六氟化硫氣體的基本特性
第一節(jié) 六氟化硫氣體的物理化學(xué)特性
金屬和非金屬的六氟化物是含氟化合物中的一個(gè)龐大的和引人注目的群體。盡管大多數(shù)的六氟化物在本世紀(jì)初即已發(fā)現(xiàn)，但對(duì)這些物質(zhì)的認(rèn)真研究卻僅始于40年代。目前已知的18種六氟化物，按照它們的化學(xué)性質(zhì)可分為二組，即非金屬化合物和金屬化合物。第一組以其穩(wěn)定性著稱，第二組在氟化或水解能力上則有很高的活力。六氟化硫?qū)俜墙饘俜?，?jīng)對(duì)其物理化學(xué)性質(zhì)的研究，發(fā)現(xiàn)六氟化硫具有與氮?dú)夂推渌逍詺怏w相比擬的極穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。
一、基本特性
六氟化硫由鹵族元素中最活潑的氟原子與硫原子結(jié)合而成。分子結(jié)構(gòu)是六個(gè)氟原子處于頂點(diǎn)位置而硫原子處于中心位置的正八面體（見(jiàn)圖1-1），S與F原子以共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)，鍵距是1.58×10-10m。
六氟化硫在常溫常壓下具有高穩(wěn)定性，在通常狀態(tài)下六氟化硫是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、不燃的氣體。其分子等值直徑是4.58×10-10m。
六氟化硫氣體的相對(duì)分子質(zhì)量是146.07，空氣相對(duì)分子質(zhì)量是28.8。六氟化硫氣體的密度是6.16g/L（20℃，101325Pa時(shí)），約為空氣密度（1.29g/L）的五倍。由于六氟化硫氣體密度比空氣密度大很多，因此，空氣中的六氟化硫易于自然下沉，致使下部空間的六氟化硫氣體濃度升高，且不易擴(kuò)散稀釋。 圖1-1 六氟化硫分子結(jié)構(gòu)示意圖
二、物理化學(xué)性質(zhì)
在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下六氟化硫是一種無(wú)色氣體，其密度接近理論值。當(dāng)冷卻到-63℃時(shí)變成無(wú)色的固體物質(zhì)，加壓時(shí)可熔化，其三相點(diǎn)參數(shù)為：t＝-50.8℃,p＝0.23MPa。
1.溶解度
六氟化硫在極性和非極性溶劑中的溶解度如表1-1。最早測(cè)得六氟化硫在水中的溶解度比氦（He）、氖(Ne)、氙(Xe)、氬（Ar）等隋性氣體在水中的溶解度低得多，見(jiàn)表1-2。
2.熱穩(wěn)定性
六氟化硫氣體的化學(xué)性質(zhì)極為穩(wěn)定，在常溫和較高的溫度下一般不會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，其熱分解溫度為500℃。六氟化硫在室溫度條件下與大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)不發(fā)生作用。在溫度低于800℃時(shí)，六氟化硫?yàn)樗逍詺怏w，不燃燒。在赤熱的溫度下，它與氧氣、氫氣、鋁以及其他許多物質(zhì)不發(fā)生作用。但在高溫下則與許多金屬發(fā)生反應(yīng)，而且與堿金屬在200℃左右即可反應(yīng)。使用條件在150~200℃時(shí)，要慎重選用與六氟化硫接觸的材料。
表1-1 六氟化硫在極性和非極性溶劑中的溶解度 （摩爾分?jǐn)?shù)）
溶劑
溶解度
溶劑
溶解度
溶劑
溶解度
溶劑
溶解度
H2O
HF
C6H6
C6H12
0.05×10-4
1.3×10-4
26.4×10-4
53.91×10-4
n-C7H16
i-C8H18
C6H5CH3
C6H11CH3
100.55×10-4
153.5×10-4
33.95×10-4
70.15×10-4
C7H16
CCl4
C2Cl3F3
CS2
224.4×10-4
65.54×10-4
278.6×10-4
9.245×10-4
(C4F9)3N
N2H3CH3
N2O4
CH3NO2
731×10-4
2.11×10-4
93.48×10-4
10.0×10-4
t＝25℃,p＝0.1MPa
表1-2 六氟化硫與氦、氖、氙、氬在水中溶解度 （體積分?jǐn)?shù)）
物質(zhì)
溶劑
溶解度
六氟化硫
氦
氖
氙
氬
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
5.5×10-3
9×10-3
16×10-3
118×10-3
34×10-3
3.熱傳導(dǎo)性
表1-3表示六氟化硫氣體與空氣傳熱性能的比較
表1-3 六氟化硫氣體與空氣傳熱性能的比較
性能
單位
SF6
空氣
比值
導(dǎo)熱系數(shù)
W/(m?K)
0.0141
0.0241
0.66
摩爾壓熱容
J/(mol?K)
97.1
28.7
3.4
表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)
W/(m2?K)
15
6
2.5
由于任何物質(zhì)的傳熱過(guò)程包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射，所以評(píng)價(jià)傳熱性能的優(yōu)劣應(yīng)綜合分析。對(duì)于氣體介質(zhì)而言，它的傳熱效應(yīng)往往不是單純的傳導(dǎo)作用，還要考慮自然的對(duì)流傳熱、分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)攜帶的能量，能及氣體與熱固體表面接觸膨脹擴(kuò)散傳熱等。因此綜合考慮六氟化硫氣體的導(dǎo)熱系數(shù)、摩爾定壓熱容和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，可以看到六氟化硫氣體的熱傳導(dǎo)性能雖較差，導(dǎo)熱系數(shù)只有空氣的2/3，但它的摩爾質(zhì)量定壓熱容是空氣的3.4倍。其對(duì)流散熱能力比空氣大。此外六氟化硫氣體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比空氣和氫氣大。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大，表示熱物體在單位表面積、單位溫差下的散熱效果好，因此六氟化硫氣體的實(shí)際散熱能力比空氣好。
4.臨界常數(shù)
在一定溫度下，實(shí)際氣體壓力與體積的關(guān)系曲線稱為實(shí)際氣體的等溫線。實(shí)際氣體的等
溫線平直部分正好縮成一點(diǎn)時(shí)的溫度稱為臨界溫度。臨界溫度表示氣體可以被液化的最高溫度。在臨界溫度時(shí)使氣體液化所需的最小壓力稱為臨界壓力。六氟化硫的臨界壓力和臨界溫度都很高，臨界壓力3.9MPa，臨界溫度為45.6℃。在臨界壓力和臨界溫度下六氟化硫氣體的密度是7.3g/L。
一般的氣體其臨界溫度越低越好，如氮?dú)?，臨界溫度-146.8℃,表明氮?dú)庵挥性诘陀?146.8℃時(shí)才可以液化。六氟化硫則不然，只有在溫度高于45.6℃才能恒定地保持氣態(tài)，通常條件下很容易液化，所以六氟化硫氣體不適于在低溫、高壓下使用。
六氟化硫氣體的升華點(diǎn)為-63.8℃，在此溫度下，0.1MPa的壓力可使六氟化硫氣體直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w。六氟化硫氣體的熔點(diǎn)為-50.8℃，在此溫度下，六氟化硫液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，在0.23MPa壓力下，六氟化硫氣體也可以直接轉(zhuǎn)變成固體。
5.負(fù)電性
六氟化硫是負(fù)電性氣體。負(fù)電性是指分子（原子）吸收自由電子形成負(fù)離子的特性。
六氟化硫氣體的這一性質(zhì)主要是由氟元素確定的。氟元素在周期表上是第七族鹵族元素，它的最外層有七個(gè)電子，很容易吸收一個(gè)電子形成穩(wěn)定的電子層（八個(gè)電子）。元素的負(fù)電性可由電子親和能來(lái)評(píng)價(jià)。當(dāng)分子或原子與電子結(jié)合時(shí)會(huì)釋放出能量，該能量稱為電子親和能。鹵族元素均具有負(fù)電性，氟具首位。
若干元素的電子親和能值見(jiàn)表1-4。當(dāng)氟與硫結(jié)合后，仍將保留此特性。六氟化硫的電子親和能是3.4eV。