คุณสมบัติของก๊าซ SF6 หรือก๊าซซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์
ประวัติของ SF6
SF6 หรือ ก๊าซซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์ โมเลกุลของก๊าซนี้ประกอบด้วยกำมะถันหนึ่งอะตอมและฟลูออรีนหกอะตอม ได้รับการค้นพบครั้งแรกในปี 1900 ที่ห้องทดลองของ Faculte de Pharmacie de ในกรุงปารีส บริษัท General Electrical Company ได้รับรู้ในปี 1937 ว่าก๊าซ SF6 สามารถใช้เป็นวัสดุฉนวนแบบก๊าซได้ หลังสงครามโลกครั้งที่สอง คือกลางศตวรรษที่ 20 การใช้ก๊าซซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์เป็นวัสดุฉนวนในระบบไฟฟ้าได้เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว Allied Chemical Corporation และ Pennsalt เป็นอุตสาหกรรมชาวอเมริกันแห่งแรกที่เริ่มผลิตก๊าซนี้เชิงพาณิชย์ในปี 1948 ในช่วงปี 1960 การใช้ก๊าซซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์ในสวิตช์เกียร์แรงดันสูงได้รับความนิยม เมื่อมีความต้องการก๊าซนี้เพิ่มขึ้น ผู้ผลิตในยุโรปและอเมริกาได้เริ่มผลิตก๊าซ SF6 ในปริมาณมากในช่วงเวลานั้น ในตอนแรก ก๊าซ SF6 ถูกใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในการฉนวนในระบบไฟฟ้า แต่ไม่นานก็ได้รับรู้ว่าก๊าซนี้มีสมบัติในการดับอาร์กที่ยอดเยี่ยม ดังนั้น ก๊าซนี้จึงเริ่มถูกใช้ในวงจรตัดกระแสเป็นสื่อดับอาร์ก สถานีไฟฟ้าที่ฉนวนด้วยก๊าซ SF6 แห่งแรกของโลกได้ถูกสร้างขึ้นในกรุงปารีสในปี 1966 สวิตช์เกียร์แรงดันกลางที่ใช้ก๊าซซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์ได้ถูกปล่อยสู่ตลาดในปี 1971
การผลิตก๊าซ SF6
ก๊าซ SF6 ผลิตโดยการปฏิกิริยาของฟลูออรีน (ได้จากการทำให้แตกตัวด้วยไฟฟ้า) กับกำมะถัน
ในกระบวนการผลิตก๊าซนี้ จะมีผลิตภัณฑ์รอง เช่น SF4, SF2, S2F2, S2F10 ที่ถูกผลิตขึ้นในปริมาณเล็กน้อย นอกจากนี้ ยังมีสิ่งเจือปน เช่น อากาศ ความชื้น และ CO2 ที่อยู่ในก๊าซระหว่างการผลิต สารเหล่านี้จะถูกกรองออกในขั้นตอนต่างๆ ของการทำให้บริสุทธิ์ เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์สุดท้ายที่บริสุทธิ์และได้รับการทำให้บริสุทธิ์แล้ว
สมบัติทางเคมีของก๊าซ SF6
เพื่อตรวจสอบสมบัติทางเคมีของก๊าซ SF6 เราจะแนะนำโครงสร้างของโมเลกุล SF6 โมเลกุลของก๊าซนี้มีอะตอมกำมะถันหนึ่งอะตอมที่ถูกโอบล้อมด้วยอะตอมฟลูออรีนหกอะตอม
กำมะถันมีเลขอะตอม 16 การจัดอิเล็กตรอนของอะตอมกำมะถันคือ 2, 8, 6 หรือ 1S2 2S2 2P6 3S2 3P4 อะตอมฟลูออรีนมีเลขอะตอม 9 การจัดอิเล็กตรอนของฟลูออรีนคือ 1S2 2S2 2P5 แต่ละอะตอมกำมะถันในโมเลกุล SF6 สร้างพันธะโคเวเลนต์กับอะตอมฟลูออรีนหกอะตอม ในทางนี้ อะตอมกำมะถันได้พันธะโคเวเลนต์ทั้งหมด 6 พันธะ หรือ 6 คู่ของอิเล็กตรอนที่เปลือกนอก และแต่ละอะตอมฟลูออรีนได้ 8 อิเล็กตรอนในเปลือกนอกสุด
หมายเหตุ: – ที่นี่เราสามารถสังเกตเห็นว่า ในก๊าซซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์ เปลือกนอกของอะตอมกำมะถันมีอิเล็กตรอน 12 แทนที่จะเป็น 8 นั่นหมายความว่า ที่นี่กำมะถันไม่ปฏิบัติตามกฎออกเทตทั่วไปของโครงสร้างอะตอมที่ระบุว่า อะตอมที่เสถียรจำเป็นต้องมีอิเล็กตรอน 8 ที่เปลือกนอกสุด นี่ไม่ใช่กรณีพิเศษ บางธาตุในช่วงที่ 3 และต่ำกว่าสามารถสร้างสารประกอบที่มีอิเล็กตรอนมากกว่า 8 ในเปลือกนอกสุด โครงสร้างโมเลกุลของก๊าซนี้แสดงด้านล่าง
ด้วยวิธีนี้ SF6 สามารถตอบสนองเงื่อนไขโครงสร้างที่เสถียรได้อย่างสมบูรณ์ รัศมีมีประสิทธิภาพของโมเลกุลก๊าซซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์คือ 2.385 A การจัดอิเล็กตรอนและการสร้างโครงสร้างของก๊าซนี้ทำให้ SF6 มีความเสถียรอย่างมาก ก๊าซนี้สามารถคงสภาพโดยไม่มีการสลายตัวในโครงสร้างโมเลกุลจนถึง 500oC มันมีความต้านทานต่อการลุกไหม้สูง H2O และ Cl ไม่สามารถทำปฏิกิริยากับก๊าซนี้ได้ นอกจากนี้ยังไม่ทำปฏิกิริยากับกรด
ก๊าซ SF6 เป็นหนึ่งในก๊าซที่หนักที่สุด ความหนาแน่นของก๊าซนี้ที่ 20oC ที่ความดันบรรยากาศ 1 แอตโมสเฟียร์ ประมาณ 6.139 กก./ลบ.ม. ซึ่งมากกว่าอากาศ 5 เท่าที่สภาพเดียวกัน น้ำหนักโมเลกุลของก๊าซนี้คือ 146.06 การเปลี่ยนแปลงความดันตามอุณหภูมิเป็นเชิงเส้นสำหรับก๊าซซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์และมีขนาดเล็กภายในอุณหภูมิการใช้งาน คือ จาก -25 ถึง +50oC ความร้อนจำเพาะตามปริมาตรของก๊าซนี้สูงมาก ประมาณ 3.7 เท่าของอากาศ และนี่คือเหตุผลที่ก๊าซนี้มีผลทำความเย็นที่ยอดเยี่ยมในอุปกรณ์ไฟฟ้า ความนำความร้อนของก๊าซนี้ไม่สูงมาก แม้กระทั่งต่ำกว่าอากาศ แต่ก็ยังเหมาะสมสำหรับการทำความเย็นในวงจรตัดกระแส เนื่องจากขณะที่โมเลกุลก๊าซซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์แยกตัวรอบ ๆ อาร์กไฟฟ้า โมเลกุลเหล่านี้จะดูดซับความร้อนในปริมาณสูง ความร้อนนี้จะถูกปล่อยออกมาเมื่อโมเลกุลรวมตัวใหม่ที่ขอบเขตของอาร์ก กระบวนการนี้ช่วยในการถ่ายเทความร้อนจากบริเวณร้อนไปยังบริเวณเย็นอย่างรวดเร็ว นี่คือเหตุผลที่ก๊าซนี้มีผลทำความเย็นที่ยอดเยี่ยมที่อุณหภูมิสูง แม้ว่าความนำความร้อนของ SF6 จะไม่สูงมาก
สมบัติทางไฟฟ้าของก๊าซ SF6
ก๊าซ SF6 มีคุณสมบัติดูดอิเล็กตรอนสูง ด้วยคุณสมบัติดูดอิเล็กตรอนสูง มันดูดซับอิเล็กตรอนเสรีที่เกิดขึ้นจากการอาร์กระหว่างตัวต่อของวงจรตัดกระแส การรวมตัวของอิเล็กตรอนเสรีกับโมเลกุลสร้างไอออนที่หนักและใหญ่ ซึ่งมีความคล่องตัวต่ำ ด้วยการดูดซับอิเล็กตรอนเสรีและความคล่องตัวต่ำของไอออน SF6 มีคุณสมบัติฉนวนที่ยอดเยี่ยม ความแข็งแกร่งของฉนวนของก๊าซ SF6 มากกว่าอากาศประมาณ 2.5 เท่า
