Schwefelhexafluorid

Strukturformel
Allgemeines
Name	Schwefelhexafluorid
Andere Namen	Schwefel(VI)-fluorid R-846 (Kältemittel)
Summenformel	SF6
Kurzbeschreibung	farb- und geruchloses Gas
Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 2551-62-4 EG-Nummer 219-854-2 ECHA-InfoCard 100.018.050 PubChem 17358 ChemSpider 16425 DrugBank DB11104 Wikidata Q279055
Eigenschaften
Molare Masse	146,05 g·mol−1
Aggregatzustand	gasförmig
Dichte	6,63 kg·m−3 (0 °C, 1013 hPa)
Sublimationspunkt	−63,8 °C
Dampfdruck	2,108 MPa (20 °C) 2,66 MPa (30 °C) 3,31 MPa (40 °C)
Löslichkeit	sehr schlecht in Wasser (40 mg·l−1 bei 20 °C, 1 bar)
Dipolmoment	0
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung Achtung H- und P-Sätze H: 280 P: 403
MAK	Schweiz: 1000 ml·m−3 bzw. 6000 mg·m−3
Treibhauspotential	24 300 (bezogen auf 100 Jahre)
Thermodynamische Eigenschaften
ΔHf0	−1220 kJ·mol−1
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa).

Schwefelhexafluorid ist eine anorganische chemische Verbindung aus den Elementen Schwefel und Fluor mit der Summenformel SF₆. Wie Stickstoff ist SF₆ unter Normalbedingungen gasförmig, farb- und geruchlos, ungiftig und äußerst reaktionsträge, hat aber die mehr als fünffache Dichte von Luft. Hauptanwendung ist die elektrische Isolation. SF₆ ist das stärkste bekannte Treibhausgas.

Gewinnung und Darstellung

Schwefelhexafluorid kann direkt aus den Elementen durch Umsetzung elementaren Schwefels (S₈) im Fluorgasstrom (F₂) synthetisiert werden. Die Reaktion verläuft stark exotherm.

$\mathrm {S_{8}} +24\ \mathrm {F_{2}} \longrightarrow 8\ \mathrm {SF_{6}} \qquad \Delta H_{R}^{0}=-1220\ \mathrm {kJ/mol}$

Neben SF₆ bilden sich bei diesem Syntheseweg auch weitere Schwefelfluoride, wie Dischwefeldecafluorid (S₂F₁₀). Daher wird bei der technischen Herstellung das Gas auf 400 °C erhitzt, wodurch eine Disproportionierung von Dischwefeldecafluorid in Schwefelhexafluorid und Schwefeltetrafluorid (SF₄) erfolgt.

$\mathrm {S_{2}F_{10}} \longrightarrow \mathrm {SF_{6}} +\mathrm {SF_{4}}$

Durch Waschen des Gasgemisches in Lauge wird das Schwefeltetrafluorid zerstört, während SF₆ durch die Lauge nicht angegriffen wird.

$\mathrm {SF_{4}} +6\ \mathrm {OH^{-}} \longrightarrow \mathrm {SO_{3}^{2-}} +4\ \mathrm {F^{-}} +3\ \mathrm {H_{2}O}$

Durch anschließende Druckdestillation wird das reine SF₆ abgetrennt.

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Der Sublimationspunkt von Schwefelhexafluorid liegt bei einer Temperatur von −63,8 °C, der Tripelpunkt bei −50,8 °C und 2,26 bar. Erst oberhalb dieses Drucks ist auch eine flüssige Phase möglich. Jedoch nur bis zur kritischen Temperatur. (45,6 °C)

Der kritische Punkt liegt bei 45,6 °C, 3,76 MPa und einer kritischen Dichte von 0,735 g·cm⁻³.

Die Verdampfungsenthalpie von Schwefelhexafluorid beträgt bei einem Druck von 1013 hPa nur 115 kJ/kg (= 16,8 kJ/mol).

Kristall- und Molekülstruktur

Bei tiefen Temperaturen kristallisiert es im monoklinen Kristallsystem.

Im gasförmigen Zustand ist das SF₆-Molekül oktaedrisch (O_h); die S–F-Bindungslänge beträgt 156,1(2) pm.

• 
  Elementarzelle des Schwefelhexafluorids
• 
  Bindungslänge und -winkel beim gasförmigen Schwefelhexafluorid

Chemische Eigenschaften

Es ist wegen seiner Struktur chemisch praktisch inert und verhält sich daher ähnlich wie molekularer Stickstoff oder die Edelgase. Es ist nahezu unlöslich in Wasser und nicht entflammbar.

Wegen seiner Inertheit reagiert es unter Normalbedingungen nicht. So setzen sich Alkalimetalle mit SF₆ in flüssigem Ammoniak zu den korrespondierenden Sulfiden und Fluoriden um:

$\mathrm {SF_{6}} +8\ \mathrm {Na} \longrightarrow \mathrm {Na_{2}S} +6\ \mathrm {NaF}$.

In Gegenwart von Schwefelwasserstoff ist die Komproportionierung zu elementarem Schwefel und Fluorwasserstoff (HF) bekannt:

$2\ \mathrm {SF_{6}} +6\ \mathrm {H_{2}S} \longrightarrow \mathrm {S_{8}} +12\ \mathrm {HF}$.

SF₆ ist isoelektronisch zu den Anionen Hexafluorophosphat (PF₆⁻), Hexafluorosilicat (SiF₆²⁻) und Hexafluoroaluminat (AlF₆³⁻).

Verwendung

Technik

Gasisolierte Rohrleiter, die mit SF₆ gefüllt sind, im Umspannwerk Leingarten.

Schwefelhexafluorid (SF₆) wird als Isoliergas in der Mittel- und Hochspannungstechnik eingesetzt, beispielsweise in gasisolierten Schaltanlagen (GIS) mit Hochspannungsschaltern und bei gasisolierten Rohrleitern (GIL) in komplett gekapselten Anlagen mit Betriebsspannungen von 6 kV bis 800 kV. Gegenüber Freiluftschaltanlagen wird deutlich Platz eingespart und die Einflüsse von Witterung und Vögeln oder Nagetieren werden vermieden. SF₆ dient dabei auch als Löschgas, um den Schaltlichtbogen in Leistungsschaltern zu unterbrechen. Die Durchschlagsfestigkeit ist bei Normaldruck fast dreimal so hoch wie in Luft oder Stickstoff. Diese Eigenschaften sowie die geringen dielektrischen Verluste prädestinieren es zur Verwendung als Isoliergas in Koaxialkabeln und gasisolierten Hochfrequenz-Leistungskondensatoren, die damit kleiner gebaut werden können. Als Isolationsgas in elektrischen Schaltanlagen wird es unter einem Druck von 5 bar bis 10 bar gehalten, um die nötige hohe Isolationsfähigkeit sicherzustellen. Je höher der Gasdruck, desto kürzer ist gemäß dem Paschen-Gesetz die mittlere Weglänge der freien Elektronen im Gas. Elektronen können nicht so stark beschleunigt werden wie bei Normaldruck, denn sie stoßen früher mit den SF₆-Molekülen zusammen.

In Schaltanlagen mit dem prinzipiell ungiftigen SF₆-Gas entstehen im Laufe des Betriebes durch die Lichtbögen in Kombination mit Verunreinigungen wie einem geringen Wasseranteil neben dem ungiftigen Tetrafluormethan giftige Fluorid-Verbindungen wie Fluorwasserstoff und Thionylfluorid sowie das hochgiftige Dischwefeldecafluorid (S₂F₁₀). Aus diesen Gründen müssen in gasdichten SF₆-Schaltanlagen vor Wartungsarbeiten Sicherheitsrichtlinien zur Entlüftung beachtet werden. SF₆ muss laut EU-Verordnung 517/2014 und laut der nationalen Chemikalien-Klimaschutzverordnung von zertifiziertem Personal wiedergewonnen werden, um dessen Recycling, Aufarbeitung oder Zerstörung sicherzustellen. SF₆ muss gemäß den Vorschriften der DIN EN 60480 behandelt werden. Außerdem gilt die freiwillige Selbstverpflichtung der Hersteller und Betreiber von elektrischen Betriebsmitteln > 1000 Volt. Eingesetzt wird Schwefelhexafluorid u. a. in Umspannwerken sowie den Schaltanlagen von Windkraftanlagen. Während in Umspannwerken teils mehrere Tonnen SF₆ eingesetzt werden, sind es bei Windkraftanlagen durchschnittlich etwa 3 kg. Sollten diese 3 kg komplett freigesetzt werden, entspräche dies einer Klimawirkung von ca. 75 Tonnen Kohlenstoffdioxid. In Deutschland wurden 2020 135 Tonnen SF6 in die Umwelt freigesetzt, der größe Teil davon aus älteren Schallschutzfenstern.

Es wird als Isoliergas für Routinetests (Prüfung) mikroelektronischer Schaltkreise im Rahmen der Qualitätssicherung verwendet.

Bei der Herstellung von Halbleiter-Bauteilen dient es als Ätzgas: SF₆ ist das reaktive Gas beim reaktiven Ionenätzen (RIE) und DRIE (von engl. Deep Reactive Ion Etching). Außerdem wird es auf ähnliche Weise zum Reinigungsätzen unter anderem in der Display-Fertigung eingesetzt.

SF₆ verwendet man auch als Schutzgas bei der Gewinnung von Magnesium. Das SF₆, spezifisch schwerer als Luft, verhindert hier den Kontakt der heißen Metallschmelze mit der Umgebungsluft. Prozessbedingt werden bei dieser Anwendung sehr große SF₆-Mengen in die Atmosphäre abgegeben.

Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften, der geringen Hintergrundkonzentration in der Atmosphäre und der sehr guten Nachweisbarkeit durch Elektroneneinfang wird SF₆ aktuell noch als Tracergas für Lüftungseffizienz-Messungen in sehr geringen Mengen verwendet. Für viele Anwendungen werden seit vielen Jahren aber weniger klimaschädliche Gase eingesetzt.

Isolierglas

SF₆ wurde früher als Isoliergas zwischen Isolierglasscheiben benutzt sowie als Füllgas in Sohlen von Sportschuhen. Außerdem wurde Schwefelhexafluorid bis etwa zum Jahr 2000 auch zur Befüllung von Autoreifen eingesetzt, obwohl das pro Reifensatz bis zu 100 DM (ca. 50 Euro) kostete (siehe auch Reifengas). Alle drei vorgenannten Anwendungen sind inzwischen aus Gründen des Klimaschutzes verboten.

Medizin

In der Augenheilkunde wird ein Gemisch aus Schwefelhexafluorid und Luft gegen Netzhautablösung eingesetzt, um ein Wiederanlegen der Netzhaut zu erreichen. Dazu wird während der operativen Glaskörperentfernung (Vitrektomie) das Gasgemisch in den Glaskörperraum (Camera vitrea bulbi) zu dem Zweck eingebracht, die Netzhaut auf ihre Unterlage zu drücken (Endotamponade).

SF₆ wird seit 2011 als Ultraschallkontrastmittel in der Medizin eingesetzt. Hier dient es insbesondere dem Nachweis von Lebermetastasen maligner Tumoren. Vorteile sind eine sehr hohe zeitliche und örtliche Kontrastauflösung. Schilddrüsenerkrankungen und Niereninsuffizienz sind keine Kontraindikation zur Durchführung dieser Untersuchung. Mit Hilfe von SF₆ können Leberherde zu ca. 90 % korrekt nachgewiesen werden.

Klimarelevanz

Anstieg der atmosphärischen SF₆-Konzentration, gemessen auf Mauna Loa, Hawaii

SF₆-Gas ist laut Sechstem Sachstandsbericht des IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change, Zwischenstaatlicher Ausschuss für Klimaänderungen) das stärkste bekannte Treibhausgas. 1 kg dieses Gases ist so klimawirksam wie 24 t Kohlendioxid (CO₂). SF₆ wird in der Mesosphäre abgebaut durch Reaktion mit H oder HCl nach Elektroneneinfang, kaum durch Photolyse, auf einer Zeitskala von 1000 Jahren. Es trägt nicht zur Zerstörung der Ozonschicht bei.

Wegen der relativ geringen SF₆-Emissionen (2019 wurden in der Atmosphäre 10 ppt (Parts per trillion) erreicht) entspricht sein Einfluss nur 0,8 ppm CO₂, dessen Emissionen mehr als hundertfach größer sind.

Die Emission durch elektrotechnische Anlagen in Deutschland betrug 1997 10 % von 238 t der Gesamtemission. Der relative Anteil der Elektrischen Industrie am Ausstoß schwankt stark zwischen verschiedenen Ländern und variiert, nach von der Industrie gemeldeten Daten, im Zeitraum 1990–2012 zwischen 20–30 % (EU) und 70–80 % (US).

Der Anstieg der SF₆-Konzentration in den letzten Jahren beträgt an der Station Bukit Kototabang in Indonesien von 5,3 ppt Anfang 2004 auf 6,3 ppt Ende 2008, was einem Anstieg um ca. 19 % in fünf Jahren entspricht.

Im Jahr 2016 wurden in Deutschland 1142 Tonnen Schwefelhexafluorid an Verwender abgegeben, das sind ungefähr 2 % oder 23 t mehr als 2015. Die Klimawirksamkeit der Menge im Jahre 2016 beträgt 26 Mio. t CO₂-Äquivalente, wobei Teile dieser Menge auch in geschlossene Systeme gefüllt wurden. Für diese Berechnung wurde der Treibhauseffekt-Faktor 22.800 gegenüber CO₂ für einen verminderten Zeithorizont von 100 Jahren genutzt, obwohl die o. g. atmosphärische Lebensdauer objektiv längere Zeiträume der Hochrechnung erfordert, um Summationseffekte verantwortlich einzuschätzen. Die Hauptmenge gelangte in den Wirtschaftsbereich Elektroindustrie und Apparatebau mit 21,9 Millionen Tonnen CO₂-Äquivalenten für 2016, gefolgt von der Halbleiterindustrie mit 1,2 Millionen Tonnen CO₂-Äquivalenten.

Emissionen

Entwicklung der SF₆-Emissionen in Deutschland von 1990 bis 2007 in Tonnen (gerundet)

Emissionsquelle	1990	1995	2000	2002	2004	2006	2007	2007 potenzielle Emissionen*
Alu-Guss/Spurengas	1	1	14,5	35,5	46	85,5	84	–
Schallschutzscheiben	69	108	52	46	54	61	67	1950
Solartechnik/Opt. Fasern	0	0	0	0,4	1,5	4,7	20,3	–
Elektr. Schaltanlagen	23	27,3	16,9	15,7	16,3	14,4	15,8	1770
Magnesiumgießereien	7,4	7,7	13,4	16,1	24,9	24,1	15,2	–
T&D-Bauteile **	k. A.	16,7	26,6	23,3	16,0	12,4	9,9	k. A.
Teilchenbeschleuniger	5,2	4,5	5,0	4,9	4,9	4,9	4,9	74
Autoreifen	65	110	50	9	4	2,5	2	6
Halbleiterproduktion	3,7	2	2,4	2,4	3,4	1,3	1,2	–
Sonstiges	11	26	32	24	21	20	13	k. A.
Insgesamt	200	300	210	180	190	230	230	-
*durchschnittlicher Jahresbestand ** elektrischer Bauteile für die Energieübertragung (Transmission und Distribution), Zu- und Anbauten für Schaltanlagen

Kurioses

Wegen seiner hohen Dichte kann Schwefelhexafluorid wie eine unsichtbare Flüssigkeit in Behälter gegossen werden. Am Übergang zu Luft können dann sehr leichte Objekte, etwa Schalen aus Aluminiumfolie, schweben. Mit großer Sorgfalt gelingt ein solcher Versuch auch mit leichter zugänglichem CO₂ (Dichteunterschied: nur 53 % statt 490 %).

Da das Gas schwerer als Luft ist, ist auch die Schallgeschwindigkeit in SF₆ geringer (129 m/s, Faktor 0,348 gegenüber Luft 343 m/s). Eingeatmet senkt es die Stimmlage. Der gegensätzliche Effekt ist mit leichterem Helium zu beobachten. Dort ist Schall bei gleicher Temperatur mit 971 m/s um den Faktor 2,8 schneller unterwegs. Solche Experimente mit Inertgasen sind gesundheitlich riskant.

Literatur

• A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 566–567.

Weblinks

Commons: Schwefelhexafluorid – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• International Chemical Safety Card (ICSC) für SULPHUR HEXAFLUORIDE bei der International Labour Organization (ILO)
• Video der beiden Effekte im Abschnitt Kurioses