Propriétés du gaz SF6 ou du gaz hexafluorure de soufre
Histoire du SF6
SF6 ou hexafluorure de soufre est un gaz formé par un atome de soufre et six atomes de fluor. Ce gaz a été découvert pour la première fois en 1900 dans les laboratoires de la Faculté de Pharmacie de Paris. En 1937, la Compagnie Générale d'Électricité a réalisé que le gaz SF6 pouvait être utilisé comme matériau isolant gazeux. Après la Seconde Guerre mondiale, c'est-à-dire au milieu du 20e siècle, l'utilisation de l'hexafluorure de soufre comme matériau isolant dans les systèmes électriques a connu une croissance rapide. Allied Chemical Corporation et Pennsalt ont été les premières industries américaines à commencer la production commerciale de ce gaz en 1948. Au cours des années 1960, l'utilisation du gaz hexafluorure de soufre dans les postes de coupure haute tension est devenue populaire. Avec l'augmentation de la demande pour ce gaz, de nombreux fabricants en Europe et en Amérique ont commencé à produire du gaz SF6 à grande échelle à cette époque. Au début, le gaz SF6 était utilisé uniquement pour l'isolation dans les systèmes électriques. Mais il a rapidement été constaté que ce gaz possède d'excellentes propriétés d'extinction d'arc. Par conséquent, ce gaz a également commencé à être utilisé comme moyen d'extinction d'arc dans les disjoncteurs. La première sous-station isolée au gaz SF6 au monde a été établie à Paris en 1966. Les disjoncteurs moyenne tension à hexafluorure de soufre ont été lancés sur le marché à partir de 1971.
Fabrication du gaz SF6
Le gaz SF6 est fabriqué commercialement par la réaction de fluor (obtenu par électrolyse) avec du soufre.
Au cours du processus de fabrication de ce gaz, d'autres sous-produits tels que SF4, SF2, S2F2, S2F10 sont également produits en petites quantités. Non seulement ces sous-produits, mais aussi des impuretés telles que l'air, l'humidité et le CO2 sont présents dans le gaz pendant la production. Tous ces sous-produits et impuretés sont filtrés à différents stades de purification pour obtenir un produit final pur et raffiné.
Propriétés chimiques du gaz SF6
Pour examiner les propriétés chimiques du gaz SF6, nous introduisons d'abord la structure de la molécule de SF6. Dans cette molécule de gaz, un atome de soufre est entouré de six atomes de fluor.
Le soufre a un numéro atomique de 16. La configuration électronique de l'atome de soufre est 2, 8, 6, soit 1S2 2S2 2P6 3S2 3P4. L'atome de fluor a un numéro atomique de 9. La configuration électronique du fluor est 1S2 2S2 2P5. Chaque atome de soufre dans la molécule de SF6 crée un lien covalent avec 6 atomes de fluor. De cette manière, l'atome de soufre obtient un total de 6 liaisons covalentes, c'est-à-dire 6 paires d'électrons dans sa couche externe, et chaque atome de fluor obtient 8 électrons dans sa couche la plus externe.
NB : – On peut observer ici que, dans l'hexafluorure de soufre, la couche externe de l'atome de soufre contient 12 électrons au lieu de 8. Cela signifie que le soufre ne respecte pas la règle générale octétique de la structure atomique, qui stipule qu'un atome stable nécessite 8 électrons dans sa couche la plus externe. Ce n'est pas un cas exceptionnel. Certains éléments de la 3ème période et au-delà peuvent former des composés qui dépassent 8 électrons dans leur couche la plus externe. La structure moléculaire de ce gaz est montrée ci-dessous,
De cette façon, le SF6 satisfait pleinement une condition structurale stable. Le rayon effectif d'une molécule d'hexafluorure de soufre est de 2,385 Å. Cette configuration électronique et cette structure rendent le SF6 extrêmement stable. Le gaz peut rester stable sans aucune décomposition dans sa structure moléculaire jusqu'à 500°C. Il est hautement non inflammable. L'H2O et le Cl ne peuvent pas réagir avec ce gaz. Il ne réagit pas non plus avec l'acide.
Le gaz SF6 est l'un des gaz les plus lourds. Sa densité à 20°C et à une pression atmosphérique, est d'environ 6,139 kg/m3, ce qui est environ 5 fois plus élevé que celle de l'air dans les mêmes conditions. Le poids moléculaire de ce gaz est de 146,06. La variation de la pression en fonction de la température est linéaire pour l'hexafluorure de soufre et elle est faible dans la plage de température de service, c'est-à-dire de -25 à +50°C. La chaleur spécifique volumique de ce gaz est également élevée. Elle est environ 3,7 fois supérieure à celle de l'air, et c'est pourquoi ce gaz a également un effet de refroidissement remarquable dans les équipements électriques. La conductivité thermique de ce gaz n'est pas très élevée, elle est même inférieure à celle de l'air. Cependant, il est tout à fait adapté pour l'effet de refroidissement dans les disjoncteurs. C'est parce que, lors de la dissociation des molécules d'hexafluorure de soufre autour de l'arc électrique, ces molécules absorbent une grande quantité de chaleur. Cette chaleur est ensuite libérée lorsque les molécules se reforment à la périphérie de l'arc. Ce processus aide à transférer la chaleur d'une zone chaude vers une zone froide très rapidement. C'est pourquoi ce gaz a un excellent effet de refroidissement à haute température, bien que la conductivité thermique du SF6 ne soit pas très élevée.
Propriétés électriques du gaz SF6
Le gaz SF6 est fortement électronegatif. En raison de son forte électronegativité, il absorbe les électrons libres produits par l'arcing entre les contacts du disjoncteur. La combinaison des électrons libres avec les molécules produit des ions lourds et volumineux, qui ont une mobilité très faible. Grâce à l'absorption des électrons libres et à la faible mobilité des ions, le SF6 possède d'excellentes propriétés diélectriques. La résistance diélectrique du gaz SF6 est environ 2,5 fois supérieure à celle de l'air.
