Schwefelhexafluorid

Strukturformel
Allgemeines
Name	Schwefelhexafluorid
Andere Namen	Schwefel(VI)-fluorid R-846 (Kältemittel)
Summenformel	SF6
Kurzbeschreibung	farb- und geruchloses Gas
Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 2551-62-4 ECHA-InfoCard 100.018.050 PubChem 17358 DrugBank DBDB11104 Wikidata Q279055
Eigenschaften
Molare Masse	146,05 g·mol−1
Aggregatzustand	gasförmig
Dichte	6,63 kg·m−3 (0 °C, 1013 hPa)
Sublimationspunkt	−63,8 °C
Dampfdruck	2,11 MPa (20 °C)
Löslichkeit	sehr schlecht in Wasser (40 mg·l−1)
Dipolmoment	0
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung Achtung H- und P-Sätze H: 280 P: 403
Treibhauspotential	22.800 (bezogen auf 100 Jahre)
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 (0 °C, 1000 hPa).

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. Bei Normaldruck und einer Temperatur von −63,8 °C geht es durch Sublimation direkt vom festen in den gasförmigen Zustand über.

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 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.

$\mathrm {S_{2}F_{10}} \longrightarrow \mathrm {SF_{6}} +\mathrm {SF_{4}}$

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

$\mathrm {SF_{4}} +6\ \mathrm {OH^{-}} \longrightarrow \mathrm {SO_{3}^{2-}} +4\ \mathrm {F^{-}} +3\ \mathrm {H_{2}O}$

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 −63,8 °C.

Der Tripelpunkt liegt bei einer Temperatur von −50,8 °C und bei einem Druck von 2,26 bar. Erst oberhalb dieses Drucks ist auch eine flüssige Phase möglich.

Der kritische Punkt liegt bei einer Temperatur von 45,6 °C, einem kritischen Druck von 3,76 MPa und einer kritischen Dichte von 0,735 g·cm⁻³.

Kristall- und Molekülstruktur

Bei tiefen Temperaturen kristallisiert es im monoklinen Kristallsystem.

Im gasförmigen Zustand ist das SF₆-Molekül oktaedrisch (O_h); die S–F-Bindungslänge beträgt 156,4 pm.

• 
  Elementarzelle des Schwefelhexafluorids
• 
  Bindungslänge und -winkel beim gasförmigen Schwefelhexafluorid

Chemische Eigenschaften

Aufgrund seiner Struktur ist es praktisch chemisch inert und verhält sich daher ähnlich wie molekularer 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:

$\mathrm {SF_{6}} +8\ \mathrm {Na} \longrightarrow \mathrm {Na_{2}S} +6\ \mathrm {NaF}$.

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

$2\ \mathrm {SF_{6}} +6\ \mathrm {H_{2}S} \longrightarrow \mathrm {S_{8}} +12\ \mathrm {HF}$.

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

Verwendung

Mit SF₆ betriebene Schaltanlage

Schwefelhexafluorid (SF₆) wird als Isoliergas in der Mittel- und Hochspannungstechnik eingesetzt, beispielsweise in gasisolierten Schaltanlagen (GIS) mit Hochspannungsschaltern und bei gasisolierten Rohrleitern (GIL) in komplett gekapselten Anlagen mit Betriebsspannungen von 6 kV bis 800 kV. Es dient dabei auch als Löschgas, um den Schaltlichtbogen zu unterbrechen.

Die Durchschlagsfestigkeit ist bei Atmosphärendruck fast dreimal so hoch wie in Luft oder Stickstoff. Diese Eigenschaften sowie die geringen dielektrischen Verluste machen es als Isoliergas in Koaxialkabeln und gasisolierten Hochfrequenz-Leistungskondensatoren geeignet. Als Isolationsgas in elektrischen Schaltanlagen wird es unter erhöhtem Druck von 5 bar bis 10 bar gehalten, um die nötige hohe Isolationsfähigkeit sicherzustellen. Der erhöhte Gasdruck ist deshalb notwendig, weil damit die mittlere Weglänge der freien Elektronen im Gas reduziert wird (siehe Paschen-Gesetz); dadurch können Elektronen nicht so stark beschleunigt werden wie bei Normaldruck und stoßen somit eher mit den SF₆-Molekülen zusammen.

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

Weiterhin wird SF₆ zur Dichtheitsprüfung von Leckagen von 1·10⁻⁹ mbar·l/s eingesetzt. Es wird als Isoliergas für Routinetests (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 in der Display-Fertigung eingesetzt.

Weiterhin verwendet man SF₆ als Schutzgas bei der Erzeugung von Magnesium. Das SF₆, spezifisch schwerer als Luft, verhindert hier den Kontakt der heißen Metallschmelze mit der Umgebungsluft. 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 es, bedingt durch den hohen Preis des Schwefelhexafluorides, pro Reifensatz bis zu 100 DM (ca. 50 Euro) kostete (siehe auch Reifengas). Alle drei vorgenannten Anwendungen sind inzwischen aus Gründen des Umweltschutzes verboten.

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.

In der Augenheilkunde wird ein Gemisch aus Schwefelhexafluorid und Luft gegen Netzhautablösung eingesetzt, um ein Wiederanlegen der Netzhaut zu erreichen. Dazu wird während der operativen Glaskörperentfernung (Vitrektomie) das Gasgemisch in den Glaskörperraum (Camera vitrea bulbi) zu dem Zweck eingebracht, die Netzhaut auf ihre Unterlage zu drücken (Endotamponade).

SF₆ wird als Ultraschallkontrastmittel in der Medizin seit dem Jahre 2001 eingesetzt. Hier dient es insbesondere dem Nachweis Lebermetastasen maligner Tumore. Vorteile sind eine sehr hohe zeitliche und örtliche Kontrastauflösung. Schilddrüsenerkrankungen und Niereninsuffizienz stellen keine Kontraindikation zur Durchführung dieser Untersuchung dar. Mit Hilfe von SF₆ können Leberherde zu ca. 90% korrekt nachgewiesen werden.

Für verspielte:
Als ein Zaubertrick könnt ihr dieses Gas einatmen. Das Gas macht deine Stimme tiefer. Wollt ihr das Gas wieder los werden, müssen sie einen Kopfstand machen, bis ihre Stimme wieder normal ist.

Klimarelevanz

Anstieg der atmosphärischen SF₆-Konzentration, gemessen auf Mauna Loa, Hawaii

SF₆-Gas ist laut Viertem Sachstandsbericht des IPCC (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 wirksam wie 22.800 kg Kohlenstoffdioxid (CO₂). Wegen der sehr geringen Konzentration von SF₆ in der Erdatmosphäre (ca. 0,005 ppb volumenbezogen, was 0,12 ppmV CO₂-Äquivalent entspricht.; CO₂ ca. 400 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 fünf Jahren entspricht.

Im Jahre 2013 wurden in Deutschland 813 Tonnen Schwefelhexafluorid abgesetzt, das sind 26 % oder 282 Tonnen weniger als 2012. Die Klimawirksamkeit der Menge im Jahre 2013 beträgt 18,5 Millionen Tonnen CO₂-Äquivalenten, wobei Teile dieser Menge auch in geschlossene Systeme gefüllt wurden. Für diese Berechnung wurde der Treibhauseffekt-Faktor 22.800 gegenüber CO₂ für einen Zeithorizont von 100 Jahren genutzt. Die Hauptmenge kam aus der Elektroindustrie mit 15 Millionen Tonnen CO₂-Äquivalenten für 2013, das ist ein Drittel weniger als 2012.

Kurioses

Wegen seiner etwa fünfmal höheren Dichte im Vergleich zu normaler Luft kann Schwefelhexafluorid wie eine unsichtbare Flüssigkeit in Behälter gegossen werden. Auf dem SF₆-Spiegel können dann sehr leichte Objekte, etwa Schalen aus Alufolie, „schwimmen“. Mit großer Sorgfalt gelingt ein solcher Versuch auch mit leichter zugänglichem CO₂.

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

• A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 566–567.

Weblinks

• International Chemical Safety Cards: Schwefelhexafluorid (englisch)
• Video der beiden Effekte im Abschnitt Kurioses