SF6-Technik

Strukturformel
Allgemeines
Name	Schwefelhexafluorid
Andere Namen	Schwefel(VI)-fluorid
Summenformel	SF6
CAS-Nummer	2551-62-4
Kurzbeschreibung	farbloses Gas
Eigenschaften
Molare Masse	146,1 g·mol−1
Aggregatzustand	gasförmig[1]
Dichte	6,18 kg·m−3 (15 °C)[1]
Schmelzpunkt	−51 °C (Sublimation)[1]
Dampfdruck	21,5 bar (21 °C)[1]
Löslichkeit	sehr schlecht in Wasser (40 mg·l−1)[1]
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung [1] keine Gefahrensymbole R- und S-Sätze R: keine R-Sätze S: 9-23
GWP	22.800 (bezogen auf 100 Jahre) [2]
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 Elementen 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 Normalbedingungen gasförmig. Es hat eine etwa fünfmal höhere Dichte als Luft. Sein Schmelzpunkt liegt bei −50,8 °C, der Sublimationspunkt bei −63,8 °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

Schaltanlage, die mit Schwefelhexafluorid betrieben wird

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^[3] in Schaltanlagen wie auch in komplett gekapselten Schaltanlagen von 6 kV bis 800 kV. Dort dient es auch als Löschgas, um den Schaltlichtbogen zu unterbrechen. Die Durchschlagsfestigkeit ist bei Atmosphärendruck fast dreimal höher als in Luft oder Stickstoff. Die geringen dielektrischen Verluste machen es als Isoliergas in Koaxialkabeln geeignet.
Weiterhin wird SF₆ in Halbleiter-, Displaytechnik, Dichtheitsprüfung von Leckagen von 1·10⁻⁹ mbar·l/s 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.

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.^{[4] [5]}

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).^[2] Wegen 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 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.

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 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 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. Außerdem sammelt sich das schwere Gas in der Lunge und kann u.U. nur durch einen Kopfstand aus der Lunge entfernt werden.

Literatur

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

Quellen

1. ↑ ^{a b c d e f} Sicherheitsdatenblatt (praxair)
2. ↑ ^{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)
3. ↑ Technik von Hochspannungsschaltern
4. ↑ Chemikalien-Risikoreduktions-Verordnung, Anhang 1.5
5. ↑ Verordnung (EG) Nr. 842/2006 über bestimmte fluorierte Treibhausgase, Art. 8f. sowie Anhang II

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)
• Video der beiden Effekte im Abschnitt Kurioses