Schwefelsäure (nach IUPAC: Dihydrogensulfat) ist eine farblose, viskose Flüssigkeit und 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. Schwefelsäure hatte bis in das 19. Jahrhundert auch den Trivialnamen Vitriolöl (abgeleitet von den Vitriolen), der heuzutage nicht mehr benutzt wird.

Die Salze und Ester der Schwefelsäure heißen Sulfate und Hydrogensulfate. Die salzartigen Sulfate enthalten das Sulfat-Ion (SO₄²⁻).

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Gewinnung und Darstellung

Früher wurde Schwefelsäure nach dem Vitriolverfahren und dem Bleikammerverfahren hergestellt. Moderne Verfahren sind das Kontaktverfahren und das daraus weiterentwickelte Doppelkontaktverfahren.

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.

Beim Kontaktverfahren erfolgt die Herstellung in drei Schritten, wobei zuerst aus elementarem Schwefel (S) und Sauerstoff (O₂) Schwefeldioxid (SO₂) dargestellt wird:

$\mathrm{S + O_2 \longrightarrow SO_2}$

Das Schwefeldioxid wird unter weiterer Sauerstoffzufuhr, mit Vanadiumpentoxid (V₂O₅) als Katalysator, zu Schwefeltrioxid (SO₃) umgesetzt:

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

Das Schwefeltrioxid ist das Anhydrid der Schwefelsäure. Aufgrund seiner geringen Wasserlöslichkeit wird es nicht direkt in Wasser eingeleitet, sondern in konzentrierte Schwefelsäure, von der es sehr gut absorbiert wird.

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

Die gebildete Dischwefelsäure wird kontinuierlich mit Wasser verdünnt.

$\mathrm{H_2S_2O_7 + H_2O \longrightarrow 2 \ H_2SO_4}$

Eigenschaften

Die Schwefelsäure mit der Summenformel H₂SO₄ ist eine starke Säure (pK_S1 = −3, pK_S2, das 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. Außerdem wirkt sie 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 liegt.

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.-%ige Schwefelsäure so lange Schwefeltrioxid einleitet, bis sie 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 Ausbeute maximiert werden.

Zur Bestimmung 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 dem Wasser zugemischt wird, also nicht das Wasser 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 Düngemitteln 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
als Lösungsmittel beim Abrauchen
in der Analytik zur Bestimmung der Viskositätszahlen von Polyamid
zur Herstellung von Titandioxid

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 Brennmitteln erfolgt Selbstentzündung. Durch Lösung von Kaliumdichromat in Schwefelsäure erhält man Chromschwefelsäure, ein früher zu Reinigungszwecken in Laboratorien häufig eingesetztes Mittel.

Die produzierte Menge an Schwefelsäure war ein Indikator für die Leistungsfähigkeit 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

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 π-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 mikrokristallines 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)
Natriumsulfat (Glaubersalz)

Ester:

Dimethylsulfat (Lösungsmittel, Methylierungsagenz; sehr giftig)

Quellen

↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ Eintrag zu Schwefelsäure in der GESTIS-Stoffdatenbank des BGIA, abgerufen am 31. März 2007 (JavaScript erforderlich)

Siehe auch

Schweflige Säure H₂SO₃ (Dihydrogensulfit)
Schwefelsäuretaupunkt

Kategorien: Ätzender Stoff | Mineralsäure | Schwefelverbindung | Sulfat

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