Schwefelsäure 0,5 mol/l (1N) Maßlösung

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Schwefelsäure ist eine chemische Verbindung von Schwefel mit der Summenformel H2SO4. Es handelt sich um eine farblose, ölige, sehr viskose und hygroskopische Flüssigkeit. Schwefelsäure ist eine der stärksten Säuren und hat eine stark ätzende Wirkung. Diese Mineralsäure bildet zwei Reihen von Salzen, Hydrogensulfate (oder Bisulfate) und Sulfate, in denen ein bzw. zwei Protonen durch Kationen gegenüber der freien Säure ersetzt sind. - Schwefelsäure ist eine der technisch wichtigsten Chemikalien und eine der am häufigsten hergestellten Grundchemikalien. Im Jahr 1993 wurden weltweit etwa 135 Millionen Tonnen Schwefelsäure produziert, im Jahr 2020 werden es 260 Millionen Tonnen sein. Sie wird vor allem bei der Herstellung von Düngemitteln und anderen Mineralsäuren wie Salz- oder Phosphorsäure verwendet. Meistens werden wässrige Lösungen verschiedener Konzentrationen verwendet. - Das Anhydrid der Schwefelsäure ist Schwefeltrioxid (SO3). Die Lösung von Schwefeltrioxid in Schwefelsäure über das stöchiometrische Verhältnis hinaus wird rauchende Schwefelsäure oder Oleum genannt, weil das enthaltene Schwefeltrioxid leicht aus der Lösung entweicht und mit der Luftfeuchtigkeit Nebel ("Rauch") aus verdünnter Schwefelsäure bildet. Verwandte Säuren sind die schweflige Säure (H2SO3), die aus Schwefeldioxid gewonnen wird, und die Thioschwefelsäure (H2S2O3), bei der ein Sauerstoffatom durch Schwefel ersetzt wird. – Geschichte - Schwefelsäure war lange Zeit unter dem inzwischen veralteten Namen Vitriolöl bekannt. Die frühesten Hinweise finden sich in den Texten des historisch umstrittenen Alchemisten Dschābir ibn Hayyān aus dem 8. Jahrhundert. Spätere, mögliche Herstellungsverfahren werden auch in den alchemistischen Schriften von Albertus Magnus (1200-1280) und Basilius Valentinus (um 1600) erwähnt. Diese Verfahren beschreiben, wie Vitriolöl aus natürlichen Sulfaten wie Chalcanthit oder Alaun gewonnen werden kann. Der Name Vitriolöl leitet sich von dem antiken Namen Vitriol für diese Mineralien ab. Die erste Quelle für große Mengen an Schwefelsäure war Eisenvitriol. Ab dem 16. Jahrhundert wurde in Böhmen, Sachsen und im Harz (Deutschland) Schwefelsäure nach dem Vitriolverfahren hergestellt. Das Produkt wurde Nordhausen-Vitriol genannt, nach der deutschen Stadt Nordhausen, die das erste Zentrum der Produktion war. Die ersten wissenschaftlichen Untersuchungen mit Schwefelsäure wurden von Johann Rudolph Glauber durchgeführt. Er ließ die Säure auf Kochsalz einwirken und erhielt Salzsäure und Glaubersalz, Natriumsulfat, das seinen Namen trägt. - Die Verfahren, in denen die Sulfate verwendet wurden, waren jedoch sehr komplex und teuer. Um größere Mengen zu erhalten, wurde im 18. Jahrhundert ein Verfahren entwickelt, bei dem Schwefel und Salpeter (Kaliumnitrat) in Glasgefäßen verbrannt wurden. Da Glasgefäße sehr zerbrechlich waren, wurde die Reaktion erstmals 1746 von John Roebuck in Bleigefäßen durchgeführt. Das 1778 gegründete Laboratorium Winterthur war die erste chemische Fabrik der Schweiz, deren Hauptprodukt das Vitriolöl war. Nachdem Nicolas Clément-Desormes und Charles-Bernard Desormes 1793 entdeckten, dass die Menge an Salpeter durch den Einsatz von Luft erheblich reduziert werden kann, konnte das Bleikammerverfahren in großem Maßstab eingesetzt werden. Dies war besonders wichtig für das Leblanc-Verfahren zur Herstellung von Soda, das 1789 von Nicolas Leblanc erfunden und 1791 erstmals angewandt wurde. Das Verfahren wurde mehrfach verbessert, z. B. durch die Entwicklung der Absorptionsmethode für nitrose Gase durch Joseph Louis Gay-Lussac. Auf diese Weise war es möglich, eine kontinuierliche Kontrolle der Produktion zu erreichen. - Der Hauptnachteil dieses Verfahrens bestand darin, dass nur eine maximale Säurekonzentration von 78 % erreicht werden konnte und konzentriertere Lösungen und Oleum durch die mühsame Destillation des Eisenvitriols weiter hergestellt werden mussten. Die einfache Herstellung von Schwefelsäure höherer Konzentration war erst möglich, als Rudolph Messel in England 1870 das Kontaktverfahren entwickelte. - Vorkommen in der Natur - Freie undissoziierte Schwefelsäure in Oxonium- und Sulfationen kommt in der Natur sehr selten vor. In der Atmosphäre entsteht es aus Schwefeldioxid, das bei der Verbrennung von schwefelhaltigen Stoffen oder bei Vulkanausbrüchen gebildet wird. Das Schwefeldioxid wird durch Hydroxylradikale und Sauerstoff zu Schwefeltrioxid oxidiert. Mit Wasser wird schließlich freie Schwefelsäure gebildet. Andere Oxidationsmittel, die die Bildung von Schwefeltrioxid ermöglichen, sind Ozon oder Wasserstoffperoxid. Die verdünnte Säure gelangt dann in Form von saurem Regen auf die Erde. - Eine geringe Menge freier Schwefelsäure wird auch in einigen vulkanischen Quellen, den sogenannten Solfataren, produziert. - Im Gegensatz zur freien Säure sind ihre Salze, insbesondere Sulfate, in der Natur viel häufiger anzutreffen. Es gibt viele verschiedene Sulfatmineralien. Zu den bekanntesten und wichtigsten gehören Gips (CaSO4·2H2O), Baryt (BaSO4), Chalkanthit (CuSO4·5H2O) oder Glaubersalz (Na2SO4·10H2O). - Außerhalb der Erde findet man Schwefelsäure in der oberen Atmosphäre der Venus. Es entsteht durch photochemische Reaktionen von Schwefeldioxid und Wasser. Es bilden sich Tröpfchen, die 80-85% Schwefelsäure enthalten. In den unteren Schichten zerfällt die Säure bei hohen Temperaturen in Schwefeldioxid, Sauerstoff und Wasser, das wieder aufsteigen und Schwefelsäure bilden kann. - Gewinnung und Produktion - Ausgangsstoff für die Herstellung von Schwefelsäure ist in der Regel elementarer Schwefel, der in großen Mengen - 72 Millionen Tonnen im Jahr 2019 - bei der Entschwefelung von Erdgas und Rohöl anfällt und nach dem Claus-Verfahren verarbeitet oder nach dem Frasch-Verfahren gewonnen wird. Der Schwefel wird verbrannt, um Schwefeldioxid als Ausgangsstoff für den eigentlichen Produktionsprozess zu gewinnen. - S + O 2 ⟶ SO 2 - Reaktion von Schwefel mit Sauerstoff - Eine weitere Quelle, die große Mengen an Schwefeldioxid erzeugt, ist die Verhüttung von Sulfiderzen, z. B. die Gewinnung von Kupfer, Zink oder Blei aus den entsprechenden Sulfiden. Schwefeldioxid entsteht bei der Röstung von Sulfidmineralien mit Luftsauerstoff. - 2 ZnS + 3 O 2 ⟶ 2 ZnO + 2 SO 2 - 2 ZnS + 3 O 2 ⟶ 2 ZnO + 2 SO 2 Reaktion beim Rösten von Zinksulfid - Im Jahr 1999 wurden in Europa noch drei Millionen Tonnen Pyrit für die Herstellung von Schwefelsäure geröstet. In Asien ist der Anteil an Pyrit jedoch höher. - Für ressourcenarme Länder, die weder über Schwefel noch über sulfidische Erze verfügen, ist die Herstellung von Schwefelsäure aus Gips (Calciumsulfat) nach dem Müller-Kühne-Verfahren eine Option. Bei diesem Verfahren wird Schwefeldioxid in einem Drehrohrofen aus Gips und Kohle extrahiert. Dieser energieintensive Prozess kann kostengünstiger sein, wenn Zement als Nebenprodukt durch Zugabe von Sand und Ton hergestellt wird. In der DDR wurde dieser Prozess in großem Maßstab durchgeführt. - Für die weitere Produktion ist es notwendig, Schwefeltrioxid aus Schwefeldioxid zu gewinnen. Die direkte Reaktion von Schwefel und Sauerstoff zu Schwefeltrioxid findet nur in sehr geringem Umfang statt, da das Gleichgewicht bei der Reaktion von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid nur bei niedrigen Temperaturen auf der Seite des Schwefeltrioxids liegt. Bei diesen Temperaturen ist die Reaktionsgeschwindigkeit jedoch zu gering. Daher muss die Reaktion mit Hilfe geeigneter Katalysatoren so gesteuert werden, dass eine ausreichend schnelle Reaktion bei nicht zu hohen Temperaturen gewährleistet ist. - 2 SO 2 + O 2 ↽ − − ⇀ 2 SO 3 - Reaktion von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid - Beim Kontaktverfahren, das immer noch ausschließlich angewendet wird, wird Vanadiumpentoxid als Sauerstofftransferkatalysator eingesetzt. Aus Vanadium(V)-oxid und Alkalimetallsulfaten, die als Co-Katalysatoren zugesetzt werden, wird ein geschmolzenes Salz gebildet. In dieser Schmelze bildet sich der reaktive Komplex der Zusammensetzung [(VO)2O(SO4)4]4−, der als der eigentliche Katalysator wirkt. Sauerstoff und Schwefeldioxid binden sich an sie, ohne die Oxidationszahl des Vanadiums zu verändern, und reagieren zu Schwefeltrioxid. - Die Temperatur während der Reaktion muss zwischen 420 und 620 °C liegen, da der Katalysator bei niedrigeren Temperaturen durch die Bildung von Vanadium(IV)-Verbindungen inaktiv wird und sich bei höheren Temperaturen zersetzt. Die Reaktion wird in so genannten Wannenkontaktöfen durchgeführt, in denen der Katalysator in insgesamt vier Schichten (den "Horden") übereinander angeordnet ist und das strömende Gas zwischen den Wannen auf die entsprechende Temperatur abgekühlt wird. - Beim so genannten Doppelkontaktverfahren wird das vorhandene Schwefeltrioxid vor der letzten Schale mit konzentrierter Schwefelsäure gewaschen. Dadurch wird die Ausbeute auf mindestens 99,8 % erhöht (Erste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundes-Immissionsschutzgesetz, Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft 2002). - Sobald sich das Schwefeltrioxid gebildet hat, wird es in Schwefelsäure umgewandelt. Dazu muss das restliche Schwefeldioxid zunächst mit Ammoniak oder Natriumthiosulfat entfernt werden. Da die direkte Reaktion des Schwefeltrioxids mit Wasser zu langsam ist, wird das Gas durch konzentrierte Schwefelsäure geleitet. Dabei bildet sich schnell Schwefelsäure H2S2O7. Wird es mit Wasser verdünnt, zerfällt es in zwei Moleküle Schwefelsäure. - SO3 + H2SO4 → H2S2O7 - Umwandlung von Schwefeltrioxid mit Schwefelsäure - H2S2O7 + H2O → 2 H2SO4 - H 2 S 2 O 7 + H 2 O ⟶ 2 H 2 SO 4 Bildung von Schwefelsäure - Bei diesem Verfahren wird keine reine (100%ige) Schwefelsäure hergestellt, sondern konzentrierte Säure mit einem Säuregehalt von 98%. Zur Herstellung von 100 %iger Schwefelsäure muss die Menge an Schwefeltrioxid, die der in der konzentrierten Säure verbliebenen Wassermenge entspricht, in die konzentrierte Säure eingebracht werden. - In den letzten Jahrzehnten hat die Schwefelsäureproduktion vor allem in China erheblich zugenommen, während sie in europäischen Ländern wie Deutschland zurückgegangen ist. Seit Anfang der 2000er Jahre ist China auf zusätzliche Mengen aus Europa angewiesen. - Von erheblicher wirtschaftlicher Bedeutung für die großindustrielle Herstellung von Schwefelsäure ist, dass alle drei Einzelschritte exotherm sind (Werte siehe Kontaktverfahren). Die freigesetzte Wärme wird zur Erzeugung von Hochdruckdampf für die Stromerzeugung und die industrielle Beheizung genutzt. – Kontaktverfahren - Das Kontaktverfahren ist ein technisches Verfahren zur Herstellung von Schwefelsäure unter Verwendung eines Katalysators (z. B. Vanadiumpentoxid auf Siliciumdioxid). Es wurde in großem Umfang eingesetzt, aber inzwischen wurde das kostengünstigere und umweltfreundlichere Doppelkontaktverfahren entwickelt. In der Vergangenheit wurden auch das Bleikammerverfahren und das Vitriolverfahren eingesetzt. - Während das Bleikammerverfahren auf die Mitte des 18. Jahrhunderts zurückgeht, wurde das Kontaktverfahren 1831 von Peregrine Phillips in Bristol patentiert, aber die erste industrielle Anwendung begann erst rund 50 Jahre später, als die erste derartige Anlage 1875 in Freiberg gebaut wurde. Zunächst wurde Platin als Katalysator verwendet, aber der wirkliche Durchbruch kam mit der Einführung von Vanadium als Katalysator (Chemico 1927). Während das Bleikammerverfahren 1910 in Europa und Nordamerika noch einen Anteil von etwa 75 % hatte, lag er 1930 unter 75 % und 1960 nur noch bei etwa 15 %, und es wurden kaum noch neue Anlagen gebaut. Heute ist es vollständig durch das Kontaktverfahren verdrängt worden. - Beschreibung des Prozesses - In der ersten Stufe des Prozesses entsteht Schwefeldioxid durch die Verbrennung von Schwefel. Die für die Verbrennung benötigte Luft muss vor der Verwendung ausreichend getrocknet werden, um eine Korrosion der Anlage und eine Deaktivierung des Katalysators durch die sonst entstehende schwefelhaltige oder schweflige Säure zu vermeiden: - S8 (s) + 8 O2 (g) → 8 SO2 (g) ; ΔH = -2376 kJ/mol - Die Verbrennung von Schwefel erfolgt mit Luftüberschuss in einem feuerfest ausgekleideten Ofen, wobei ein Gasgemisch mit 10 bis 11 % Schwefeldioxid entsteht. Nach der Verbrennung muss das Gas auf etwa 410 bis 440 °C abgekühlt werden, um die Temperatur für die nächste Stufe der katalytischen Oxidation herzustellen. - Schwefeldioxid kann auch durch Rösten von sulfidischen Erzen erzeugt werden: - 4 FeS2 + 11 O2 → 2 Fe2O3 + 8 SO2 - Das entstehende Schwefeldioxid reagiert mit Sauerstoff in einer Gleichgewichtsreaktion mit einem Platin- oder Vanadiumkatalysator (auf Kieselgel SiO2) zu Schwefeltrioxid: - 2 SO2 (g) + O2 (g) ⇌ 2 SO3 (g) ; ΔH = −198 kJ/mol - Das gewonnene Schwefeltrioxid reagiert mit Wasser zu Schwefelsäure: - SO3 (g) + H2O (g) → H2SO4 (l) ; ΔH = −177 kJ/mol - SO3 hat eine höhere Löslichkeit in H2SO4 als in Wasser. Dabei entsteht Disulfonsäure (auch rauchende Schwefelsäure oder Oleum genannt): - SO3 (g) + H2SO4 (l) → H2S2O7 (l) - Anschließend wird Wasser hinzugefügt, um die Menge der Schwefelsäure zu verdoppeln: - H2S2O7 (l) + H2O (l) → 2H2SO4 (l) - In den meisten Schwefelsäureanlagen ist es üblich, beim Lösen von SO3 etwa 97 bis 99 % Schwefelsäure zu verwenden und die Konzentration dieser Schwefelsäure durch Zugabe von Wasser so einzustellen, dass keine rauchende Schwefelsäure entsteht. Einige Schwefelsäureanlagen stellen jedoch auch bewusst Oleum her, das nicht mit Wasser verdünnt wird, sondern für spezielle Anwendungen verwendet wird. - Es ist wichtig, dass bei der Reaktion von Schwefeldioxid mit Sauerstoff zu Schwefeltrioxid die Temperatur den Bereich von 400-600 °C nicht überschreitet. – Katalyse - Der wesentliche Schritt der Reaktion ist die Oxidation von Schwefeldioxid mit Luftsauerstoff zu Schwefeltrioxid mit Hilfe von Vanadiumpentoxid als Katalysator. Das Vanadiumpentoxid ist nicht als Feststoff in den Poren des Kieselgurträgers enthalten, sondern ist in einer Schmelze von Alkalisulfat in aktivem Zustand gelöst. Die Schmelztemperatur des Alkalisulfats gibt also die untere Einsatzgrenze des Katalysators an. Neuere Katalysatorentwicklungen setzen diesen Schmelzpunkt herab und ermöglichen den Betrieb bei niedrigeren Temperaturen, indem sie Cäsium verwenden. - In der Katalyse ist die reaktive Spezies ein Komplex der Zusammensetzung [(VO)2O(SO4)4]4-. Zuerst bindet sich der Sauerstoff, dann das Schwefeldioxid. In zwei Schritten reagieren insgesamt zwei Schwefeldioxidmoleküle mit Sauerstoff zu Schwefeltrioxid. - Dieses Schwefeltrioxid wird in Schwefelsäure eingeleitet und es entsteht H2S2O7, das mit Wasser zu weiterer Schwefelsäure reagiert. - Doppeltes Kontaktverfahren - Das Doppelkontaktverfahren zur Herstellung von Schwefelsäure ist eine Weiterentwicklung des Kontaktverfahrens, ist aber kostengünstiger und umweltfreundlicher, weshalb es heute im industriellen Maßstab eingesetzt wird. - Im Gegensatz zum einfachen Kontaktverfahren durchläuft das Schwefeldioxid nach dem Durchlaufen von drei Kontaktschichten und einem Zwischenabsorber eine zusätzliche Kontaktschicht. Das entstandene Schwefeltrioxid wird im Endabsorber in Schwefelsäure gelöst. Moderne Anlagen erreichen damit einen Schwefeldioxid-Umsatz von mindestens 99,8 %. – Eigenschaften - Physikalische Eigenschaften - Wasserfreie Schwefelsäure ist eine zähflüssige (durch H-Bindungen vernetzte), farblose Flüssigkeit mit hoher Dichte (1,84 g/cm³ bei 25 °C), die unter 10,4 °C erstarrt. Der Schmelzpunkt wird durch geringe Wassermengen erheblich herabgesetzt und liegt z. B. für 98 %ige Schwefelsäure bei 3,0 °C. Die häufige hellbraune Färbung der technischen Schwefelsäure ist auf organische Verunreinigungen zurückzuführen, die durch Dehydratisierung verkohlt werden. Oberhalb des Siedepunkts von 279,6 °C der wasserfreien Schwefelsäure bilden sich Schwefelsäuredämpfe, die einen Überschuss an Schwefeltrioxid enthalten und das Wasser in der siedenden Schwefelsäure zurücklassen. Die wasserfreie Schwefelsäure geht dabei in 98,33 %ige Schwefelsäure mit einem konstanten Siedepunkt von 338 °C über. Bei dieser Temperatur hat der Dampf ebenfalls einen Säuregehalt von 98,33 % und entspricht damit einem azeotropen Gemisch aus Wasser und Schwefelsäure. Durch Destillation der verdünnten Säure erhält man eine Säure mit der gleichen Zusammensetzung und dem gleichen Siedepunkt. Daher kann 100 %ige Schwefelsäure nicht durch Destillation verdünnter Schwefelsäure gewonnen werden, sondern nur durch Auflösen einer bestimmten Menge Schwefeltrioxid in konzentrierter Schwefelsäure. Beim Erhitzen über 338 °C zerfällt die Schwefelsäure in Wasser und Schwefeltrioxid (rauchende Schwefelsäure) und dissoziiert bei 450 °C fast vollständig. - Als Feststoff kristallisiert Schwefelsäure im monoklinen Kristallsystem in der Raumgruppe C2/c (Raumgruppe Nr. 15). Die Gitterparameter sind a = 814 pm, b = 470 pm, c = 854 pm und β = 111°. Die Struktur ist eine wellenförmige Schichtstruktur, in der jedes Dihydrogensulfat-Tetraeder mit vier anderen Tetraedern durch Wasserstoffbrücken verbunden ist. Neben der reinen kristallinen Schwefelsäure sind mehrere Schwefelsäurehydrate bekannt. Ein Beispiel ist das Dihydrat H2SO4-2H2O, das ebenfalls monoklin kristallisiert und die Raumgruppe C2/c (Nr. 15) aufweist. Insgesamt sind sechs verschiedene Hydrate mit einem, zwei, drei, vier, sechs und acht Wasseräquivalenten bekannt, in denen die Säure vollständig in Oxonium- und Sulfationen gespalten ist. Die Oxonium-Ionen sind je nach Hydrat mit einer unterschiedlichen Anzahl von Wassermolekülen verbunden. Der Schmelzpunkt dieser Hydrate sinkt mit zunehmender Anzahl der Wassermoleküle. So schmilzt das Monohydrat bei 8,59 °C, während das Oktahydrat bei -62 °C schmilzt. - Zwischen den Molekülen selbst wirken starke Wasserstoffbrückenbindungen, was zu der hohen Viskosität von 24,6 mPa·s bei 25 °C führt. Im Vergleich dazu hat Wasser eine viel geringere Viskosität von 0,89 mPa-s bei 25 °C. - Wie reines Wasser ist auch reine Schwefelsäure ein schlechter Leiter für Elektrizität. Die spezifische Leitfähigkeit beträgt 1,044 · 10−2 S/cm. Der Grund dafür ist die geringe Dissoziation der Säure aufgrund der Selbstprotolyse. Im Gegensatz dazu leitet verdünnte Säure aufgrund der darin enthaltenen Oxonium-Ionen den Strom gut. - 2 H2SO4 ⇋ HSO4- + H3SO4+ - Autoprotolysereaktion - Einzelne Schwefelsäuremoleküle befinden sich in der Gasphase. Sie haben eine tetraedrische Struktur mit Bindungswinkeln von 101,3° zwischen den OH-Gruppen und 123,3° zwischen den Sauerstoffatomen. Die Länge der Schwefel-Sauerstoff-Bindungen ist unterschiedlich und beträgt 157,4 pm (zu den OH-Gruppen) bzw. 142,2 pm (zu den Sauerstoffatomen). Die Molekularstruktur im festen Zustand entspricht derjenigen der Gasphase. - Die Bindungen im Schwefelsäuremolekül können durch verschiedene mesomere Grenzstrukturen beschrieben werden. Zum Beispiel die Struktur, in der Doppelbindungen zwischen Schwefel und Sauerstoff angenommen werden oder in der es nur Einfachbindungen und gleichzeitige Ladungstrennung gibt. Theoretische Berechnungen haben gezeigt, dass die 3d-Orbitale nur sehr wenig zur Bindung beitragen. Die tatsächliche Bindungssituation im Schwefelsäuremolekül wird daher am genauesten durch die Struktur beschrieben, in der nur Einfachbindungen eingezeichnet sind. Die verkürzte S-O-Bindung kann durch die zusätzlichen elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den geladenen Atomen erklärt werden. - Chemische Eigenschaften - Da Schwefelsäure eine sehr starke Säure ist, gibt sie leicht Protonen ab. Mit einem pKa-Wert von -3,0 (gilt nur für verdünnte Lösungen), genauer gesagt mit einem H0-Wert von -11,9, verhält sich Schwefelsäure bei ihrer ersten Dissoziation wie eine starke Säure. - H2SO4 + H2O → HSO4- + H3O+ - H 2 SO 4 + H 2 O ⟶ HSO 4 − + H 3 O + Reaktion mit Wasser in der ersten Stufe der Dissoziation - Sie wird in der Regel nicht zu den Supersäuren gezählt, sondern als Ausgangspunkt für die Definition einer Supersäure gewählt: Alle Säuren, die stärker als reine Schwefelsäure sind und diese daher protonieren können, werden als Supersäuren bezeichnet. - Die zweite Stufe der Dissoziation des Hydrogensulfat-Ions zu Sulfat hat einen pKs-Wert von 1,9, so dass sich das Hydrogensulfat-Ion nicht mehr wie eine starke Säure verhält. - HSO 4 − + H 2 O ⟶ SO 4 2 − + H 3 O +
- Reaktion mit Wasser in der zweiten Stufe der Dissoziation - Aus diesem Grund liegt Schwefelwasserstoff meist in verdünnter Schwefelsäure (Konzentration von etwa 1 mol/L) vor. Das H2SO4-Molekül dissoziiert fast vollständig, während die Reaktion zu Sulfat nur zu einem kleinen Teil stattfindet (etwa 1,3 % bei 1 mol/L). Erst bei höheren Verdünnungen bilden sich größere Mengen an Sulfat. - Schwefelsäure hat eine hohe Affinität zu Wasser. Wenn Säure und Wasser gemischt werden, bilden sich unter starker Wärmeentwicklung mehrere Hydrate in Form von H2SO4 · n H2O (n = 1-4, 6, 8). Die starke Affinität der Schwefelsäure zu Wasser zeigt sich auch in ihrer Fähigkeit, Hydroxylgruppen und Protonen aus organischen Substanzen zu entfernen. Bei dieser Entfernung bleibt Kohlenstoff zurück, und die organische Substanz wird schwarz und verkohlt. Dieser Effekt tritt vor allem bei Stoffen mit vielen Hydroxylgruppen auf. Beispiele sind viele Kohlenhydrate wie Glukose oder Polysaccharide. Darüber hinaus kann die hohe Affinität für Wasser für Kondensationsreaktionen genutzt werden. Bei diesen Reaktionen wird einer organischen Verbindung Wasser entzogen, ohne dass es zu einer Karbonisierung kommt. Ein Beispiel hierfür ist die Synthese von 2-Pyron. - Ein weiteres Indiz für starke Hygroskopizität ist, dass Schwefelsäure sich selbst dehydrieren kann, wenn auch nur in geringem Umfang. - 2 H2SO4 ⇋ H3O+ + HS2O7- - Selbstdehydratisierung von Schwefelsäure - Konzentrierte Schwefelsäure wirkt oxidierend und ist in der Lage, bei Erhitzung Edelmetalle wie Kupfer, Quecksilber oder Silber aufzulösen. Dabei wird die Schwefelsäure zu Schwefeldioxid reduziert. Im Gegensatz dazu wird Eisen, selbst reines Eisen, aufgrund der Passivierung durch die konzentrierte Schwefelsäure nicht angegriffen. - Cu + 2 H2SO4 → CuSO4 + SO2 + 2 H2O - Auflösen von Kupfer in konzentrierter Schwefelsäure Cu + 2 H 2 SO 4 ⟶ CuSO 4 + SO 2 + 2 H 2 O - Verdünnte Schwefelsäure hat dagegen nur eine geringe oxidierende Wirkung, da die Reaktion zu Schwefeldioxid durch das Lösungsmittel Wasser gehemmt wird. Nur Metalle, die als Basiselemente durch die Reaktion von Protonen zu Wasserstoff oxidiert werden können, werden oxidiert oder aufgelöst. – Verwendung - Schwefelsäure wird in großen Mengen und in vielen Bereichen eingesetzt. Sein Produktionsvolumen gilt zusammen mit dem von Chlor als Indikator für die industrielle Entwicklung und Leistungsfähigkeit eines Landes. - Es wird je nach seiner Konzentration mit verschiedenen Namen bezeichnet. Zwischen 10 % und 20 % wird sie als verdünnte Schwefelsäure oder verdünnte Säure bezeichnet. Akkumulatorsäure oder Batteriesäure hat eine Säurekonzentration von 33,5 %. Diese Säuren bleiben auch unter 0 °C flüssig. - Schwefelsäure mit einem Gehalt von bis zu etwa 70 % wird als Kammersäure bezeichnet, Schwefelsäure mit einem Gehalt von bis zu 80 % als Gloversche Säure. Konzentrierte Schwefelsäure hat einen Gehalt von mindestens 98,3 % (azeotrop). Verdünnte Säure fällt in großen Mengen als Abfallprodukt bei der Herstellung von Titanoxid oder Farbstoffen an. - Der größte Teil davon wird in der Düngemittelproduktion verbraucht. Schwefelsäure wird hauptsächlich zur Herstellung von Phosphatdünger und Ammoniumsulfat verwendet. Letzteres wird durch Reaktion von halbkonzentrierter Schwefelsäure mit Ammoniak hergestellt. - H2SO4 + 2 NH3 → (NH4)2SO4H 2 SO 4 + 2 NH 3 ⟶ ( NH 4 ) 2 SO 4 - Reaktion von Schwefelsäure mit Ammoniak - Bei der Herstellung von Phosphatdüngern wird Schwefelsäure benötigt, um Rohphosphat abzubauen. Bei der Reaktion entsteht Superphosphat Ca(H2PO4)2/CaSO4 . - Ca 3 ( PO 4 ) 2 + 2 H 2 SO 4 ⟶ Ca ( H 2 PO 4 ) 2 + 2 CaSO 4 - Gewinnung von Superphosphat durch Aufschluss von Apatit mit halbkonzentrierter Schwefelsäure - Neben Ammoniumsulfat werden auch andere Sulfate durch Reaktion der entsprechenden Salze mit Schwefelsäure hergestellt. Ein Beispiel ist das aus Aluminiumhydroxid gewonnene Aluminiumsulfat, das in großen Mengen in der Papierindustrie und als Flockungsmittel in der Wasseraufbereitung verwendet wird. - Da viele Mineralien in Schwefelsäure löslich sind, kann Schwefelsäure als Aufschlussmittel verwendet werden. Beispiele sind das Nassverfahren zur Herstellung von Zink aus Zinkoxid und das Sulfatverfahren zur Gewinnung des Weißpigments Titandioxid. Schwefelsäure kann nicht nur zum Aufschluss von Oxidmineralien verwendet werden, sondern auch von solchen, die andere Anionen enthalten, wie Fluorid oder Phosphat. Bei der Reaktion entstehen die entsprechenden Säuren. Dieses Verfahren ist für die Herstellung einiger technisch wichtiger Säuren von Bedeutung. Beispiele sind Flusssäure aus Flussspat, Phosphorsäure aus Apatit und Salzsäure aus Halit. Als Batteriesäure ist Schwefelsäure ein wichtiger Bestandteil der Blei-Säure-Batterie, wie sie in Automobilen als Starterbatterie verwendet wird. Wie bei der Blei-Säure-Batterie dient auch bei elektrolytischen Verfahren verdünnte Schwefelsäure als Elektrolyt. Seine Vorteile gegenüber anderen Elektrolyten liegen in seiner hohen Leitfähigkeit bei gleichzeitig geringer Reduktionsneigung. - In der organischen Chemie kann rauchende Schwefelsäure verwendet werden, um die Sulfonsäuregruppe einzufügen (Sulfonierung). Dieses wird hauptsächlich zur Herstellung von Tensiden für die Waschmittel- und Farbstoffindustrie verwendet. - Eine weitere funktionelle Gruppe, die mit Hilfe von Schwefelsäure eingeführt werden kann, ist die Nitrogruppe. Dies geschieht mit Hilfe der so genannten Nitriersäure, einer Mischung aus Schwefel- und Salpetersäure. Es wird hauptsächlich für die Herstellung von Sprengstoffen wie Trinitrotoluol oder Nitroglyzerin verwendet. Dies ist ein weiterer Grund, warum die EU ab dem 1. Februar 2021 Schwefelsäure in Mischungen mit einem Anteil von mehr als 15 % in die Liste der beschränkten Ausgangsstoffe für Explosivstoffe aufgenommen hat, was zur Folge hat, dass ihre Verwendung, ihr Besitz, ihre Weitergabe und ihr Verkauf durch und an Personen, die nicht zu beruflichen oder kommerziellen Zwecken handeln, verboten ist; der berufliche oder kommerzielle Zweck muss zum Zeitpunkt des Verkaufs überprüft werden, und verdächtige Transaktionen müssen gemeldet werden. - In chemischen Labors ist Schwefelsäure eine der am häufigsten verwendeten Chemikalien. Zusammen mit Salzsäure und Salpetersäure ist sie eine weit verbreitete starke Säure. Es wird u. a. zur Einstellung des pH-Wertes, als Katalysator, z. B. bei Veresterungen, und beim Aufschluss verwendet. Die stark hydrophile Wirkung der Schwefelsäure wird zur Trocknung von organischen Substanzen und Gasen in Exsikkatoren und Waschflaschen genutzt. - Biologische Bedeutung - Schwefelsäure, die sich in der Luft aus Schwefeldioxid bildet, ist ein Bestandteil des sauren Regens, ebenso wie Salpetersäure, die aus Stickoxiden entsteht. Saurer Regen kann zu einem Absinken des pH-Werts führen, insbesondere in schlecht gepufferten Böden und Gewässern. Eine der Auswirkungen eines niedrigeren pH-Werts ist eine Veränderung der Löslichkeit einiger Metallionen. So ist beispielsweise das für Pflanzen schädliche Aluminium bei einem niedrigeren pH-Wert besser in Wasser löslich. Auch biologisch wichtige Ionen, wie Kalium oder Magnesium, können leichter ausgewaschen werden. Aus diesen Gründen wurde die Schwefelsäure in den 1980er Jahren als mögliche Ursache für das Waldsterben angesehen. Technische Maßnahmen wie die Rauchgasentschwefelung in Kohlekraftwerken und die Einführung schwefelarmer Brennstoffe führen dazu, dass in Deutschland so wenig Schwefeldioxid freigesetzt wird, dass das Regenwasser viel weniger Schwefelsäure enthält. - Aufgrund ihres Säuregehalts hat Schwefelsäure eine toxische Wirkung auf Fische und andere Wasserorganismen. So liegt in weichem Wasser ohne Pufferkapazität die durchschnittliche tödliche Konzentration (LC50-Wert) für Fische bei 100-330 mg/L, ähnlich wie bei anderen Mineralsäuren. - In den Abraumhalden von Erzgruben und Braunkohletagebauen entsteht Schwefelsäure durch eine Kombination aus abiotischer und mikrobieller Oxidation von freiliegenden Sulfidmineralien. Es wird vom Regenwasser weggespült und sammelt sich als saures Grubenwasser in Abwasserseen an, in denen aufgrund des niedrigen pH-Werts und des hohen Schwermetallgehalts kaum lebende Organismen zu finden sind. - Sicherheitshinweise - Schwefelsäure hat eine stark reizende und ätzende Wirkung auf Haut und Schleimhäute. Er ist in der Lage, lebendes Gewebe zu zerstören (Verätzung). Die Wirkungsmechanismen von konzentrierter und verdünnter Schwefelsäure sind klar unterscheidbar. Bei verdünnter Schwefelsäure hat der Anstieg der Protonenkonzentration eine ätzende Wirkung, d. h. die Wirkung ist ähnlich wie bei anderen verdünnten Säuren. Je nach Konzentration ist die Wirkung bei Kontakt mit der Haut hauptsächlich eine lokale Reizung. Sie ist daher weit weniger gefährlich als konzentrierte Schwefelsäure. Aufgrund ihrer stark hydrophilen Wirkung wirkt Schwefelsäure karbonisierend und verursacht schon in geringen Mengen schwere Schäden an Haut und Augen. Es bilden sich schmerzhafte, langsam heilende Wunden. Schwefelsäure kann auch durch Dämpfe aufgenommen werden; der MAK-Wert beträgt 0,1 mg/m³, der LC50-Wert liegt bei 510 mg/m³ bei Ratten, die vier Stunden lang durch Einatmen absorbiert werden. - Da bei der Reaktion von konzentrierter Schwefelsäure mit Wasser viel Wärme entsteht, sollte sie nur durch Gießen in Wasser verdünnt werden und nicht durch Zugabe von Wasser zur Säure. Wenn der Schwefelsäure Wasser zugesetzt wird, kann sie spritzen und dadurch andere verbrennen. Ab 2021 darf Schwefelsäure mit einer Konzentration von mehr als 15 Gewichtsprozent nicht mehr an private Haushalte abgegeben werden. - Nachweis - Konzentrierte Schwefelsäure wird durch Reaktion mit organischen Stoffen nachgewiesen. Wird zum Beispiel ein Stück Holz in konzentrierte Schwefelsäure getaucht, färbt es sich langsam schwarz. Es ist möglich, verdünnte und konzentrierte Schwefelsäure durch ihre unterschiedlichen Reaktionen zu unterscheiden. Dabei wird die unterschiedliche Reaktivität der beiden Säuren mit unedlen Metallen, wie Zink oder Eisen, ausgenutzt. Während sich bei der verdünnten Säure bereits bei Raumtemperatur Wasserstoff bildet, reagiert die konzentrierte Säure, die fast keine freien Oxonium-Ionen enthält, erst beim Erhitzen zu Schwefeldioxid und Schwefel. - Da Schwefelsäure in wässriger Lösung dissoziiert, kann sie in wässriger Lösung nicht direkt nachgewiesen werden. Stattdessen kann die Protonenkonzentration und damit der saure pH-Wert mit geeigneten Indikatoren oder einem pH-Meter bestimmt werden. Das Sulfat-Ion kann z. B. durch Ausfällung als Bariumsulfat (wasserunlöslich) bestimmt werden.  

FAQs

Wofür steht die Abkürzung H2SO4?

Die chemische Formel H2SO4 steht für Schwefelsäure.

Was ist die molare Masse von Schwefelsäure / H2SO4?

Die molare Masse von H2SO4 / Schwefelsäure beträgt 98,08 g/mol.

Was bedeutet 0,5 mol/L Schwefelsäure / H2SO4?

0,5 mol/L Schwefelsäure / H2SO4 bedeutet, dass sich die Stoffmenge von 0,5 mol Schwefelsäure / H2SO4 in einem Volumen von einem Liter befindet. Da Schwefelsäure / H2SO4 die gerundete molare Masse von M(Schwefelsäure / H2SO4) = 98,08 g/mol hat, befinden sich also 49,04 g Schwefelsäure / H2SO4 in einem Liter.

Wo kann man Schwefelsäure / H2SO4 kaufen?

Wir empfehlen Ihnen, Schwefelsäure / H2SO4 bei ITW Reagents zu kaufen. Wir bieten Ihnen hochwertige Produkte der Marke PanReac AppliChem für Ihre Anwendung in Labor und Produktion.

Wie lautet die CAS-Nummer für Schwefelsäure/H2SO4?

Die CAS-Nummer für Schwefelsäure (H2SO4) lautet 7664-93-9, aber da Schwefelsäure als 0,5 mol/L Lösung hergestellt wird, hat sie keine CAS-Nummer.