גז סולפור הקסהפלואוריד או גז SF6 תכונות
היסטוריה של SF6
SF6 או גז סולפור הקסהפלואוריד מורכב מטומן סולפור ושישה אטומי פלואור. הגז נודע לראשונה בשנת 1900 במעבדות של המחלקה לרוקחות בפריז. בשנת 1937, חברת General Electrical Company גילתה לראשונה שגז SF6 יכול לשמש כחומר מבודד גזי. לאחר מלחמת העולם השנייה, כלומר באמצע המאה ה-20, הפך השימוש בגז סולפור הקסהפלואוריד כחומר מבודד במערכות חשמליות לפופולרי מאוד במהירות. Allied Chemical Corporation ו-Pennsalt היו התעשיות האמריקאיות הראשונות שהתחילו לייצר את הגז מסחרית בשנת 1948. במהלך שנות ה-60, הפך השימוש בגז סולפור הקסהפלואוריד בציוד מעבר מתח גבוה לפופולרי. עם עליית הביקוש לגז, יצרנים רבים באירופה ובאמריקה החלו לייצר את גז ה-SF6 בסולם גדול באותה תקופה. בהתחלה, גז ה-SF6 היה בשימוש רק למטרה מבודדת במערכות חשמליות. אך מהר מאוד התברר כי הגז הזה יש לו תכונות מצוינות לסילוק קשת. לכן, החל הגז גם לשמש כחומר לסילוק קשת במדבקי חשמל. תחנת ההספק הראשונה בעולם שמבודדת בגז SF6 הוקמה בפריז בשנת 1966. מדבקי חשמל בינוניים המבוססים על גז סולפור הקסהפלואוריד הושקו לשוק בשנת 1971.
יצור גז SF6
גז ה-SF6 מיוצר מסחרית בתגובה בין פלואור (שנוצר באמצעות אלקטרוליזה) לסולפור.
במהלך תהליך יצור הגז, נוצרים גם תוצרי צד אחרים כמו SF4, SF2, S2F2, S2F10 בכמויות קטנות. בנוסף לתוצרי הצד, קיימים גם זיהומים כמו אוויר, לחות ו-CO2 בגז במהלך הייצור. כל תוצרי הצד והזיהומים מסוננים בשלבים שונים של טיהור כדי לקבל את המוצר הסופי הטהור והמעובד.
תכונות כימיות של גז SF6
כדי להבחין בתכונות הכימיות של גז SF6, נציג קודם את מבנה מולקולת ה-SF6. במולקולה זו, אטום סולפור אחד מוקף שש אטומי פלואור.
הסולפור הוא בעל מספר אטומי 16. הקונפיגורציה האלקטרונית של אטום הסולפור היא 2, 8, 6 כלומר 1S2 2S2 2P6 3S2 3P4. לאטום הפלואור יש מספר אטומי 9. הקונפיגורציה האלקטרונית של הפלואור היא 1S2 2S2 2P5. כל אטום סולפור במולקולה של SF6 יוצר קשר קוולנטי עם 6 אטומי פלואור. באופן זה, אטום הסולפור מקבל סך הכל 6 קשרים קוולנטיים, כלומר 6 זוגות אלקטרונים בשכבת החיצון שלו, וכל אטום פלואור מקבל 8 אלקטרונים בשכבת החיצון ביותר שלו.
הערה: – כאן ניתן לראות כי, בגז סולפור הקסהפלואוריד השכבה החיצונית של אטום הסולפור מכילה 12 אלקטרונים במקום 8 אלקטרונים. זה אומר שאטום הסולפור אינו מתאים לכלל האוקטלי הכללי של מבנה האטום, שקובע כי אטום יציב דורש 8 אלקטרונים בשכבת החיצון שלו. זהו לא מקרה חריג. כמה אלמנטים בתקופת השלישית ואילך יכולים ליצור חומרים שמכילים יותר מ-8 אלקטרונים בשכבת החיצון שלהם. המבנה המולקולרי של הגז מוצג להלן,
בצורה זו, ה-SF6 מקיים את תנאי המבנה הניצב בצורה מלאה. הרדיוס האפקטיבי של מולקולת סולפור הקסהפלואוריד הוא 2.385 A. הקונפיגורציה האלקטרונית והמבנה של הגז גורמים ל-SF6 להיות יציב מאוד. הגז יכול להיות יציב ללא פירוק במבנה המולקולרי שלו עד 500oC. הוא מאוד לא דליק. H2O ו-Cl אינם יכולים להגיב עם הגז. הוא גם אינו מגיב עם חומצה.
גז ה-SF6 הוא אחד מהגזים הכבדים ביותר. הצפיפות של הגז ב-20oC בעומס אטמוספרי אחד היא בערך 6.139 kg/m3 שזה בערך 5 פעמים גבוה יותר מאוויר בתנאים דומים. המשקל המולקולרי של הגז הוא 146.06. השינוי בלחץ עם הטמפרטורה הוא ליניארי עבור גז סולפור הקסהפלואוריד והוא קטן בטמפרטורת השירות, כלומר מ- -25 עד +50oC. החום הספציפי בנפח של הגז הוא גם גבוה. הוא בערך 3.7 פעמים גבוה יותר מאשר אוויר, ולכן הגז הזה גם יש לו השפעת קירור חזקה במגנטים חשמליים. ההולכה החממית של הגז אינה גבוהה מאוד, היא אפילו נמוכה מאוויר. עדיין הוא מתאים מאוד להשפעת הקירור במדבק חשמל. זאת מכיוון שבמהלך הדיסוציאציה של מולקולות סולפור הקסהפלואוריד סביב הקשת החשמלית, המולקולות הללו מספגות כמות גבוהה של חום. החום משוחרר כאשר המולקולות מתרכזות מחדש בפריפריה של הקשת. תהליך זה מסייע להעביר חום מהאזור החם לאזור הקר מאוד במהירות. לכן, הגז הזה יש לו השפעת קירור מצוינת בטמפרטורות גבוהות למרות שההולכה החממית של SF6 אינה גבוהה מאוד.
תכונות חשמליות של גז SF6
גז ה-SF6 הוא מאוד אלקטרונגי. עקב האלקטרונגיות הגבוהה, הוא סופג אלקטרונים חופשיים שנוצרים עקב קשת בין מגעיהם של מדבקי חשמל. הרכבת אלקטרונים חופשיים עם מולקולות מייצרת יונים כבדים וגדולים בעלי ניידות מאוד נמוכה. בגלל ספיגת אלקטרונים חופשיים וניידות נמוכה של יונים, ל-SF6 יש תכונות דילקטריות מצוינות. חוזק הדילקטרי של גז ה-SF6 הוא בערך פי 2.5 יותר מאשר של אוויר.
