Hexafluorure de soufre

Hexafluorure de soufre
Structure de l'hexafluorure de soufre
Identification
Nom UICPA	Hexafluorure de soufre
No CAS	2551-62-4
No ECHA	100.018.050
No CE	219-854-2
Code ATC	V08DA05
Apparence	gaz comprimé liquéfié, incolore, inodore[1].
Propriétés chimiques
Formule	F6SSF6
Masse molaire[2]	146,055 ± 0,005 g/mol F 78,05 %, S 21,95 %,
Propriétés physiques
T° fusion	−51 °C[1]
T° ébullition	−63,8 °C (sublimation)
Solubilité	0,041 g·l-1 (eau)
Masse volumique	6,16 kg·m-3 (densité relative par rapport à l'air : 5,114)
Pression de vapeur saturante	21,5 bar (à 21 °C)
Point critique	37,6 bar, 45,55 °C[3]
Thermochimie
ΔvapH°	8,99 kJ·mol-1 (1 atm, 25 °C)[4]
Propriétés électroniques
1re énergie d'ionisation	15,32 ± 0,02 eV (gaz)[5]
Précautions
SIMDUT[6]
A, A : Gaz comprimé température critique = 45,55 °C Divulgation à 1,0 % selon la liste de divulgation des ingrédients
Transport
20    1080    Code Kemler : 20 : gaz asphyxiant ou qui ne présente pas de risque subsidiaire Numéro ONU : 1080 : HEXAFLUORURE DE SOUFRE Classe : 2.2 Code de classification : 2A : Gaz liquéfié, asphyxiant ; Étiquette : 2.2 : Gaz ininflammables, non toxiques (correspond aux groupes désignés par un A ou un O majuscule);
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.
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L’hexafluorure de soufre est un composé chimique de soufre et de fluor, de formule chimique SF₆. C’est un gaz inerte, sans odeur, incolore. Son potentiel de réchauffement global est très élevé, de 23 500 fois celui du dioxyde de carbone à cent ans.

Synthèse et propriétés chimiques

Le SF₆ peut être préparé en exposant du soufre S₈ à du difluor F₂, procédé découvert par Henri Moissan et Paul Lebeau en 1901. D'autres fluorures de soufre se forment au cours de cette réaction, mais ils disparaissent par chauffage (qui dismute le décafluorure de disoufre S₂F₁₀, très toxique) et traitement du produit par l'hydroxyde de sodium NaOH pour éliminer le tétrafluorure de soufre SF₄ restant.

Le SF₆ est pratiquement inerte chimiquement. Il ne réagit pas avec le sodium fondu, mais réagit de façon exothermique avec le lithium.

On peut préparer le SF₅Cl à partir du SF₄, mais il s'agit d'un oxydant fort qui s'hydrolyse rapidement en sulfate SO₄²⁻.

Applications

Applications médicales

L'hexafluorure de soufre est le gaz utilisé dans la fabrication des microbulles de Sonovue (laboratoire Bracco). Ces microbulles servent d'agent de contraste lors d'échographie cardiaque et vasculaire.

Ce gaz est aussi couramment utilisé en ophtalmologie dans le tamponnement du décollement de rétine et des trous maculaires.

Applications électriques

Ce gaz est un excellent isolant électrique. L'hexafluorure de soufre remplit les critères nécessaires à l'isolation électrique : il a une excellente rigidité diélectrique, 2,5 fois supérieure à celle de l'air, est très électronégatif et a une bonne capacité de transfert thermique^[7]. Il est également stable chimiquement : inerte, non initiable, non inflammable et non toxique^[8],[9]. Le seul danger pour la santé est le risque de suffocation^[9]. Sa température de décomposition est de 600 °C^[9]. Sa plage de température d'utilisation pour les appareils électriques va de −30 à 40 °C^[10].

Sa bonne rigidité diélectrique provient du fait que le SF₆ est très électronégatif : il absorbe les électrons qui ne peuvent ainsi pas ioniser le gaz et ne peuvent pas mener à une décharge électrique^[11]. Le SF₆ a par ailleurs une propriété remarquable pour l'extinction des arcs électriques : il se décompose sous l'effet de l'arc et se recompose extrêmement rapidement, permettant au gaz de retrouver sa rigidité diélectrique. Cette propriété le rend tout particulièrement adapté pour la réalisation de disjoncteurs haute tension en courant alternatif^[11]. Ses capacités d'isolation se régénèrent après un arc électrique^[9].

Le SF₆ produit dans le monde est utilisé pour 80 % dans les disjoncteurs à haute tension et dans les postes électriques sous enveloppe métallique^[7].

Plus généralement, il est utilisé dans les matériels des postes électriques.

Autres usages

Le SF₆ est aussi utilisé :

• comme gaz détecteur de fuites (usage maintenant interdit en Union européenne, Directive F-gas^[12]) ;
• dans la métallurgie pour la production d’aluminium et de magnésium ;
• dans la fabrication de semi-conducteurs (en raison de son caractère inerte et de sa densité permettant de maintenir la pureté du milieu contre les poussières et éléments oxydants), ainsi que dans la gravure ionique réactive du silicium ;
• dans les accélérateurs de particules, pour les mêmes raisons que pour les applications électriques ;
• dans la semelle de certaines chaussures de sport jusqu’aux années 2000 (avant d’être remplacé par de l’azote, à cause de son caractère de gaz à effet de serre)^[13] ;
• dans certains tours de magie : à cause de sa très forte densité (de même que l’hélium pour la raison inverse) ;
• dans des spectacles : inhalé, il rend la voix plus grave (à cause de sa forte densité qui modifie la vitesse de propagation des ondes sonores dans l’espace vibratoire des cordes vocales) à l’inverse de l’hélium ; cette pratique est cependant déconseillée à cause des risques élevés de suffocation ;
• l'intérêt pédagogique du SF₆ est d'avoir des caractéristiques physiques permettant une mise en évidence du point critique « relativement » aisément. T_c vaut en effet environ 45 °C sous une pression de 37,6 bar^[14]. L'expérience permet de faire « le tour » du point critique en observant le phénomène d'opalescence critique.

Dangers

Ce gaz n'est pas toxique. Néanmoins, il est suffocant en cas d’exposition à une concentration élevée et prolongée (au même titre que d’autres gaz inertes tels que l’hélium, l’argon ou l’azote). La ventilation du local dans lequel il est employé suffit normalement à réduire les risques de suffocation.

Par ailleurs, les produits issus de sa décomposition, causée par les effets corona et arcs électriques, en l'occurrence le S₂O₂F₁₀ et le HF, sont très toxiques et très corrosifs^[15],[9].

Aspects environnementaux

L'hexafluorure de soufre (SF₆) est l'un des six types de gaz à effet de serre visés par le protocole de Kyoto ainsi que dans la directive 2003/87/CE. Son potentiel de réchauffement global (PRG) à cent ans est 23 500 fois supérieur à celui du dioxyde de carbone^[16], ce qui en fait potentiellement le plus puissant gaz à effet de serre sur Terre. Cela signifie que chaque kilogramme de SF₆ émis dans l’atmosphère a le même impact sur l’effet de serre global à long terme que 23 500 kg de CO₂. De plus, sa durée de vie dans l'atmosphère atteint 3 200 ans, contre 100 ans environ pour le dioxyde de carbone^[17]. Sa contribution à l’effet de serre global est inférieure à 0,3 %^[18].

Les émissions de SF₆ sont dues principalement à la production de magnésium, à la fabrication et l’utilisation des équipements électriques de haute tension, à la fabrication de câbles et aux accélérateurs de particules^[19]. Si elles diminuent dans des pays comme la France (division par cinq entre 1990 et 2019^[19]), elles croissent continûment dans le monde, du fait de la multiplication des équipements électriques employant le gaz, dont le nombre devrait augmenter de 75 % entre 2020 et 2030^[20].

En France en 2013, près de 580 000 tonnes d'équivalent CO₂ de SF₆ ont été émises^[21],[19], sur un total d’un peu plus de 500 millions de tonnes d’équivalent CO₂^[22].

En 2002, le SF₆ utilisé dans l’appareillage électrique a représenté 0,05 % des émissions de gaz à effet de serre de l’Europe des 15. L’industrie électrique le recycle en grande partie : les appareils en fin de vie sont vidés de leur gaz, lequel après traitement est utilisé pour remplir de nouveaux appareils. Ses émissions ont nettement baissé de 1990 à 2004 (-40 % au Canada et -34 % en France)^[23],[19].

En 2021, les émissions de SF₆ en Chine ont atteint 125 millions de tonnes d'équivalent CO₂ (environ 1 % des émissions totales de carbone du pays), soit 57 % des émissions mondiales d'hexafluorure de soufre^[24].

Alternative pour le matériel électrique

Un mélange de SF₆ et de diazote dans les proportions 20 %/80 % a une rigidité électrique égale à environ 70 % celle du SF₆ seul. Il représente donc une solution pour remplacer le SF₆ pur. Par contre, un gaz de substitution ayant les mêmes propriétés n'a pas encore été trouvé^[25].

Notes et références

Voir aussi

Bibliographie

 : document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

• [CITEPA 2021] Gaz à effet de serre et polluants atmosphériques : Bilan des émissions en France de 1990 à 2020 (rapport), Centre interprofessionnel technique d'études de la pollution atmosphérique (n^o 1789sec / 2021), juillet 2021, 496 p. (présentation en ligne, lire en ligne [PDF]), p. 143-145 : « SF₆ Hexafluorure de soufre ». 
  Voir notamment l'analyse, en ligne : « Hexafluorure de soufre », 5 juin 2020 (consulté le 11 juin 2021).
• (de) Andreas Kuechler, Hochspannungstechnik, Grundlagen, Technologie, Anwendungen, Berlin, Springer, 2005, 543 p. (ISBN 3-540-21411-9, lire en ligne). 
• (en) M.S. Naidu, Gas Insulated Substation, New Delhi, I.K. International, 2008, 244 p. (ISBN 978-81-906942-9-2, lire en ligne), p. 1-19. 

Articles connexes

• Disjoncteur haute tension
• Molécule hypervalente
• Pentafluorure de soufre trifluorométhyle

Liens externes

• Air Liquide encyclopédie des gaz : Fiche SF6
• SF6 dans l'appareillage électrique HTA

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