六氟化硫气体的基本特性
第一节 六氟化硫气体的物理化学特性
金属和非金属的六氟化物是含氟化合物中的一个庞大的和引人注目的群体。尽管大多数的六氟化物在本世纪初即已发现，但对这些物质的认真研究却仅始于40年代。目前已知的18种六氟化物，按照它们的化学性质可分为二组，即非金属化合物和金属化合物。第一组以其稳定性著称，第二组在氟化或水解能力上则有很高的活力。六氟化硫属非金属氟化物，经对其物理化学性质的研究，发现六氟化硫具有与氮气和其他隋性气体相比拟的极稳定的化学性质。
一、基本特性
六氟化硫由卤族元素中最活泼的氟原子与硫原子结合而成。分子结构是六个氟原子处于顶点位置而硫原子处于中心位置的正八面体（见图1-1），S与F原子以共价键联结，键距是1.58×10-10m。
六氟化硫在常温常压下具有高稳定性，在通常状态下六氟化硫是一种无色、无味、无毒、不燃的气体。其分子等值直径是4.58×10-10m。
六氟化硫气体的相对分子质量是146.07，空气相对分子质量是28.8。六氟化硫气体的密度是6.16g/L（20℃，101325Pa时），约为空气密度（1.29g/L）的五倍。由于六氟化硫气体密度比空气密度大很多，因此，空气中的六氟化硫易于自然下沉，致使下部空间的六氟化硫气体浓度升高，且不易扩散稀释。 图1-1 六氟化硫分子结构示意图
二、物理化学性质
在标准状态下六氟化硫是一种无色气体，其密度接近理论值。当冷却到-63℃时变成无色的固体物质，加压时可熔化，其三相点参数为：t＝-50.8℃,p＝0.23MPa。
1.溶解度
六氟化硫在极性和非极性溶剂中的溶解度如表1-1。最早测得六氟化硫在水中的溶解度比氦（He）、氖(Ne)、氙(Xe)、氩（Ar）等隋性气体在水中的溶解度低得多，见表1-2。
2.热稳定性
六氟化硫气体的化学性质极为稳定，在常温和较高的温度下一般不会发生分解反应，其热分解温度为500℃。六氟化硫在室温度条件下与大多数化学物质不发生作用。在温度低于800℃时，六氟化硫为隋性气体，不燃烧。在赤热的温度下，它与氧气、氢气、铝以及其他许多物质不发生作用。但在高温下则与许多金属发生反应，而且与碱金属在200℃左右即可反应。使用条件在150~200℃时，要慎重选用与六氟化硫接触的材料。
表1-1 六氟化硫在极性和非极性溶剂中的溶解度 （摩尔分数）
溶剂
溶解度
溶剂
溶解度
溶剂
溶解度
溶剂
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 六氟化硫与氦、氖、氙、氩在水中溶解度 （体积分数）
物质
溶剂
溶解度
六氟化硫
氦
氖
氙
氩
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
5.5×10-3
9×10-3
16×10-3
118×10-3
34×10-3
3.热传导性
表1-3表示六氟化硫气体与空气传热性能的比较
表1-3 六氟化硫气体与空气传热性能的比较
性能
单位
SF6
空气
比值
导热系数
W/(m?K)
0.0141
0.0241
0.66
摩尔压热容
J/(mol?K)
97.1
28.7
3.4
表面传热系数
W/(m2?K)
15
6
2.5
由于任何物质的传热过程包括热传导、热对流、热辐射，所以评价传热性能的优劣应综合分析。对于气体介质而言，它的传热效应往往不是单纯的传导作用，还要考虑自然的对流传热、分子扩散运动携带的能量，能及气体与热固体表面接触膨胀扩散传热等。因此综合考虑六氟化硫气体的导热系数、摩尔定压热容和表面传热系数，可以看到六氟化硫气体的热传导性能虽较差，导热系数只有空气的2/3，但它的摩尔质量定压热容是空气的3.4倍。其对流散热能力比空气大。此外六氟化硫气体的表面传热系数比空气和氢气大。表面传热系数大，表示热物体在单位表面积、单位温差下的散热效果好，因此六氟化硫气体的实际散热能力比空气好。
4.临界常数
在一定温度下，实际气体压力与体积的关系曲线称为实际气体的等温线。实际气体的等
温线平直部分正好缩成一点时的温度称为临界温度。临界温度表示气体可以被液化的最高温度。在临界温度时使气体液化所需的最小压力称为临界压力。六氟化硫的临界压力和临界温度都很高，临界压力3.9MPa，临界温度为45.6℃。在临界压力和临界温度下六氟化硫气体的密度是7.3g/L。
一般的气体其临界温度越低越好，如氮气，临界温度-146.8℃,表明氮气只有在低于-146.8℃时才可以液化。六氟化硫则不然，只有在温度高于45.6℃才能恒定地保持气态，通常条件下很容易液化，所以六氟化硫气体不适于在低温、高压下使用。
六氟化硫气体的升华点为-63.8℃，在此温度下，0.1MPa的压力可使六氟化硫气体直接转变为固体。六氟化硫气体的熔点为-50.8℃，在此温度下，六氟化硫液态转变为固态，在0.23MPa压力下，六氟化硫气体也可以直接转变成固体。
5.负电性
六氟化硫是负电性气体。负电性是指分子（原子）吸收自由电子形成负离子的特性。
六氟化硫气体的这一性质主要是由氟元素确定的。氟元素在周期表上是第七族卤族元素，它的最外层有七个电子，很容易吸收一个电子形成稳定的电子层（八个电子）。元素的负电性可由电子亲和能来评价。当分子或原子与电子结合时会释放出能量，该能量称为电子亲和能。卤族元素均具有负电性，氟具首位。
若干元素的电子亲和能值见表1-4。当氟与硫结合后，仍将保留此特性。六氟化硫的电子亲和能是3.4eV。