schwimmen“.

Zu einem interessanten Effekt kommt es, wenn SF₆ eingeatmet wird. Im Gegensatz zu Helium erhält man wegen der gegenüber Luft wesentlich höheren Dichte von SF₆ und der daraus resultierenden geringeren Schallgeschwindigkeit im Gas (129 m/s, Faktor 0,39 gegenüber Luft) eine tiefe Stimmlage. Vor derartigen Experimenten wird ausdrücklich gewarnt, da Schwefelhexafluorid die Abatmung des Kohlenstoffdioxids 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 seiner hohen molaren Masse die mittlere freie Weglänge herabsetzt.

Literatur

• Arnold Fr. Holleman, Egon Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 101 Auflage. Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9, S. 561ff.

Weblinks

• SF₆ in elektrischen Betriebsmitteln > 1000 Volt Informationsseiten zum Thema SF₆ vom Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e. V. (ZVEI)
• International Chemical Safety Cards: Schwefelhexafluorid (englisch)
• Video der beiden Effekte im Abschnitt Kurioses

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c d e f g} Eintrag zu Schwefelhexafluorid in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 18. Oktober 2009 (JavaScript erforderlich).
2. ↑ Sicherheitsdatenblatt (praxair).
3. ↑ ^{a b} P. Forster, P., V. Ramaswamy et al.: Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing. In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge und New York 2007, S. 212, (PDF).
4. ↑ Technik von Hochspannungsschaltern.
5. ↑ SF₆-Anlagen, Berufsgenossenschaft der Feinmechanik und Elektrotechnik, Mai 2008.
6. ↑ Chemikalien-Risikoreduktions-Verordnung, Anhang 1.5
7. ↑ Verordnung (EG) Nr. 842/2006 über bestimmte fluorierte Treibhausgase, Art. 8f. sowie Anhang II.
8. ↑ Galle, B.; Samuelsson, J.; Svensson, B. H. und Borjesson G: Measurements of Methane Emissions from Landfills Using a Time Correlated Tracer Method Based on FTIR Absorption Spectroscopy. In: Environmental Science and Technology, 2001, Bd. 35, Nr. 1, S. 21–25.
9. ↑ http://www.bmg.go.id/data.bmkg?Jenis=Teks&IDS=1421247521522528389.