Benutzer:Mow-Cow/Spielwiese

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Inhaltsverzeichnis

1 Struktur und Bindungsverhältnisse
2 Nachweis
3 Wichtige Verbindungen
4 Siehe auch
5 Weblinks
6 Andere Bezeichnungen
7 Gewinnung und Darstellung
8 Eigenschaften
- 8.1 Physikalische Eigenschaften
  - 8.1.1 thermodynamische Daten
- 8.2 Chemische Eigenschaften
  - 8.2.1 Reaktion mit Wasser
  - 8.2.2 Reaktion mit anderen Stoffen
9 Bedeutung und Verwendung

[Bearbeiten] Struktur und Bindungsverhältnisse

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.

[Bearbeiten] Nachweis

Schwefelsäure kann in Form des Sulfatanions nachgewiesen werden. Als Sulfatnachweis dient zum Beispiel die Fällung als schwerlösliches Bariumsulfat nach Zugabe von Bariumchlorid-Lösung. Auch eine Nachweisform ist der U-Indikator, der sich bei Berührung mit den Gasen färbt.

[Bearbeiten] 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)

[Bearbeiten] Siehe auch

Schweflige Säure H₂SO₃ (Dihydrogensulfit)

[Bearbeiten] Weblinks

Wiktionary: Schwefelsäure – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme und Übersetzungen

Ch-2.de – Beschreibung von Glaubers Vitriolverfahren

Strukturformel und Kalottenmodell

Allgemeines
Name	Schwefelsäure
Andere Namen	Dihydrogensulfat, Schwefel(VI)-säure, Vitriolöl, Oleum, E 513
Summenformel	H₂SO₄
CAS-Nummer	7664-93-9
Kurzbeschreibung	farblose, viskose Flüssigkeit
Eigenschaften
Molmasse	98,08 g·mol^-1
Aggregatzustand	flüssig
Dichte	1,84 g·cm^-3
Schmelzpunkt	10 °C
Siedepunkt	337 °C
Dampfdruck	0,01 Pa (20 °C)
pKs-Werte	−3,0 1,92
Löslichkeit	unbegrenzt in Wasser unter Wärmeentwicklung
Sicherheitshinweise
Vorlage:Gefahrensymbol 1
R- und S-Sätze	R: 35 S: 26-30-36/37/39-45
MAK	0,1 mg·m^-3
LD₅₀ (Ratte)	2140 mg·kg^-1
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Die Schwefelsäure (nach IUPAC „Dihydrogensulfat“) ist eine starke anorganische Säure und zählt außerdem zu den Mineralsäuren. Sie gehört zu den 20 wichtigsten Chemikalien der chemischen Industrie. Schwefelsäure hat die Formel H₂SO₄ und ist eine ätzende, farblose, viskose Flüssigkeit. Die Salze der Schwefelsäure heißen Sulfate und Hydrogensulfate, sie enthalten das Sulfat-Ion SO₄^2-.

[Bearbeiten] Andere Bezeichnungen

Statt dem Trivialnamen „Schwefelsäure“ gibt es auch noch andere Bezeichnungen für die Chemikalie:

Dihydrogensulfat: Diese Bezeichnung ergibt sich, wenn man die Chemikalie nach den Regeln der IUPAC benennt und sie als eine Verbindung von 2 Atomen („Di-“) Wasserstoff („-hydrogen-“) mit dem Sulfat-Ion („-sulfat“) interpretiert.

Schwefel(VI)-säure: Diese Bezeichnung gibt zusätzlich die Oxidationszahl des Schwefels in der Chemikalie an.

Vitriolöl: Diese vom Begriff Vitriol abgeleitete Bezeichnung bezeichnet meist konzentrierte, rauchende Schwefelsäure.

Oleum: Dieser Begriff bezeichnet Schwefelsäure, die hochkonzentriert ist und deshalb teilweise in dimerisierter Form vorliegt.

Dünnsäure: Diese Bezeichnung steht für verdünnte Schwefelsäure, die als Abfallprodukt bei der Titandioxid- oder Farbstoffherstellung entsteht.

E 513: Als Lebensmittelzusatz trägt Schwefelsäure diese Bezeichnung.

[Bearbeiten] Gewinnung und Darstellung

Es gibt verschiedene Möglichkeiten der Herstellung von Schwefelsäure. Zwei historische Verfahren sind das Vitriolverfahren und das Bleikammerverfahren; heute arbeitet man mit dem Kontaktverfahren oder dem Doppelkontaktverfahren, wobei letzteres eine Weiterentwicklung des Kontaktverfahrens darstellt.

[Bearbeiten] Vitriolverfahren

Das Vitriolverfahren ist das älteste Verfahren der Schwefelsäureherstellung. Es wurde schon im 13. Jahrhundert von Alchemisten angewendet.
Beim Vitriolverfahren werden Vitriole (kristallwasserhaltige Sulfate, man verwendete Eisen(II)-sulfat-Heptahydrat – grünen Vitriol) thermisch zersetzt. Es entstehen dabei Schwefeltrioxid, ein Metalloxid sowie Wasser. Durch Lösen des Schwefeltrioxids in Wasser entsteht dann Schwefelsäure.

$\mathrm{FeSO_4 * 7\,H_2O \longrightarrow FeO + SO_3 + 7\,H_2O}$
$\mathrm{SO_3 + H_2O \longrightarrow H_2SO_4}$

Johann Rudolph Glauber (1604–1670) konstruierte die erste Schwefelsäure-Manufaktur der Welt, die um 1650 in Nordhausen nach diesem Verfahren Schwefelsäure herstellte.

[Bearbeiten] Bleikammerverfahren

Das Bleikammerverfahren wurde in England entwickelt. Dort verfügte man nicht über die für das Vitriolverfahren benötigten Ausgangsstoffe.
Man importierte deshalb Schwefel und oxidierte ihn, um zunächst Schwefeldioxid zu erhalten. Das Schwefeldioxid setzte man nun in Bleikammern mit Salpeter um und erhielt so Schwefeltrioxid. Durch Lösen in Wasser erhielt man dann die Schwefelsäure.

$\mathrm{SO_2 + HNO_3 \longrightarrow SO_3 + HNO_2}$
$\mathrm{SO_3 + H_2O \longrightarrow H_2SO_4}$

Die Reinheit der bei diesem Verfahren entstehenden Schwefelsäure betrug bis zu 80 %. Die Reaktion fand in Bleikammern statt, weil nur Blei als damals typisches Gebrauchsmetall nicht von den entstehenden Produkten angegriffen wird, da es eine Schutzschicht aus Blei(II)-sulfat (PbSO₄) ausbildet.
Dieses Verfahren konnte dahingehend verbessert werden, dass man nicht Salpeter, sondern Stickstoffdioxid (NO₂) als Oxidationsmittel für die Oxidation des Schwefeldioxids verwendete. Dabei entsteht Stickstoffmonoxid (NO), das sich an der Luft wieder zu NO₂ umwandelt. Im Endeffekt wirkt NO₂ hier also katalytisch und ist zudem leichter zu handhaben als Salpeter.

[Bearbeiten] Kontaktverfahren und Doppelkontaktverfahren

Hauptartikel: Kontaktverfahren und Doppelkontaktverfahren

Der wesentliche Reaktionsschritt im Kontaktverfahren erfolgt im sogenannten „Kontaktofen“. Dort wird ein SO₂-O₂-Gemisch über Vanadiumpentoxid (V₂O₅) geleitet, das als Katalysator fungiert. Dabei entsteht Schwefeltrioxid, das mit Wasser zu Schwefelsäure reagiert.

$\mathrm{2\ SO_2 + O_2 \longrightarrow 2\ SO_3}$

Schwefeltrioxid löst sich jedoch in Schwefelsäure besser als in Wasser. Es entsteht deshalb Dischwefelsäure – Oleum.

$\mathrm{SO_3 + H_2SO_4 \longrightarrow H_2S_2O_7}$

Durch Verdünnen mit Wasser kann man aus dieser Dischwefelsäure reine Schwefelsäure erhalten.
Das Doppelkontaktverfahren nutzt zwei Kontaktöfen. Dadurch steigt der Umsatz des SO₂-O₂-Gemischs, das Verfahren gewinnt damit an Umweltfreundlichkeit. Es wird deshalb heute meist dem Kontaktverfahren vorgezogen.

ω(H₂SO₄)	c(H₂SO₄) [mol·L^-1]	Dichte [g·cm^-3]
0,261	0,027	1,000
7,704	0,825	1,050
14,73	1,652	1,100
21,38	2,507	1,150
27,72	3,302	1,200
33,82	4,310	1,250
39,68	5,259	1,300
45,26	6,229	1,350
50,50	7,208	1,400
55,45	8,198	1,450
60,17	9,202	1,500
64,71	10,23	1,550
69,09	11,27	1,600
73,37	12,43	1,650
77,63	13,46	1,700
82,09	14,65	1,750
87,69	16,09	1,800

[Bearbeiten] Eigenschaften

[Bearbeiten] Physikalische Eigenschaften

Schwefelsäure ist eine sehr starke Säure, dementsprechend sind auch ihre pK_S-Werte niedrig: pK_S1 = −3, pK_S2 = 1,92. (pK_S2 entspricht dem pK_S-Wert des Hydrogensulfat-Ions HSO₄⁻.)

Das verzerrt tetraedrisch gebaute Schwefelsäuremolekül besitzt ein großes Dipolmoment, dessen positiver Pol zwischen den beiden OH-Gruppen zum liegen kommt.

Um die Konzentration einer Schwefelsäure zu bestimmen, misst man deren Dichte. Anhand der gemessenen Dichte kann man dann direkt auf die Konzentration schließen (siehe Tabelle rechts). Auf diese Art bestimmt man auch den Ladungszustand einer Autobatterie. (Siehe auch Bleiakkumulator)

[Bearbeiten] thermodynamische Daten

Δ_BH_m	−814 kJ·mol^-1
Δ_BG_m	−690 kJ·mol^-1
S_m	157 J·K^-1·mol^-1

[Bearbeiten] Chemische Eigenschaften

Konzentrierte Schwefelsäure ist ein starkes Oxidationsmittel und hygroskopisch, das heißt Wasser anziehend. Die hohe Oxidationsfähigkeit der Schwefelsäure äußert sich in ihrer Aggressivität gegenüber anderen Stoffen.

98%ige Schwefelsäure bildet zusammen mit Wasser ein Azeotrop. Wird 100%ige Schwefelsäure bis zum Sieden erhitzt, verdampft solange Schwefeltrioxid, bis sich eine Schwefelsäure-Konzentration von etwa 98 Gew.-% einstellt:

$\mathrm{H_2SO_4 \longrightarrow H_2O + SO_3 \uparrow}$

Umgekehrt kann verdünnte Schwefelsäure auf diese Konzentration gebracht werden indem man sie auskocht. Auch bei weiterem Kochen steigt die Konzentration der Schwefelsäure dann nicht über 98 Gew.-%.

Leitet man jedoch in 98%ige Schwefelsäure wieder Schwefeltrioxid ein, so lässt sich eine Konzentration von 100% erreichen:

$\mathrm{H_2O + SO_3 \longrightarrow H_2SO_4}$

Hierbei kann die Schwefelsäure aber das eingeleitete Schwefeltrioxid auch selbst binden. Es entsteht so Oleum, eine viskose Flüssigkeit:

$\mathrm{H_2SO_4 + SO_3 \longrightarrow H_2S_2O_7}$

[Bearbeiten] Reaktion mit Wasser

Wird Schwefelsäure mit Wasser verdünnt, wird sehr viel Wärme freigesetzt. Man sollte deshalb beim Verdünnen von Schwefelsäure sehr sorgfältig und gewissenhaft arbeiten. Wichtig ist dabei, dass man immer die Säure in das Wasser gibt, nicht das Wasser in die Säure. Ansonsten kann es dazu kommen, dass das Wasser explosionsartig verdampft und dadurch die Schwefelsäure unkontrolliert verspritzt wird. Merkspruch: „(Zu)erst das Wasser, dann die Säure, sonst geschieht das Ungeheure!“

[Bearbeiten] Reaktion mit anderen Stoffen

Da Schwefelsäure eine sehr starke Säure ist, reagiert es mit vielen Basen unter der Bildung eines Sulfats. So bildet sich zum Beispiel Kupfer(II)-sulfat bei der Reaktion von Kupfer(II)-oxid mit Schwefelsäure:

$\mathrm{CuO + H_2SO_4 \longrightarrow CuSO_4 + H_2O}$

Schwefelsäure verdrängt des Weiteren schwächere Säuren aus ihren Salzen, zum Beispiel Natriumacetat:

$\mathrm{CH_3COONa + H_2SO_4 \longrightarrow NaHSO_4 + CH_3COOH}$

Mit vielen Metallen reagiert Schwefelsäure unter der Bildung von Wasserstoffgas und dem Metallsulfat. Verdünnte Schwefelsäure greift Eisen, Aluminium, Zink, Mangan und Nickel an, Zinn und Kupfer werden nur von konzentrierter Schwefelsäure angegriffen. Blei und Wolfram hingegen werden auch von konzentrierter Schwefelsäure nicht zersetzt.
Die unten gezeigte Reaktion von Eisen mit Schwefelsäure ist die typische Reaktion von Metallen mit der Säure. Die Reaktion mit Zinn aber ist dahingehend untypisch, dass sich Schwefeldioxid statt Wasserstoff bildet:

$\mathrm{Fe + H_2SO_4 \longrightarrow FeSO_4 + H_2 \uparrow}$

$\mathrm{Sn + 2\ H_2SO_4 \longrightarrow SnSO_4 + 2\ H_2O + SO_2 \uparrow}$

[Bearbeiten] Bedeutung und Verwendung

Schwefelsäure ist eine der am häufigsten produzierten und verwendeten Chemikalien. 2001 wurden weltweit ungefähr 165 Millionen Tonnen Schwefelsäure hergestellt. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältiger Art. Man verwendet Schwefelsäure

zum Aufschließen von Erzen (beispielsweise beim Titan(IV)-oxid- oder Uranaufschluss)
zur Herstellung von Sulfaten
zur Herstellung von anderen Säuren (beispielsweise Flusssäure oder Phosphorsäure)
zur Herstellung von Düngemitteln (über Salpetersäure)
zur Herstellung von Tensiden
als Katalysator (beispielsweise in der Nitriersäure)
bei der Metallbehandlung
als Trockenmittel
in Autobatterien
zum Ätzen von Halbleitern
bei der Elektrolyse als Zusatzmittel im Wasser (auf Grund der hohen Leitfähigkeit)
als Lösungsmittel beim Abrauchen
in der Lebensmittelindustrie bei der Herstellung von modifizierter Stärke und Casein sowie bei der Wasseraufbereitung

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