육플루오린화 황
1. 개요
육플루오린화 황(SF6)은 무색, 무취, 무독성, 불연성 기체로, 이산화탄소와 유사하게 끓는점에서 승화하며 공기보다 약 5배 무겁고 절연성이 뛰어나다. 주로 황을 플루오린에 노출시켜 합성하며, 높은 절연성으로 변압기, 절연 개폐 장치 등 전력 기기의 절연 매체로 사용된다. 반도체 및 액정 패널 제조, 의료용 초음파 조영제, 망막 박리 수술, 추적 기체 등 다양한 용도로 활용된다. 강력한 온실 기체로, 지구 온난화 지수가 이산화탄소의 23,900배에 달하며, 환경 규제를 받는다. 과다 흡입 시 질식의 위험이 있으며, 목소리 음색을 변화시키는 특징이 있다.
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| IUPAC 이름 | 육플루오린화 황 |
|---|---|
| 계통명 | 헥사플루오로-λ6-설페인 |
| 다른 이름 | 엘라가스 에사플론 플루오린화 황(VI) 황산 플루오린 |
| CAS 등록번호 | 2551-62-4 |
|---|---|
| PubChem | 17358 |
| ChemSpider ID | 16425 |
| UNII | WS7LR3I1D6 |
| EINECS | 219-854-2 |
| UN 번호 | 1080 |
| KEGG | D05962 |
| MeSH 이름 | Sulfur+hexafluoride |
| ChEBI | 30496 |
| RTECS | WS4900000 |
| Gmelin | 2752 |
| SMILES | FS(F)(F)(F)(F)F |
| 표준 InChI | 1S/F6S/c1-7(2,3,4,5)6 |
| 표준 InChIKey | SFZCNBIFKDRMGX-UHFFFAOYSA-N |
| 화학식 | SF6 |
|---|---|
| 몰 질량 | 146.06 g/mol |
| 외형 | 무색 기체 |
| 냄새 | 무취 |
| 밀도 | 6.17 g/L |
| 녹는점 | 209 K |
| 끓는점 | -50.8 °C |
| 임계점 | 45.51 °C, 3.749 MPa |
| 증기압 | 2.9 MPa (21.1 °C에서) |
| 용해도 (다른 용매) | 물에 약간 용해, 에탄올, 헥세인, 벤젠에 매우 잘 용해 |
| 용해도 (물) | 0.003% (25 °C) |
| 자기 감수율 | -44.0e-6 cm3/mol |
| 점성 | 15.23 μPa·s |
| 열전도율 | 13.45 mW/(m·K) (25 °C에서) 11.42 mW/(m·K) (0 °C에서) |
| 결정 구조 | 사방정계, oP28 |
|---|---|
| 공간군 | Oh |
| 배위 | 직교 육각형 |
| 분자 모양 | 팔면체 |
| 쌍극자 모멘트 | 0 D |
| 표준 생성 엔탈피 | -1209 kJ·mol−1 |
|---|---|
| 열용량 | 0.097 kJ/(mol·K) (정압) |
| 엔트로피 | 292 J·mol−1·K−1 |
| ATC 코드 | V08DA05 |
|---|---|
| EU 라이선스 | 예 |
| INN (국제 일반 명칭) | sulphur hexafluoride |
| GHS 신호어 | 경고 |
|---|---|
| GHS 참조 | GHS: GESTIS (Schwefelhexafluorid) |
| NFPA 704 | 건강: 1 화재: 0 반응성: 0 특별: SA |
| IDLH | N.D. |
| PEL (허용 노출 기준) | TWA 1000 ppm (6000 mg/m3) |
| REL (권장 노출 기준) | TWA 1000 ppm (6000 mg/m3) |
| 기타 양이온 | 해당 없음 |
|---|---|
| 관련 기능 (황 화합물) | 데카플루오린화 이황 사플루오린화 황 |
| 기타 화합물 | 육플루오린화 셀레늄 플루오린화 설푸릴 육플루오린화 텔루륨 육플루오린화 폴로늄 |
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플루오린 화합물 -
형석
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플루오린 화합물 -
마법산
마법산은 플루오로황산과 오플루오린화 안티몬의 혼합물로, 조지 앤드루 올라에 의해 개발되어 탄수화물 연구, 카보늄 이온 생성, 알케인과의 반응 등에 활용되는 초강산으로 높은 산성도와 반응성으로 취급 시 주의가 필요하다. -
황 화합물 -
철-황 클러스터
철-황 클러스터는 철과 황 원자의 결합으로 이루어진 무기화합물로서, 생체 내 단백질의 구성요소로 중요한 역할을 하며, Fe:S 화학량론에 따라 다양한 형태로 존재하고 전자전달, 촉매작용 등에 필수적이며, 여러 분야에서 응용될 수 있다. -
황 화합물 -
황화 수소
황화 수소는 무색 기체로 달걀 썩는 냄새가 나며, 금속 이온과 반응하여 금속 황화물 침전을 생성하고, 연소 시 물과 이산화 황을 생성하며, 산업적으로 황산 또는 황화물 합성에 사용되고, 생체 내 신호 분자로 작용하며, 유독하여 흡입 시 호흡 마비 및 사망을 초래한다. -
온실 기체 -
수증기
수증기는 물이 증발하거나 승화하여 생성되는 기체 상태의 물질로, 온도 변화에 따라 물로 응축되기도 하며, 대기 중 습도 조절, 온실 효과, 다양한 산업 분야에서의 활용 등 여러 중요한 역할을 한다. -
온실 기체 -
이산화 탄소
이산화탄소(CO₂)는 탄소 원자 하나와 산소 원자 두 개로 이루어진 무색·무취의 기체로, 드라이아이스로 승화하며, 탄산 형성, 연소, 호흡, 광합성 등 다양한 과정에서 발생하고, 산업적으로 널리 사용되지만 지구 온난화의 주요 원인이자 고농도에서 인체에 유독한 물질이다.
2.1. 화학적, 물리적 특성
열적 안정성이 뛰어나다. 화학적으로 비활성이어서 안정적인 기체이다. 무색, 무취, 무해, 불연성 기체이다. 열 전달성이 뛰어나다. 융점은 -50.8°C, 승화점은 -63.8°C이다. 분자는 1개의 황 원자(S)와 6개의 플루오린 원자(F)로 구성된다. 무색 무취의 기체이다. 공기를 1로 했을 때 비중은 5.106이다. 열적, 화학적으로 안정적이며, 내열성, 불연성, 비부식성이 뛰어나며, 또한 높은 절연 성능을 가지고 있다. 표준 상태에서의 밀도는 6.12g/L로, 공기보다 약 5배 정도 무거운 기체이며 절연성이 뛰어나다. 이산화 탄소와 같이 1기압하의 끓는점에서 승화한다.
3. 합성 및 반응
황을 플루오린에 노출시켜 제조할 수 있다. 이는 1901년 앙리 무아상과 폴 르보가 발견한 방법이다. 다른 몇몇 황 플루오라이드도 함께 생성되지만, 혼합물을 가열하여 십불화이황(독성이 매우 강함)을 제거한 다음, 잔류하는 사불화황을 수산화 나트륨(NaOH)으로 세척하여 제거한다.
또는, 브로민을 사용하여 사불화황(SF4)과 삼불화 코발트(CoF3)로부터 더 낮은 온도(예: 100 °C)에서 다음과 같이 육플루오린화 황을 합성할 수 있다.
:2CoF3 + SF4 + [Br2] → SF6 + 2CoF2 + [Br2]
육플루오린화 황(SF6)에 대한 반응 화학은 사실상 없다. SF6의 불활성에 대한 주요 기여 요인은 황 원자의 입체 장애이며, 육불화 셀레늄(SeF6)와 같은 16족 원소의 더 무거운 짝은 입체 장애가 적기 때문에 SF6보다 반응성이 더 크다. 녹은 나트륨과는 끓는점 이하에서 반응하지 않지만, 리튬과는 발열 반응을 한다.
:8Li + SF6 → 6LiF + Li2S
반응에 의해 생성된 열 에너지와 해수로부터 수증기를 생성하여, 이를 추진력으로 한다. 또한 반응 생성물의 부피는 원래 육플루오린화 황과 리튬보다 작아지기 때문에, 종래의 어뢰처럼 생성물을 기외로 배출할 필요가 없어 어뢰의 성능 향상에 기여하고 있다.
4. 용도
육플루오린화 황은 높은 절연성 때문에 변압기, 절연 개폐 장치 등 전력 기기의 절연 매체로 사용된다. 2000년까지 전력 산업에서 생산된 육플루오린화 황의 약 80%를 사용한 것으로 추정된다. 이 외에도 반도체 제품이나 액정 패널 제조 과정에서 실리콘 에칭제로 사용되며, 마그네슘 주조용 불활성 기체로도 쓰인다. 특수한 예로 어뢰의 엔진 연료에도 사용된다.
4.1. 산업용
육플루오린화 황은 높은 절연성으로 변압기, 절연 개폐 장치 등 전력 기기의 절연 매체로 사용된다. 2000년까지 전력 산업은 생산된 육플루오린화 황의 약 80%를 사용한 것으로 추정된다. 황 육불화물 차단기, 개폐 장치 및 기타 전기 장비의 기체 유전체 매질로 사용되며, 유해한 폴리염화 바이페닐(PCB)을 포함할 수 있는 오일 충전 차단기(OCB)를 대체하는 경우가 많다. 압력 하의 육플루오린화 황 가스는 공기 또는 건조 질소보다 훨씬 높은 절연 내력을 가지고 있기 때문에 가스 절연 개폐 장치(GIS)의 절연체로 사용된다. 높은 절연 내력은 가스의 높은 전기 음성도와 밀도 때문이다. 이 속성을 통해 전기 장치의 크기를 상당히 줄일 수 있으며, 더 많은 공간을 차지하는 공기 절연 전기 장치와 달리 실내 설치와 같은 특정 목적에 GIS를 더 적합하게 만든다. 가스 절연 전기 장치는 통제된 작동 환경으로 인해 오염 및 기후의 영향에 더 강하며 장기 작동에서 더 안정적이다.
반도체 제품이나 액정 패널 제조 과정(드라이 에칭)에서도 사용된다. 2015년 기준으로 반도체 제조를 위한 실리콘 에칭제가 주요 용도 중 하나이다. 육플루오린화 황 플라즈마는 반도체 산업에서 에칭제로 사용되며, 심부 반응성 이온 에칭과 같은 공정에 사용된다. 육플루오린화 황의 작은 부분은 플라즈마 내에서 황과 플루오린으로 분해되며, 플루오린 이온은 실리콘과 화학 반응을 일으킨다.
마그네슘 산업에서는 육플루오린화 황을 주조를 포함한 다른 공정에서 산화를 방지하기 위한 불활성 "덮개 가스"로 사용한다. 과거 최대 사용처였으나, 회수 및 재활용으로 소비량이 크게 감소했다.
단열 유리 창은 열 및 음향 단열 성능을 향상시키기 위해 충전재로 사용되었다.
고출력 마이크로파 시스템의 도파관은 육플루오린화 황으로 가압된다. 이 가스는 도파관을 전기적으로 절연하여 내부 아크를 방지한다.
정전형 스피커는 높은 유전 강도와 높은 분자량으로 인해 육플루오린화 황을 사용해 왔다.
4.2. 의료용
영어는 기포 형태로 망막 박리 수술에서 망막 구멍의 탐포네이드 또는 플러그를 제공하는 데 사용된다. 이는 유리체강에서 비활성이다. 기포는 처음 36시간 동안 산소와 질소가 유입되어 부피가 두 배로 늘어난 후, 10~14일 안에 혈액에 흡수된다.
영어는 의료 초음파 영상의 조영제로 사용된다. 육플루오린화 황 마이크로버블은 말초 정맥 주사를 통해 용액으로 투여된다. 이 마이크로버블은 초음파에서 혈관의 가시성을 향상시킨다. 이 응용 분야는 종양의 혈관 분포를 검사하는 데 사용되어 왔다. 이 물질은 혈액에서 3~8분 동안 보이며 폐를 통해 배출된다.
안과 영역 수술 시 사용된다. 영어을 안구 내에 주입하면 공기보다 오랫동안 유지되는 특성이 있어 망막 박리와 같은 망막 유리체 질환 수술(유리체 절제술) 시 가스의 부력을 이용하여 망막을 일정 기간 밀착시키는 목적으로 사용되는 경우가 있다.
4.3. 기타 용도
* 미국 해군의 Mark 50 어뢰 폐쇄 랭킨 사이클 추진 시스템은 고체 리튬과의 발열 반응에서 육플루오린화 황에 의해 구동된다.
* 도로 대기 확산 모델 보정에 사용된 추적 기체였다. 이 연구 프로그램은 미국 환경 보호청의 후원을 받아 캘리포니아주 서니베일의 101번 국도에서 수행되었다.
* 건물 및 실내 인클로저의 단기 환기 효율 실험과 침투율 결정에 추적 기체로 사용된다.
* 해양학에서 디아피크날 혼합 및 대기-해양 가스 교환을 연구하기 위한 추적 물질로 사용되었다.
* 오락용으로 육플루오린화 황을 들이마시면 공기보다 밀도가 훨씬 높기 때문에 목소리가 상당히 낮아진다.
* 과학 시연에서 가벼운 호일 보트가 탱크에서 떠 있을 수 있으며, 공기로 채워진 풍선도 떠 있을 수 있기 때문에 "보이지 않는 물"로 사용된다.
5. 환경 문제
육플루오린화 황(SF6)은 기후 변화에 관한 정부간 패널(IPCC)에서 지정한 가장 강력한 온실 가스이다. 100년을 기준으로 했을 때 지구 온난화 지수가 CO2의 23,900배에 달한다. 육플루오린화 황은 대류권과 성층권에서 비활성이며, 대기 수명은 800~3,200년으로 매우 길다.
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육플루오린화 황의 전 세계 평균 혼합비는 산업화 이전 약 54 경 분율에서 2023년 10월 현재 11.5조 분율(ppt) 이상으로 증가했으며, 연간 약 0.4 ppt(3.5%)씩 증가하고 있다. 1980년대와 1990년대에는 평균 전 세계 육플루오린화 황 농도가 연간 약 7% 증가했는데, 이는 주로 마그네슘 생산, 전력 회사 및 전자 제조업체에서의 사용으로 인한 것이다. 이산화 탄소에 비해 육플루오린화 황의 방출량이 적어 지구 온난화에 대한 전체적인 개별 기여도는 0.2% 미만으로 추정되지만, 2020년 현재 육플루오린화 황 및 유사한 인공 할로겐화 가스의 집단적 기여도는 약 10%에 달했다.
유럽에서는 육플루오린화 황이 여러 용도에 대한 사용을 금지하거나 규제하는 F-Gas 지침의 적용을 받는다. 2006년 1월 1일부터 육플루오린화 황은 고전압 개폐 장치를 제외한 모든 응용 분야에서 추적 가스로 금지되었다. 2013년에는 미국 에너지부가 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소와 같은 미국의 연구소에서 가스가 고전압 절연체로 사용되는 누출을 식별하고 해결하기 위한 3년간의 노력을 통해 연간 누출량을 1034kg만큼 줄이는 성과를 거두었다고 보고되었다.
6. 생리적 영향 및 주의사항
육플루오린화 황은 무독성 기체이지만, 폐에서 산소를 대체하여 과다 흡입 시 질식의 위험이 있다. 공기보다 밀도가 높아 대량 방출 시 낮은 곳에 가라앉아 해당 지역에 들어가면 심각한 질식 위험을 초래한다. 이는 전기 장비 절연체로 사용될 때 특히 관련이 있는데, 작업자가 육플루오린화 황을 포함하는 장비 아래 참호나 구덩이에 있을 수 있기 때문이다.
모든 기체와 마찬가지로, 육플루오린화 황의 밀도는 성도의 공명 주파수에 영향을 미쳐 흡입하는 사람의 목소리 음색, 즉 음색을 극적으로 변화시킨다. 그러나 성대의 진동에는 영향을 미치지 않는다. 육플루오린화 황의 밀도는 기체의 큰 몰 질량 때문에 실온 및 압력에서 비교적 높다. 약 4 g/mol의 몰 질량을 가진 헬륨은 목소리를 높이지만, 육플루오린화 황은 약 146 g/mol의 몰 질량을 가지며, 기체 내 음속은 실온에서 약 134 m/s로 목소리를 낮춘다. 비교를 위해 약 80%의 질소와 20%의 산소로 구성된 공기의 몰 질량은 대략 30 g/mol이며, 이로 인해 음속은 343 m/s가 된다.
육플루오린화 황은 아산화 질소보다 약간 낮은 마취 효능을 가지고 있으며, 경미한 마취제로 분류된다. 육플루오린화 황을 들이마시고 소리를 내면 음역이 낮아진다. 무거운 기체 속에서는 음속이 감소하기 때문에 호흡기 내 공명 주파수가 낮아진다. 육플루오린화 황 자체는 무독성이지만, 산소를 포함하지 않는 기체 흡입 (정확하게는 폐 내 산소 분압이 너무 낮아지는 것)은 산소 결핍에 의한 질식사를 초래할 수 있다. 특히 무거운 기체는 폐 하단에 머물기 쉽고, 공기와의 비중 차이로 인해 배출이 어려워 더 위험하다.
2007년 기상청 기상연구소는 해수 중 육플루오린화 황 농도를 고정밀도이며 낮은 검출 한계로 측정할 수 있는 기법을 개발했다.
디실레인과 격렬하게 반응하여 폭발한다.