Schwefelhexafluorid

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.

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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.

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.

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

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 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 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:

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

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SF₆ ist 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 Mittel- und Hochspannungstechnik eingesetzt, beispielsweise in Hochspannungsschaltern 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. Diese geringen dielektrischen Verluste machen es als Schutzgas in Koaxialkabeln geeignet.
Weiterhin wird SF₆ in Halbleiter-, Displaytechnik, Dichtheitsprüfung von Leckagen von 1x10E-09 mbarl/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.

Bis etwa zum Jahr 2000 wurde Schwefelhexafluorid auch zur Befüllung von Autoreifen eingesetzt obwohl das, durch den hohen Preis des Schwefelhexafluorides, pro Reifensatz bis zu 100 DM = 51,13 € kostete. Inzwischen wurde aus Kosten- und Umweltgründen, neben der klassischen kostenlosen Luftbefüllung, auf die Befüllung mit dem „Reifengas“ Stickstoff umgestellt. Außerdem sollen Autoreifen nicht mit SF₆ befüllt werden, weil es die Reifen schädigen kann und auch schneller aus den Reifen diffundiert als Luft*^[2].

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^[3] 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 verhältnismäßig gering betrachtet.

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 einer wesentlich höheren spezifischen Masse von SF₆ als 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

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

Quellen

1. ↑ ^{a b c d e f g h i j k} Sicherheitsdatenblatt (praxair)
2. ↑ Volkswagen rät von der Verwendung von SF6 ab
3. ↑ Intergovernmental Panel on Climate Change (hrsg.), Climate Change 2001: The Scientific Basis, 2001, S. 244 (www.ipcc.ch)