Schwefelsäure

Strukturformel und Kalottenmodell
schwefelsaeure.jpg	Kalottenmodell schwefelsaeure.JPG
Allgemeines
Name	Schwefelsäure
Andere Namen	Schwefel(VI)-säure, Vitriolöl
Summenformel	H₂SO₄
CAS-Nummer	7664-93-9
Kurzbeschreibung	farblose, viskose Flüssigkeit
Eigenschaften
molare Masse	98,08 g/mol
Aggregatzustand	flüssig bei Raumtemperatur (20°C) und konstantem Druck
Dichte	1,84 g/cm³
Schmelztemperatur	10 °C
Siedetemperatur	338 °C
Dampfdruck	0,0001 hPa bei 20 °C
Löslichkeit	unbegrenzt in Wasser unter Wärmeentwicklung
Sicherheitshinweise

R- und S-Sätze	R: 35 S: 26-30-36/37/39-45
MAK	0,1 mg/m³
LD₅₀ (Ratte)	2140 mg/kg

Schwefelsäure, chemische Nomenklatur nach IUPAC: Dihydrogensulfat, ist eine starke, anorganische Säure. Sie zählt zu den Mineralsäuren und gehört zu den 20 wichtigsten Chemikalien der chemischen Industrie. Als Lebensmittelzusatzstoff hat sie die Nummer E 513.

Verdünnte Schwefelsäure nennt man Dünnsäure. Konzentrierte Schwefelsäure hat den kaum noch gebräuchlichen Trivialnamen Vitriol-Öl, wovon sich Bezeichnungen wie Kupfervitriol oder Eisenvitriol ableiten.

Die Salze und Ester der Schwefelsäure heißen Sulfate und Hydrogensulfate. Die salzartigen Sulfate enthalten das Sulfat-Ion (SO₄^2-).

Gewinnung und Darstellung

Schwefelsäure wird nach dem Vitriolverfahren und dem Bleikammerverfahren (beide historisch), dem Kontaktverfahren oder dem Doppelkontaktverfahren hergestellt.

Das älteste Verfahren zur Schwefelsäureherstellung ist das Vitriolverfahren. Es wurde im 13. Jahrhundert von Alchemisten angewendet. Vitriole sind Sulfate, die sich relativ leicht thermisch zersetzen lassen und dabei in Schwefeltrioxid und ein Metalloxid übergehen. Johann Rudolph Glauber (1604-1670) konstruierte die erste Schwefelsäure-Manufaktur der Welt, die um 1650 in Nordhausen (Harz) nach diesem Verfahren Schwefelsäure herstellte.

Eigenschaften

Die Schwefelsäure mit der Summenformel H₂SO₄ ist eine starke Säure (pK_S1 = -3, pK_S2 (entspricht dem pK_S des Hydrogensulfat-Anions HSO₄^-) = 1,9). Als starke anorganische Säure zählt sie zu den Mineralsäuren. Konzentrierte Schwefelsäure ist auch ein kräftiges Oxidationsmittel. Konzentrierte Schwefelsäure wirkt hygroskopisch und kann deshalb zum Trocknen von Gasen und Flüssigkeiten eingesetzt werden. Das verzerrt tetraedrisch gebaute Schwefelsäuremolekül besitzt ein großes Dipolmoment, dessen positiver Pol zwischen den beiden OH-Gruppen zum liegen kommt.

Schwefelsäure bildet zusammen mit Wasser ein Azeotrop. Wird 100%ige Schwefelsäure bis zum Sieden erhitzt, verdampft solange Schwefeltrioxid, bis sich eine Konzentration von etwa 98 Gewichtsprozent einstellt. Umgekehrt kann verdünnte Schwefelsäure auf diese Konzentration gebracht werden indem man sie auskocht.

100%ige Schwefelsäure wird hergestellt, indem man in etwa 98 Gew.-%iger Schwefelsäure so lange Schwefeltrioxid einleitet, bis diese wasserfrei ist. Schwefelsäure kann des Weiteren Schwefeltrioxid in großen Mengen binden, die entstehende Flüssigkeit nennt man Oleum, da die Viskosität recht hoch ist. Oleum besteht aus einer Mischung von Schwefelsäure und Polyschwefelsäuren (Dischwefelsäure: H₂S₂O₇, Trischwefelsäure H₂S₃O₁₀, usw.) Im Handel gibt es Oleum mit bis zu 65 Gew.% Schwefeltrioxid. Oleum wird in chemischen Reaktionen zur Sulfonierung eingesetzt oder wenn es nötig ist, möglichst viel Wasser aus der Reaktion zu binden. Dadurch kann der Verbrauch von Schwefelsäure minimiert und oftmals auch die Ausbeuten maximiert werden.

Zur Identifikation der Konzentration wird die Dichte der Schwefelsäure gemessen. Über Standardtabellenwerke kann damit direkt auf die Konzentration geschlossen werden. So wird beispielsweise der Ladungszusstand einer Autobatterie bestimmt (siehe auch Bleiakkumulator).

Beim Verdünnen konzentrierter Schwefelsäure wird sehr viel Wärme freigesetzt. Daher müssen entsprechende Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden. Wichtig ist dabei, dass immer die Säure in das Wasser zugemischt wird, also nicht das Wasser zu der Säure ! Ansonsten kann es zu explosionsartiger Verdampfung des Wassers kommen, wodurch die Flüssigkeit unkontrolliert wegspritzt; die Gefährlichkeit ist offensichtlich. Die Eselsbrücke dazu: „Zuerst das Wasser, dann die Säure, sonst geschieht das Ungeheure.“

Bedeutung und Verwendung

Schwefelsäure ist eine der am häufigsten produzierten Chemikalien. 1997 wurden weltweit mehr als 130 Millionen Tonnen hergestellt. Die Anwendungsmöglichkeiten sind sehr vielfältig. Man verwendet Schwefelsäure

zum Aufschließen von Erzen (beispielsweise beim Titan(IV)-oxid- oder dem Uranaufschluss)
für die Herstellung von Sulfaten
für die Herstellung von anderen Säuren (beispielsweise Fluorwasserstoffsäure oder Phosphorsäure)
zur Herstellung von Düngemittel über Salpetersäure
für die Herstellung von Tensiden
als Katalysator
zur Metallbehandlung
als Trockenmittel
als Reaktionshilfsmittel (Nitriersäure)
in Autobatterien
zum Ätzen von Halbleitern
wegen ihrer Leitfähigkeit als Zusatzmittel für Wasser bei der Elektrolyse

In der Lebensmittelindustrie wird Schwefelsäure als technischer Hilfsstoff eingesetzt, um modifizierte Stärke und Casein herzustellen und Trinkwasser aufzubereiten. Sie fließt nicht in das Endprodukt ein und ist daher nicht oder nur in Spuren vorhanden, die gesundheitlich unbedenklich sind. In der Europäischen Union muss die Schwefelsäure nicht auf der Produktverpackung ausgewiesen werden. Wenn man Kaliumpermanganat bis zur Sättigung in Schwefelsäure löst, entsteht eine dunkelgrüne ölige Flüssigkeit(dimanganheptoxid) die ein starkes Oxidationsmittel ist, sie verkohlt organische Stoffe wie Holz sofort und mit Aceton oder anderen brennmittel erfolgt Selbstendzündung. Die produzierte Menge an Schwefelsäure war ein Indikator für die Struktur der chemischen Industrie eines Landes. In der II. Entwicklungsphase der chemischen Industrie werden große Mengen Schwefelsäure verbraucht.

Entwicklungsphasen:

I. vorherrschender Natronlauge-Verbrauch
II. vorherrschender Schwefelsäure-Verbrauch
III. vorherrschender Chlor-Verbrauch

Struktur und Bindungsverhältnisse

Schwefelsaeure_mit_Ladungen.png Das Schwefelatom ist im Schwefelsäuremolekül wie im Hydrogensulfat-Anion verzerrt tetraedrisch koordiniert. Die zwei S-O-Bindungen zu den OH-Gruppen sind merklich länger als zu den beiden „nackten“ Sauerstoffatomen. Die gefundenen Bindungslängen entsprechen dabei Bindungsordnungen von 1 bzw. 2. In der häufig verwendeten Schreibweise mit (kovalenten) Doppelbindungen und ohne Formalladungen kann die Bindung der vier Sauerstoffatome an den Schwefel jedoch nicht erklärt werden, ohne dass 3d-Orbitale des Schwefels für die Pi-Bindungen genutzt werden (vgl. PSE). Detaillierte theoretische Betrachtungen zeigen jedoch, dass d-Orbitale bei Hauptgruppenelement-Verbindungen nur wenig zur Bindung beitragen. Die kürzere Bindung zu den „nackten“ Sauerstoffatomen wird daher besser als kovalente Einfachbindung beschrieben, die durch zusätzliche elektrostatische Wechselwirkungen verkürzt wird. Die Ladungstrennung kann aus der einzigen mesomeren Grenzstruktur, die der Oktettregel gehorcht, abgeleitet werden.

Nachweis

Schwefelsäure kann in Form des Sulfatanions nachgewiesen werden. Als Sulfatnachweis dient zum Beispiel die Fällung als schwerlösliches Bariumsulfat nach Zugabe von Bariumchlorid-Lösung.

Wichtige Verbindungen

Salze:

Kupfersulfat (Kupfervitriol)
Calciumsulfat (Gips, Alabaster, Anhydrit) (CaSO₄)
Bariumsulfat (Baryt, Schwerspat) (BaSO₄)
Alaun (Aluminium-Mischsulfate mit anderen Kationen)
Aluminit
Eisensulfat (Eisenvitriol)

Ester:

Dimethylsulfat (Lösungsmittel, sehr giftig)

Weblinks

http://www.ch-2.de/3_gleichgew/SO3-Synthese/Schwefels_herst.html – Beschreibung von Glaubers Vitriolverfahren

Chemische Verbindung