Proprietà del gas SF6 o esesafluoruro di zolfo
Storia dell'SF6
SF6 o esesafluoruro di zolfo sono molecole composte da un atomo di zolfo e sei atomi di fluoro. Questo gas fu scoperto per la prima volta nel 1900 nei laboratori della Faculte de Pharmacie de, a Parigi. Nel 1937, la General Electric Company si rese conto per la prima volta che l'SF6 poteva essere utilizzato come materiale isolante gassoso. Dopo la Seconda Guerra Mondiale, cioè a metà del XX secolo, l'uso dell'esesafluoruro di zolfo come materiale isolante nei sistemi elettrici stava aumentando rapidamente. La Allied Chemical Corporation e la Pennsalt furono le prime industrie americane a iniziare a produrre questo gas commercialmente nel 1948. Nel 1960, l'uso del gas esesafluoruro di zolfo negli apparati di interruttore ad alta tensione divenne popolare. Con l'aumento della domanda di questo gas, molti produttori in Europa e America iniziarono a produrre SF6 su larga scala, durante quel periodo. Inizialmente, il gas SF6 era utilizzato solo per scopi isolanti nel sistema elettrico. Tuttavia, ben presto si rese conto che questo gas ha una notevole proprietà di spegnimento dell'arco. Pertanto, questo gas iniziò anche a essere utilizzato come mezzo di spegnimento dell'arco negli interruttori. La prima sottostazione isolata con gas SF6 al mondo fu istituita a Parigi nel 1966. Gli interruttori di media tensione a gas esesafluoruro di zolfo furono lanciati sul mercato nel 1971.
Produzione del gas SF6
Il gas SF6 viene prodotto commercialmente per reazione tra fluoro (ottenuto per elettrolisi) e zolfo.
Durante il processo di produzione di questo gas, vengono generati altri sottoprodotti come SF4, SF2, S2F2, S2F10 in piccole percentuali. Non solo questi sottoprodotti, ma anche impurezze come aria, umidità e CO2 sono presenti nel gas durante la produzione. Tutti questi sottoprodotti e impurezze vengono filtrati in diverse fasi di purificazione per ottenere il prodotto finale puro e raffinato.
Proprietà chimiche del gas SF6
Per esaminare le proprietà chimiche del gas SF6, introduciamo prima la struttura della molecola di SF6. In questa molecola di gas, un atomo di zolfo è circondato da sei atomi di fluoro.
Lo zolfo ha un numero atomico di 16. La configurazione elettronica dell'atomo di zolfo è 2, 8, 6, ovvero 1S2 2S2 2P6 3S2 3P4. L'atomo di fluoro ha un numero atomico 9. La configurazione elettronica del fluoro è 1S2 2S2 2P5. Ogni atomo di zolfo nella molecola di SF6 crea un legame covalente con 6 atomi di fluoro. In questo modo, l'atomo di zolfo ottiene un totale di 6 legami covalenti, ovvero 6 coppie di elettroni nella sua shell esterna, e ogni atomo di fluoro ottiene 8 elettroni nella sua shell più esterna.
NB: – Qui possiamo osservare che, nell'esesafluoruro di zolfo, la shell esterna dell'atomo di zolfo ha 12 elettroni invece di 8. Ciò significa che qui lo zolfo non rispetta la regola generale dell'ottetto della struttura atomica, che afferma che un atomo stabile richiede 8 elettroni nella sua shell più esterna. Questo non è un caso eccezionale. Alcuni elementi nel terzo periodo e oltre possono formare composti che superano gli 8 elettroni nella loro shell più esterna. La struttura molecolare di questo gas è mostrata di seguito,
In questo modo, l'SF6 soddisfa completamente una condizione strutturale stabile. Il raggio effettivo di una molecola di esesafluoruro di zolfo è 2,385 Å. Questa configurazione elettronica e struttura del gas rendono l'SF6 estremamente stabile. Il gas può rimanere stabile senza alcuna decomposizione nella sua struttura molecolare fino a 500°C. È altamente non infiammabile. H2O e Cl non possono reagire con questo gas. Non reagisce neanche con l'acido.
Il gas SF6 è uno dei gas più pesanti. La densità di questo gas a 20°C a pressione atmosferica, è circa 6,139 kg/m3, che è circa 5 volte superiore all'aria nelle stesse condizioni. Il peso molecolare di questo gas è 146,06. La variazione della pressione con la temperatura è lineare per l'esesafluoruro di zolfo ed è piccola entro la temperatura di servizio, ovvero da -25 a +50°C. La capacità termica volumetrica specifica di questo gas è anche elevata. È circa 3,7 volte superiore a quella dell'aria, e per questo motivo questo gas ha anche un notevole effetto di raffreddamento nelle apparecchiature elettriche. La conducibilità termica di questo gas non è molto alta, è addirittura inferiore a quella dell'aria. Tuttavia, è comunque adatto per l'effetto di raffreddamento negli interruttori. Questo perché, durante la dissociazione delle molecole di esesafluoruro di zolfo intorno all'arco elettrico, queste molecole assorbono una grande quantità di calore. Questo calore viene poi rilasciato quando le molecole si riformano alla periferia dell'arco. Questo processo aiuta a trasferire il calore da una regione calda a una fredda molto rapidamente. Per questo motivo, questo gas ha un eccellente effetto di raffreddamento a temperature elevate, anche se la conducibilità termica dello SF6 non è molto alta.
Proprietà elettriche del gas SF6
Il gas SF6 è altamente elettronegativo. A causa dell'elevata elettronegatività, assorbe elettroni liberi prodotti a causa dell'arco tra i contatti dell'interruttore. La combinazione degli elettroni liberi con le molecole produce ioni pesanti e grandi, che hanno una mobilità molto bassa. Grazie all'assorbimento degli elettroni liberi e alla bassa mobilità degli ioni, l'SF6 ha proprietà dielettriche eccellenti. La resistenza dielettrica del gas SF6 è circa 2,5 volte superiore a quella dell'aria.
