Vlastnosti plynu SF6 nebo šestifluoridu síry
Historie SF6
SF6 nebo sírový hexafluorid jsou molekuly tvořené jedním atomem síry a šesti atomy fluoru. Tento plyn byl poprvé zjištěn v roce 1900 v laboratořích Faculte de Pharmacie de v Paříži. V roce 1937 společnost General Electrical Company poprvé zjistila, že plyn SF6 lze použít jako plynný izolační materiál. Po druhé světové válce, tedy v polovině 20. století, se popularita používání sírového hexafluoridu jako izolačního materiálu v elektrických systémech velmi rychle zvyšovala. Společnosti Allied Chemical Corporation a Pennsalt byly první americké firmy, které začaly tento plyn komerčně vyrábět v roce 1948. V roce 1960 se stalo populárním používání plynu sírového hexafluoridu v vysoce napěťovém přepínači. S rostoucím poptávkou po tomto plynu mnoho výrobců v Evropě a Americe začalo vyrábět plyn SF6 na velkém měřítku. Na začátku byl plyn SF6 používán pouze k izolačnímu účelu v elektrickém systému. Brzy se však ukázalo, že tento plyn má vynikající vlastnosti pro uhasení oblouku. Proto začal být tento plyn také používán v obvodu jako prostředek pro uhasení oblouku. První podzemní elektrická stanice s izolací plynem SF6 byla založena v Paříži v roce v roce 1966. Středně napěťové obvody s rozvaděči s plynem sírovým hexafluoridem byly uvedeny na trh v roce 1971.
Výroba plynu SF6
Plyn SF6 se komerčně vyrábí reakcí fluoru (získaného elektrolýzou) se sírou.
Během procesu výroby tohoto plynu se vytvářejí i vedlejší produkty, jako SF4, SF2, S2F2, S2F10 v malých procentech. Kromě těchto vedlejších produktů obsahuje plyn během výroby i nepurity, jako vzduch, vlhkost a CO2. Všechny tyto vedlejší produkty a nepurity jsou filtrovány v různých fázích čištění, aby byl dosažen čistý a upravený konečný produkt.
Chemické vlastnosti plynu SF6
Pro zkoumání chemických vlastností plynu SF6, nejprve představíme strukturu molekuly SF6. V této molekule je jeden atom síry obklopen šesti atomy fluoru.
Síra má atomové číslo 16. Elektronová konfigurace atomu síry je 2, 8, 6, tj. 1S2 2S2 2P6 3S2 3P4. Atom fluoru má atomové číslo 9. Elektronová konfigurace fluoru je 1S2 2S2 2P5. Každý atom síry v molekule SF6 vytváří kovalentní vazbu s šesti atomy fluoru. Tímto způsobem získá atom síry celkem 6 kovalentních vazeb, tj. 6 párů elektronů na vnější slupce, a každý atom fluoru získá 8 elektronů ve své nejvnější slupce.
NB: – Zde můžeme pozorovat, že u sírového hexafluoridu má vnější slupka atomu síry 12 elektronů namísto 8 elektronů. To znamená, že zde síra nesplňuje obecné oktetové pravidlo atomové struktury, které říká, že stabilní atom potřebuje 8 elektronů ve své nejvnější slupce. Toto není výjimečný případ. Některé prvky v 3. periodě a nižší mohou tvořit sloučeniny, které mají více než 8 elektronů ve své nejvnější slupce. Molekulární struktura tohoto plynu je znázorněna níže,
Tímto způsobem plně splňuje SF6 stabilní strukturní podmínky. Efektivní poloměr molekuly sírového hexafluoridu je 2,385 A. Tato elektronová konfigurace a struktura tohoto plynu dělá ze SF6 extrémně stabilní. Plyn může být stabilní bez jakékoli dekompozice v jeho molekulární struktu až do 500°C. Je vysokonelamživý. H2O a Cl nemohou s tímto plynem reagovat. Tento plyn také nereaktuje s kyselinami.
Plyn SF6 je jedním z nejtěžších plynů. Hustota tohoto plynu při 20°C a při atmosférickém tlaku je asi 6,139 kg/m3, což je asi 5krát vyšší než u vzduchu za stejných podmínek. Molekulová hmotnost tohoto plynu je 146,06. Variace tlaku s teplotou je lineární pro sírový hexafluorid a je malá v pracovním rozmezí teplot, tedy od -25 do +50°C. Objemová specifická tepelná kapacita tohoto plynu je také vysoká. Je to asi 3,7krát víc než u vzduchu, a proto má tento plyn významný chladicí efekt v elektrickém zařízení. Tepelná vodivost tohoto plynu není velmi vysoká, je dokonce nižší než u vzduchu. Stále je však vhodná pro chladicí efekt v rozvaděči. Důvodem je, že během disociace molekul sírového hexafluoridu kolem elektrického oblouku tyto molekuly absorbují velké množství tepla. Toto teplo je pak uvolněno, když se molekuly znovu vytvoří na periferii oblouku. Tento proces pomáhá přenést teplo z horké oblasti do chladné velmi rychle. Proto má tento plyn vynikající chladicí efekt při vysoké teplotě, i když tepelná vodivost SF6 není velmi vysoká.
Elektrické vlastnosti plynu SF6
Plyn SF6 je velmi elektronegativní. Díky vysoké elektronegativitě absorbuje volné elektrony, které vznikají kvůli oblouku mezi kontakty rozvaděče. Kombinace volných elektronů s molekulami vytváří těžké a velké ionty, které mají velmi nízkou mobilitu. Díky absorpci volných elektronů a nízké mobilite iontů má SF6 velmi vynikající dielektrické vlastnosti. Dielektrická síla plynu SF6 je asi 2,5krát vyšší než u vzduchu.
