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Schwefelsäure

Schwefelsäure ist eine chemische Verbindung des Schwefels mit der Summenformel H2SO4. Sie ist eine farblose, ölige, sehr viskose und hygroskopische Flüssigkeit. Schwefelsäure ist eine der stärksten Säuren und wirkt stark ätzend. Diese Mineralsäure bildet zwei Reihen von Salzen, die Hydrogensulfate und die Sulfate, bei denen im Vergleich zur freien Säure ein beziehungsweise zwei Protonen durch Kationen ersetzt sind.

Strukturformel
Allgemeines
Name Schwefelsäure
Andere Namen
  • Schwefel(VI)-säure
  • Dihydrogensulfat
  • Monothionsäure
  • E 513
  • Vitriolöl (veraltet)
  • SULFURIC ACID (INCI)
Summenformel H2SO4
Kurzbeschreibung

farb- und geruchlose, viskose Flüssigkeit

Externe Identifikatoren/Datenbanken
Eigenschaften
Molare Masse 98,08 g·mol−1
Aggregatzustand

flüssig

Dichte

1,84 g·cm−3

Schmelzpunkt

10,94 °C (100 %)

Siedepunkt
  • 290 °C wasserfreie Säure
  • ca. 335 °C 98%ige Säure (Azeotrop)
Dampfdruck

< 0,1 Pa

pKS-Wert
  • −3 (H2SO4), −6,62
  • 1,9 (HSO4), 1,99
Löslichkeit

vollständig mischbar mit Wasser

Sicherheitshinweise
MAK

DFG/Schweiz: 0,1 mg·m−3 (gemessen als einatembarer Staub/Aerosolanteil)

Toxikologische Daten

2140 mg·kg−1 (LD50, Ratte, oral, 25%ige Lösung)

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Schwefelsäure ist eine der technisch wichtigsten Chemikalien überhaupt und zählt zu den meistproduzierten chemischen Grundstoffen. 1993 wurden etwa 135 Millionen Tonnen Schwefelsäure produziert. Sie wird vor allem in der Düngemittelproduktion und zur Herstellung anderer Mineralsäuren, etwa der Salz- oder Phosphorsäure, verwendet. Es werden meistens wässrige Lösungen verschiedener Konzentrationen eingesetzt.

Das Anhydrid der Schwefelsäure ist das Schwefeltrioxid (SO3). Die Lösung von Schwefeltrioxid in der Schwefelsäure über das stöchiometrische Mengenverhältnis hinaus wird als rauchende Schwefelsäure oder Oleum bezeichnet, da 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 sich vom Schwefeldioxid ableitet und die Thioschwefelsäure (H2S2O3), bei der ein Sauerstoffatom durch Schwefel ersetzt ist.

Inhaltsverzeichnis

Galeerenofen zur Gewinnung von Vitriolöl

Schwefelsäure ist unter dem veralteten Namen Vitriolöl schon seit langer Zeit bekannt. Erste Hinweise finden sich in den Texten des historisch umstrittenen Alchemisten Dschābir ibn Hayyān aus dem 8. Jahrhundert. Danach werden mögliche Herstellungsverfahren auch in den alchimistischen Schriften des Albertus Magnus (1200–1280) und Basilius Valentinus (um 1600) erwähnt. Diese Verfahren beschreiben, wie aus natürlich vorkommenden Sulfaten – etwa Chalkanthit oder Alaun – Vitriolöl gewonnen werden kann. Der Name Vitriolöl leitet sich von der veralteten Bezeichnung Vitriol für diese Minerale ab. Die erste Quelle für größere Mengen Schwefelsäure war Eisenvitriol. Ab dem 16. Jahrhundert wurde in Böhmen, Sachsen und am Harz nach dem Vitriolverfahren Schwefelsäure hergestellt. Nach dem ersten Produktionsort Nordhausen wurde das Produkt Nordhäuser Vitriol genannt. Erste wissenschaftliche Untersuchungen mit Schwefelsäure führte Johann Rudolph Glauber durch. Er ließ die Säure auf Kochsalz einwirken und erhielt dabei die Salzsäure und das nach ihm benannte Glaubersalz Natriumsulfat.

Die Verfahren, bei denen Sulfate eingesetzt wurden, waren allerdings sehr aufwendig und teuer. Um größere Mengen zu bekommen, wurde im 18. Jahrhundert ein Verfahren entwickelt, bei dem Schwefel und Salpeter in Glasgefäßen verbrannt wurden. Da die Glasgefäße sehr zerbrechlich waren, wurde 1746 durch John Roebuck die Reaktion erstmals in Bleibehältern durchgeführt. 1778 wurde in Winterthur mit dem Laboratorium die erste chemische Fabrik der Schweiz gegründet, die als Hauptprodukt Vitriolöl herstellte. Nachdem 1793 Nicolas Clément-Désormes und Charles-Bernard Desormes entdeckt hatten, dass durch den Einsatz von Luft die Salpetermenge deutlich gesenkt werden konnte, konnte das Bleikammerverfahren großtechnisch eingesetzt werden. Dies war insbesondere für das 1789 von Nicolas Leblanc erfundene und 1791 erstmals von ihm angewendete Leblanc-Verfahren zur Sodaproduktion wichtig. Das Verfahren wurde mehrmals, etwa durch die Entwicklung von Methoden zur Absorption der nitrosen Gase durch Joseph Louis Gay-Lussac, verbessert. Es konnte damit eine kontinuierliche Produktionsführung erreicht werden.

Der größte Nachteil dieses Verfahrens lag darin, dass nur eine Säurekonzentration von maximal 78 % erreichbar war und konzentriertere Lösungen sowie Oleum weiterhin über die aufwändige Destillation von Eisenvitriol hergestellt werden mussten. Eine einfache Produktion höherkonzentrierter Schwefelsäure gelang erst nach Entwicklung des Kontaktverfahrens ab 1870 durch Rudolph Messel in England.

Freie, nicht in Oxonium- und Sulfationen dissoziierte Schwefelsäure kommt in der Natur nur sehr selten vor. In der Atmosphäre bildet sie sich aus Schwefeldioxid, das bei der Verbrennung von schwefelhaltigen Substanzen oder bei Vulkanausbrüchen entsteht. Das Schwefeldioxid wird durch Hydroxyl-Radikale und Sauerstoff zu Schwefeltrioxid oxidiert. Mit Wasser bildet sich schließlich die freie Schwefelsäure. Weitere Oxidationsmittel, die eine Bildung von Schwefeltrioxid ermöglichen, sind Ozon oder Wasserstoffperoxid. Im sauren Regen gelangt sie dann in Form von verdünnter Säure auf die Erde.

Eine geringe Menge freier Schwefelsäure kommt auch in manchen vulkanischen Quellen, den sogenannten Solfataren vor.

Im Gegensatz zur freien Säure sind ihre Salze, vor allem die Sulfate, in der Natur sehr viel häufiger. Es existieren viele verschiedene Sulfat-Minerale. Zu den bekanntesten und wichtigsten zählen Gips (CaSO4 · 2 H2O), Baryt (BaSO4), Chalkanthit (CuSO4 · 5 H2O) oder Glaubersalz (Na2SO4 · 10 H2O).

Außerhalb der Erde findet sich Schwefelsäure in der oberen Atmosphäre der Venus. Diese entsteht durch photochemische Reaktionen aus Schwefeldioxid und Wasser. Es bilden sich Tröpfchen, die 80–85 % Schwefelsäure enthalten. In tieferen Schichten zersetzt sich die Säure auf Grund der hohen Temperaturen in Schwefeldioxid, Sauerstoff und Wasser, die wieder aufsteigen und Schwefelsäure bilden können.

Grundstoff für die Schwefelsäureherstellung ist häufig elementarer Schwefel, der in großen Mengen (2007: 66 Millionen Tonnen) bei der Entschwefelung von Erdgas und Rohöl anfällt und nach dem Claus-Prozess aufgearbeitet oder nach dem Frasch-Verfahren abgebaut wird. Der Schwefel wird verbrannt, um Schwefeldioxid als Ausgangsstoff für die eigentliche Darstellung zu gewinnen.

S + O 2 SO 2 {\displaystyle {\ce {S + O2 -> SO2}}}
Reaktion von Schwefel mit Sauerstoff

Eine weitere Quelle, bei der in großen Mengen Schwefeldioxid anfällt, ist die Verhüttung schwefelhaltiger Erze. Beispiele hierfür sind die Kupfer-, Zink- oder Bleigewinnung aus den entsprechenden Sulfiden. Das Schwefeldioxid bildet sich beim Rösten mit Luftsauerstoff.

2 ZnS + 3 O 2 2 ZnO + 2 SO 2 {\displaystyle {\ce {2ZnS + 3O2 -> 2ZnO + 2SO2}}}
Reaktion beim Rösten von Zinksulfid

Im Jahr 1999 wurden in Europa noch drei Millionen Tonnen Pyrit zur Schwefelsäuregewinnung geröstet. In Asien liegt der Anteil von Pyrit jedoch höher.

Drehrohröfen der Gipssäure-Anlage im Chemiekombinat Bitterfeld

Für rohstoffarme Staaten, die weder über Schwefel noch über sulfidische Erze verfügen, kommt die Herstellung von Gipsschwefelsäure nach dem Müller-Kühne-Verfahren in Frage. Hierbei wird aus Gips und Kohle im Drehrohrofen Schwefeldioxid gewonnen. Der energieaufwendige Prozess kann rentabler gestaltet werden, wenn durch Zusatz von Sand und Ton als Nebenprodukt Zement anfällt. In der DDR wurde das Verfahren in großem Maßstab durchgeführt.

Für die weitere Produktion muss aus dem Schwefeldioxid Schwefeltrioxid gewonnen werden. Die direkte Reaktion von Schwefel und Sauerstoff zu Schwefeltrioxid findet nur in zu geringem Maße statt, da das Gleichgewicht in der Reaktion von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid nur bei niedrigen Temperaturen auf der Seite des Schwefeltrioxids liegt. Bei diesen Temperaturen ist jedoch die Reaktionsgeschwindigkeit zu gering. Daher muss mit Hilfe geeigneter Katalysatoren die Reaktionsführung so gesteuert werden, dass eine ausreichend schnelle Reaktion bei nicht zu hohen Temperaturen gewährleistet ist.

2 SO 2 + O 2 2 SO 3 {\displaystyle {\ce {2SO2 + O2 <=> 2SO3}}}
Reaktion von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid
Katalysezyklus bei der Oxidation von Schwefeldioxid

Beim ausschließlich noch angewendeten Kontaktverfahren wird Vanadiumpentoxid als sauerstoffübertragender Katalysator verwendet. Es bildet sich eine Salzschmelze aus Vanadium(V)-oxid und als Co-Katalysatoren zugesetzten Alkalimetallsulfaten. In dieser bilden sich der als eigentlicher Katalysator wirkende reaktive Komplex mit der Zusammensetzung [(VO)2O(SO4)4]4−. An diese lagern sich ohne Änderung der Oxidationszahl des Vanadiums Sauerstoff und Schwefeldioxid an und reagieren zu Schwefeltrioxid.

Die Temperatur während der Reaktion muss zwischen 420 und 620 °C liegen, da bei tieferen Temperaturen der Katalysator durch Bildung von Vanadium(IV)-Verbindungen inaktiv wird und er sich bei höheren Temperaturen zersetzt. Die Umsetzung wird in sogenannten Hordenkontaktöfen durchgeführt, bei denen der Katalysator in insgesamt vier Schichten (den „Horden“) übereinander angeordnet wird und das durchströmende Gas zwischen den Horden auf die passende Temperatur gekühlt wird.

Doppelkontaktverfahren

Im sogenannten Doppelkontaktverfahren wird vor der letzten Horde das vorhandene Schwefeltrioxid mit konzentrierter Schwefelsäure ausgewaschen. Dies ermöglicht eine Erhöhung der Ausbeute auf mindestens 99,8 % (Erste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundes-Immissionsschutzgesetz, Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft 2002).

Nach Bildung des Schwefeltrioxids wird dieses zu Schwefelsäure umgesetzt. Dazu muss zunächst verbliebenes Schwefeldioxid mit Ammoniak oder Natriumthiosulfat entfernt werden. Da die direkte Reaktion von Schwefeltrioxid mit Wasser zu langsam ist, wird das Gas in konzentrierte Schwefelsäure geleitet. Dabei bildet sich schnell Dischwefelsäure H2S2O7. Wird diese mit Wasser verdünnt, zerfällt sie zu zwei Molekülen Schwefelsäure.

SO 3 + H 2 SO 4 H 2 S 2 O 7 {\displaystyle {\ce {SO3 + H2SO4 -> H2S2O7}}}
Umsetzung von Schwefeltrioxid mit Schwefelsäure
H 2 S 2 O 7 + H 2 O 2 H 2 SO 4 {\displaystyle {\ce {H2S2O7 + H2O -> 2H2SO4}}}
Bildung der Schwefelsäure

Bei diesem Verfahren entsteht keine reine Schwefelsäure, sondern konzentrierte Säure mit 98 % Säuregehalt. Um reine Schwefelsäure zu erzeugen, muss die Menge Schwefeltrioxid in die konzentrierte Säure eingeleitet werden, die der Stoffmenge des überschüssigen Wassers der konzentrierten Säure entspricht.

In den letzten Jahrzehnten ist die Schwefelsäureproduktion vor allem in China stark gestiegen, während in europäischen Ländern wie Deutschland die Produktion zurückgegangen ist. Seit Anfang 2000 ist China auf zusätzliche Mengen aus Europa angewiesen. Die in der Graphik zu sehenden starken Umbrüche in den Jahren 1990 und 1991 sind auf die Auflösung der Sowjetunion und eine Änderung der Statistik in den Vereinigten Staaten zurückzuführen.

Von erheblicher wirtschaftlicher Bedeutung bei der großindustriellen Herstellung der Schwefelsäure ist, dass die drei Einzelschritte exotherm sind (für Werte siehe bei Kontaktverfahren nach). Die freiwerdende Wärmemenge wird zur Erzeugung von Hochdruckdampf für die Stromerzeugung und für industrielle Heizzwecke verwendet.

Physikalische Eigenschaften

Schwefelsäuremolekül mit Bindungslängen

Wasserfreie Schwefelsäure ist eine zähflüssige (durch H-Brücken vernetzte), farblose Flüssigkeit mit hoher Dichte (1,8269 g/cm³), die unterhalb von 10,371 °C erstarrt. Der Schmelzpunkt wird durch geringe Mengen von Wasser stark erniedrigt und liegt zum Beispiel für eine 98%ige Schwefelsäure bei 3,0 °C. Die häufige leicht braune Färbung von technischer Schwefelsäure beruht auf organischen Verunreinigungen, die durch Dehydratisierung verkohlt werden. Oberhalb des Siedepunktes von 279,6 °C von wasserfreier Schwefelsäure bilden sich Schwefelsäuredämpfe, die überschüssiges Schwefeltrioxid enthalten, wobei das Wasser in der siedenden Schwefelsäure verbleibt. Die wasserfreie Schwefelsäure geht so zu einer 98,33%igen Schwefelsäure mit einem konstanten Siedepunkt von 338 °C über. Bei dieser Temperatur hat auch der Dampf einen Säuregehalt von 98,33 % und entspricht damit einem azeotropen Wasser-Schwefelsäure-Gemisch. Eine Säure gleicher Zusammensetzung und gleichen Siedepunktes wird erhalten, wenn man verdünnte Säure destilliert. 100%ige Schwefelsäure lässt sich daher nicht durch Destillieren verdünnter Schwefelsäure, sondern nur durch Auflösen einer bestimmten Menge Schwefeltrioxid in konzentrierter Schwefelsäure gewinnen. Beim weiteren Erhitzen über 338 °C hinaus zersetzt sich Schwefelsäure in Wasser und Schwefeltrioxid („Abrauchen der Schwefelsäure“) und ist bei 450 °C nahezu vollständig dissoziiert.

Als Feststoff kristallisiert Schwefelsäure im monoklinen Kristallsystem in der Raumgruppe C2/c (Raumgruppen-Nr. 15)Vorlage:Raumgruppe/15. Die Gitterparameter sind a = 814 pm, b = 470 pm, c = 854 pm und β = 111°. Die Struktur ist eine gewellte Schichtstruktur, in der jedes Dihydrogensulfat-Tetraeder über Wasserstoffbrücken mit vier weiteren Tetraedern verbunden ist. Neben der kristallinen reinen Schwefelsäure sind mehrere Schwefelsäure-Hydrate bekannt. Ein Beispiel ist das Dihydrat H2SO4 · 2 H2O, das ebenfalls monoklin mit der Raumgruppe C2/c (Nr. 15)Vorlage:Raumgruppe/15 kristallisiert. Insgesamt sind sechs verschiedene Hydrate mit einem, zwei, drei, vier, sechs und acht Äquivalenten Wasser bekannt, bei denen die Säure vollständig in Oxonium- und Sulfationen gespalten sind. Die Oxoniumionen sind je nach Hydrat mit einer unterschiedlich großen Anzahl Wassermolekülen assoziiert. Der Schmelzpunkt dieser Hydrate sinkt mit zunehmender Anzahl der Wassermoleküle. So schmilzt das Monohydrat bei 8,59 °C, während das Octahydrat schon bei −62 °C schmilzt.

Zwischen den einzelnen Molekülen wirken starke Wasserstoffbrücken, die die hohe Viskosität von 24,6 mPa·s bei 25 °C bedingen. Im Vergleich dazu besitzt Wasser mit 0,89 mPa·s bei 25 °C eine deutlich niedrigere Viskosität.

Ähnlich wie reines Wasser leitet reine Schwefelsäure in geringem Maße elektrischen Strom. Die spezifische Leitfähigkeit beträgt 1,044 · 10−2 S/cm. Der Grund hierfür liegt in der geringen Dissoziation der Säure durch Autoprotolyse. Verdünnte Säure leitet dagegen aufgrund der enthaltenen Oxoniumionen elektrischen Strom gut.

2 H 2 SO 4 HSO 4 + H 3 SO 4 + {\displaystyle {\ce {2H2SO4 <=> HSO4- + H3SO4+}}}
Autoprotolysereaktion
wahrscheinlichere Bindungssituation
Schwefelsäure-Tetraeder

In der Gasphase liegen einzelne Schwefelsäure-Moleküle vor. Diese sind tetraedrisch aufgebaut mit Bindungswinkeln von 101,3° zwischen den OH-Gruppen und 123,3° zwischen den Sauerstoffatomen. Die Bindungslängen der Schwefel-Sauerstoff-Bindungen sind mit 157,4 pm (zu OH-Gruppen) beziehungsweise 142,2 pm (zu den Sauerstoffatomen) unterschiedlich. Die Molekülstruktur im Festkörper entspricht derjenigen in der Gasphase.

Die Bindungen im Schwefelsäuremolekül können durch verschiedene mesomere Grenzstrukturen beschrieben werden. Zum Beispiel die Struktur, bei der zwischen Schwefel und Sauerstoff Doppelbindungen angenommen werden oder bei der nur Einfachbindungen und gleichzeitig eine Ladungstrennung vorliegen. In theoretischen Berechnungen hat sich gezeigt, dass die 3d-Orbitale nur sehr wenig zur Bindung beitragen. Daher wird die reale Bindungssituation im Schwefelsäuremolekül am genauesten durch diejenige Struktur beschrieben, bei der nur Einfachbindungen gezeichnet werden. Die verkürzte S–O-Bindung kann durch zusätzliche elektrostatische Wechselwirkungen zwischen den geladenen Atomen erklärt werden.

Chemische Eigenschaften

Hägg-Diagramm von Schwefelsäure – H2SO4: schwarz; HSO4: violett; SO42−: türkis; H+: gestrichelt; OH: gepunktet

Als sehr starke Säure gibt Schwefelsäure leicht Protonen ab. Mit einem pKs-Wert von −3,0 (dies gilt jedoch nur für verdünnte Lösungen) oder genauer einem H0-Wert von −11,9 zählt Schwefelsäure in der ersten Protolysestufe zu den starken Säuren.

H 2 SO 4 + H 2 O HSO 4 + H 3 O + {\displaystyle {\ce {H2SO4 + H2O -> HSO4- + H3O+}}}
Reaktion mit Wasser in der ersten Protolysestufe

Sie wird üblicherweise nicht zu den Supersäuren gezählt, jedoch wird sie als Ausgangspunkt für die Definition der Supersäure gewählt: Alle Säuren, die stärker als reine Schwefelsäure sind und diese somit protonieren können, werden als Supersäuren bezeichnet.

Die zweite Protolysestufe von Hydrogensulfat zu Sulfat hat einen pKs-Wert von 1,9. Das Hydrogensulfat-Ion ist daher eine nur mittelstarke Säure.

HSO 4 + H 2 O SO 4 2 + H 3 O + {\displaystyle {\ce {HSO4- + H2O -> SO4^{2}- + H3O+}}}
Reaktion mit Wasser in der zweiten Protolysestufe

Aus diesem Grund liegt in verdünnter Schwefelsäure (Konzentration etwa 1 mol/l) zum größten Teil Hydrogensulfat vor. Das H2SO4-Molekül ist nahezu vollständig dissoziiert, während die Reaktion zum Sulfat nur in geringem Maße (etwa 1,3 % bei 1 mol/l) stattfindet. Erst bei höheren Verdünnungen werden größere Mengen Sulfat gebildet.

Verkohlung von Papier durch konzentrierte Schwefelsäure

Schwefelsäure besitzt eine hohe Affinität zu Wasser. Werden Säure und Wasser gemischt, entstehen unter starker Wärmeentwicklung verschiedene Hydrate der Form H2SO4 · n H2O (n = 1–4, 6, 8). Die starke Wasseraffinität der Schwefelsäure äußert sich ebenfalls darin, dass sie in der Lage ist, aus organischen Stoffen Hydroxygruppen und Protonen abzuspalten. Durch diesen Entzug bleibt Kohlenstoff zurück, der organische Stoff wird schwarz und verkohlt. Dieser Effekt tritt vor allem bei Stoffen auf, die viele Hydroxygruppen enthalten. Beispiele sind viele Kohlenhydrate wie Glucose oder Polysaccharide. Weiterhin kann die große Wasseraffinität für Kondensationsreaktionen verwendet werden. Hierbei wird das Wasser ohne Verkohlung einer organischen Verbindung entzogen. Ein Beispiel hierfür ist die Synthese des 2-Pyron.

Ein weiteres Indiz der starken Hygroskopizität ist, dass sich die Säure in geringem Maß selbst entwässert:

2 H 2 SO 4 H 3 O + + HS 2 O 7 {\displaystyle {\ce {2H2SO4 <=> H3O+ + HS2O7-}}}
Selbstentwässerung der Schwefelsäure

Konzentrierte Schwefelsäure wirkt oxidierend und ist in der Lage, beim Erhitzen edlere Metalle wie Kupfer, Quecksilber oder Silber zu lösen. Die Schwefelsäure wird dabei zu Schwefeldioxid reduziert. Hingegen wird sogar reines, unedles Eisen durch Passivierung von konzentrierter Schwefelsäure nicht angegriffen.

Cu + 2 H 2 SO 4 CuSO 4 + SO 2 + 2 H 2 O {\displaystyle {\ce {Cu + 2H2SO4 -> CuSO4 + SO2 + 2H2O}}}
Lösen von Kupfer in konzentrierter Schwefelsäure

Verdünnte Schwefelsäure wirkt dagegen nur in geringem Maße oxidativ, da die Reaktion zu Schwefeldioxid durch das Lösemittel Wasser gehemmt wird. Es werden nur solche Metalle oxidiert bzw. gelöst, die als unedle Elemente durch die Reaktion von Protonen zu Wasserstoff oxidiert werden können.

Schwefelsäureproduktion von 1970 bis 2003 in verschiedenen Ländern

Schwefelsäure wird in sehr großen Mengen und in vielen Bereichen eingesetzt. Ihre Produktionsmenge gilt – neben der von Chlor – als Maßstab für die industrielle Entwicklung und den Leistungsstand eines Landes.

Je nach Konzentration wird sie unterschiedlich bezeichnet. Zwischen 10 % und 20 % heißt sie verdünnte Schwefelsäure oder Dünnsäure. Akkumulatorsäure oder Akkusäure hat eine Säurekonzentration von 33,5 %. Diese Säuren bleiben auch unter 0 °C flüssig.

Schwefelsäure mit einem Gehalt von bis etwa 70 % heißt Kammersäure, bis zu 80 % Gloversäure. Konzentrierte Schwefelsäure besitzt einen Gehalt von mindestens 98,3 % (Azeotrop). Dünnsäure fällt in großen Mengen als Abfallprodukt in der Titanoxid- oder Farbstoffproduktion an.

Der größte Teil wird in der Produktion von Düngemitteln verbraucht. Mit Hilfe von Schwefelsäure werden vor allem Phosphat- und Ammoniumsulfatdünger gewonnen. Letzterer wird durch Reaktion von halbkonzentrierter Schwefelsäure mit Ammoniak dargestellt.

H 2 SO 4 + 2 NH 3 ( NH 4 ) 2 SO 4 {\displaystyle {\ce {H2SO4 + 2NH3 -> (NH4)2SO4}}}
Reaktion von Schwefelsäure mit Ammoniak

Bei der Produktion von Phosphatdüngern wird Schwefelsäure zum Aufschluss des Rohphosphates benötigt. 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 {\displaystyle {\ce {Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 -> Ca(H2PO4)2 + 2CaSO4}}}
Aufschluss von Apatit zu Superphosphat durch halbkonzentrierte Schwefelsäure
Titan(IV)-oxid wird in großem Umfang mit Hilfe von Schwefelsäure hergestellt

Neben Ammoniumsulfat werden auch andere Sulfate durch Umsetzung entsprechender Salze mit Schwefelsäure hergestellt. Ein Beispiel ist das aus Aluminiumhydroxid gewonnene Aluminiumsulfat, das in großen Mengen in der Papierindustrie und als Flockungsmittel in der Wasserreinigung verwendet wird.

Da zahlreiche Erze in Schwefelsäure löslich sind, kann sie als Aufschlussmittel eingesetzt werden. Beispiele sind das nasse Verfahren zur Zinkherstellung aus Zinkoxid und das Sulfatverfahren zur Gewinnung des Weißpigmentes Titandioxid. Mit Hilfe von Schwefelsäure können nicht nur oxidische Erze, sondern auch solche mit anderen Anionen wie Fluorid oder Phosphat aufgeschlossen werden. Bei der Reaktion entstehen dabei die entsprechenden Säuren. Dieses Verfahren ist für die Produktion von einigen technisch wichtigen Säuren relevant. Beispiele sind Flusssäure aus Fluorit, Phosphorsäure aus Apatit und Salzsäure aus Halit. Als Batteriesäure ist Schwefelsäure ein wichtiger Bestandteil des Bleiakkumulators, wie er in Automobilen als Starterbatterie eingesetzt wird. Ebenso wie im Bleiakkumulator dient verdünnte Schwefelsäure auch in elektrolytischen Prozessen als Elektrolyt. Die Vorteile gegenüber anderen Elektrolyten liegen in der hohen Leitfähigkeit und gleichzeitig niedrigen Neigung zur Reduktion.

In der organischen Chemie kann durch rauchende Schwefelsäure die Sulfonsäuregruppe eingefügt werden (Sulfonierung). Damit werden vor allem Tenside für die Waschmittelindustrie und Farbstoffe hergestellt. Eine weitere funktionelle Gruppe, die mit Hilfe von Schwefelsäure eingeführt werden kann, ist die Nitrogruppe. Dies geschieht mit Hilfe der sogenannten Nitriersäure, einer Mischung aus Schwefel- und Salpetersäure. Verwendet wird dies vor allem zur Herstellung von Sprengstoffen, wie Trinitrotoluol oder Nitroglycerin.

In chemischen Laboratorien zählt Schwefelsäure zu den am häufigsten benutzten Chemikalien. Neben Salzsäure und Salpetersäure ist sie eine viel verwendete starke Säure. Sie wird unter anderem zur Einstellung des pH-Wertes, als Katalysator, etwa für Veresterungen und zum Abrauchen bei Aufschlüssen genutzt. Die stark wasserziehende Wirkung der Schwefelsäure wird zur Trocknung von organischen Substanzen und Gasen in Exsikkatoren und Waschflaschen genutzt.

Die in der Luft aus Schwefeldioxid entstandene Schwefelsäure ist neben der aus Stickoxiden gebildeten Salpetersäure ein Bestandteil des sauren Regens. Durch den sauren Regen kann es vor allem in schwach gepufferten Böden und Gewässern zu einem Absinken des pH-Wertes kommen. Eine Auswirkung eines niedrigeren pH-Wertes ist eine Änderung der Löslichkeit einiger Metallionen. So ist das für Pflanzen schädliche Aluminium bei niedrigerem pH-Wert besser in Wasser löslich. Ebenso können biologisch wichtige Ionen, wie Kalium oder Magnesium leichter ausgewaschen werden. Aus diesen Gründen gilt Schwefelsäure als eine mögliche Ursache des Waldsterbens in den 1980er Jahren. Durch technische Maßnahmen wie die Rauchgasentschwefelung bei Kohlekraftwerken und die Einführung schwefelarmer Kraftstoffe wird in Deutschland so wenig Schwefeldioxid freigesetzt, dass das Regenwasser deutlich weniger Schwefelsäure enthält.

Schwefelsäure wirkt auf Fische und andere Gewässerlebewesen auf Grund ihrer Acidität toxisch. So beträgt in weichem Wasser ohne Pufferkapazität die mittlere letale Konzentration (der LC50-Wert) für Fische 100–330 mg/l, also ähnlich wie bei anderen Mineralsäuren.

In den Abraumhalden von Erzbergwerken und Braunkohletagebauen entsteht Schwefelsäure durch eine Kombination aus abiotischer und mikrobieller Oxidation freiliegender sulfidhaltiger Mineralien. Durch Regenwasser wird sie ausgewaschen und sammelt sich als saures Grubenwasser in Restseen, in denen wegen des niedrigen pH-Werts und hoher Schwermetallgehalte kaum Lebewesen zu finden sind.

Schwefelsäure wirkt auf Haut und Schleimhäute stark reizend und ätzend. Sie ist in der Lage, lebendes Gewebe zu zerstören (Verätzung). Die Wirkmechanismen von konzentrierter und verdünnter Schwefelsäure sind deutlich zu unterscheiden. Bei verdünnter Schwefelsäure wirkt die erhöhte Protonenkonzentration ätzend, d. h. die Wirkung ist derjenigen anderer verdünnter Säuren ähnlich. Die Wirkung besteht bei Hautkontakt, abhängig von der Konzentration, vorwiegend in lokalen Reizungen. Sie ist damit deutlich ungefährlicher als konzentrierte Schwefelsäure. Diese wirkt auf Grund ihrer stark wasserziehenden Wirkung verkohlend und schädigt schon in kleinen Mengen Haut und Augen stark. Es bilden sich nur langsam heilende, schmerzhafte Wunden. Schwefelsäure kann auch über Dämpfe aus der Luft aufgenommen werden, der MAK-Wert beträgt 0,1 mg/m³, der LC50-Wert beträgt bei Ratten über vier Stunden inhalativ aufgenommen 510 mg/m³.

Da bei der Reaktion von konzentrierter Schwefelsäure mit Wasser viel Wärme entsteht, darf sie nur durch Eingießen in Wasser und nicht durch Hinzufügen von Wasser zur Säure verdünnt werden. Wird Wasser zu Schwefelsäure hinzugegeben, kann diese spritzen und so umstehende Personen verätzen. Seit 2021 darf Schwefelsäure in einer Konzentration über 15 Gewichtsprozent nicht mehr an Privatpersonen abgegeben werden.

Konzentrierte Schwefelsäure wird durch die Reaktion mit organischen Substanzen nachgewiesen. Wird etwa ein Holzspan in konzentrierte Schwefelsäure getaucht, wird er langsam schwarz. Es ist möglich, durch unterschiedliche Reaktionen verdünnte und konzentrierte Schwefelsäure zu unterscheiden. Dabei wird die unterschiedliche Reaktivität der beiden Säuren mit unedlen Metallen, wie Zink oder Eisen, ausgenutzt. Während sich bei verdünnter Säure schon bei Raumtemperatur Wasserstoff bildet, reagiert die konzentrierte Säure, die fast keine freien Oxoniumionen enthält, erst beim Erwärmen unter Bildung von Schwefeldioxid und Schwefel.

Da in wässriger Lösung die Schwefelsäure dissoziiert ist, lässt sie sich darin nicht direkt nachweisen. Stattdessen kann die Protonenkonzentration und damit der saure pH-Wert über geeignete Indikatoren oder mit dem pH-Meter bestimmt werden. Das Sulfation lässt sich beispielsweise durch Fällung als schwerlösliches Bariumsulfat bestimmen.

Wiktionary: Schwefelsäure – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Schwefelsäure – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
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Schwefelsäure
schwefelsäure, starke, säure, schwefels, summenformel, h2so4, sprache, beobachten, bearbeiten, eine, chemische, verbindung, schwefels, summenformel, h2so4, eine, farblose, ölige, sehr, viskose, hygroskopische, flüssigkeit, eine, stärksten, säuren, wirkt, stark. Schwefelsaure Starke Saure des Schwefels mit der Summenformel H2SO4 Sprache Beobachten Bearbeiten Schwefelsaure ist eine chemische Verbindung des Schwefels mit der Summenformel H2SO4 Sie ist eine farblose olige sehr viskose und hygroskopische Flussigkeit Schwefelsaure ist eine der starksten Sauren und wirkt stark atzend Diese Mineralsaure bildet zwei Reihen von Salzen die Hydrogensulfate und die Sulfate bei denen im Vergleich zur freien Saure ein beziehungsweise zwei Protonen durch Kationen ersetzt sind StrukturformelAllgemeinesName SchwefelsaureAndere Namen Schwefel VI saure Dihydrogensulfat Monothionsaure E 513 1 Vitriolol veraltet SULFURIC ACID INCI 2 Summenformel H2SO4Kurzbeschreibung farb und geruchlose viskose Flussigkeit 3 Externe Identifikatoren DatenbankenCAS Nummer 7664 93 9EG Nummer 231 639 5ECHA InfoCard 100 028 763PubChem 1118DrugBank DB11309Wikidata Q4118EigenschaftenMolare Masse 98 08 g mol 1Aggregatzustand flussig 3 Dichte 1 84 g cm 3 3 Schmelzpunkt 10 94 C 100 3 Siedepunkt 290 C wasserfreie Saure 3 ca 335 C 98 ige Saure Azeotrop 3 Dampfdruck lt 0 1 Pa 3 pKS Wert 3 H2SO4 4 6 62 5 1 9 HSO4 4 1 99 5 Loslichkeit vollstandig mischbar mit Wasser 3 SicherheitshinweiseGHS Gefahrstoffkennzeichnung aus Verordnung EG Nr 1272 2008 CLP 6 ggf erweitert 3 GefahrH und P Satze H 290 314P 280 301 330 331 303 361 353 305 351 338 310 3 MAK DFG Schweiz 0 1 mg m 3 gemessen als einatembarer Staub Aerosolanteil 3 7 Toxikologische Daten 2140 mg kg 1 LD50 Ratte oral 25 ige Losung 8 Soweit moglich und gebrauchlich werden SI Einheiten verwendet Wenn nicht anders vermerkt gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen Schwefelsaure ist eine der technisch wichtigsten Chemikalien uberhaupt und zahlt zu den meistproduzierten chemischen Grundstoffen 1993 wurden etwa 135 Millionen Tonnen Schwefelsaure produziert 9 Sie wird vor allem in der Dungemittelproduktion und zur Herstellung anderer Mineralsauren etwa der Salz oder Phosphorsaure verwendet Es werden meistens wassrige Losungen verschiedener Konzentrationen eingesetzt Das Anhydrid der Schwefelsaure ist das Schwefeltrioxid SO3 Die Losung von Schwefeltrioxid in der Schwefelsaure uber das stochiometrische Mengenverhaltnis hinaus wird als rauchende Schwefelsaure oder Oleum bezeichnet da das enthaltene Schwefeltrioxid leicht aus der Losung entweicht und mit der Luftfeuchtigkeit Nebel Rauch aus verdunnter Schwefelsaure bildet Verwandte Sauren sind die Schweflige Saure H2SO3 die sich vom Schwefeldioxid ableitet und die Thioschwefelsaure H2S2O3 bei der ein Sauerstoffatom durch Schwefel ersetzt ist Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Vorkommen 3 Gewinnung und Herstellung 4 Eigenschaften 4 1 Physikalische Eigenschaften 4 2 Chemische Eigenschaften 5 Verwendung 6 Biologische Bedeutung 7 Sicherheitshinweise 8 Nachweis 9 Literatur 10 Weblinks 11 EinzelnachweiseGeschichte Galeerenofen zur Gewinnung von Vitriolol Schwefelsaure ist unter dem veralteten Namen Vitriolol schon seit langer Zeit bekannt Erste Hinweise finden sich in den Texten des historisch umstrittenen Alchemisten Dschabir ibn Hayyan aus dem 8 Jahrhundert Danach werden mogliche Herstellungsverfahren auch in den alchimistischen Schriften des Albertus Magnus 1200 1280 und Basilius Valentinus um 1600 erwahnt Diese Verfahren beschreiben wie aus naturlich vorkommenden Sulfaten etwa Chalkanthit oder Alaun Vitriolol gewonnen werden kann Der Name Vitriolol leitet sich von der veralteten Bezeichnung Vitriol fur diese Minerale ab Die erste Quelle fur grossere Mengen Schwefelsaure war Eisenvitriol Ab dem 16 Jahrhundert wurde in Bohmen Sachsen und am Harz nach dem Vitriolverfahren Schwefelsaure hergestellt 10 Nach dem ersten Produktionsort Nordhausen wurde das Produkt Nordhauser Vitriol genannt 11 Erste wissenschaftliche Untersuchungen mit Schwefelsaure fuhrte Johann Rudolph Glauber durch Er liess die Saure auf Kochsalz einwirken und erhielt dabei die Salzsaure und das nach ihm benannte Glaubersalz Natriumsulfat 12 Die Verfahren bei denen Sulfate eingesetzt wurden waren allerdings sehr aufwendig und teuer Um grossere Mengen zu bekommen wurde im 18 Jahrhundert ein Verfahren entwickelt bei dem Schwefel und Salpeter in Glasgefassen verbrannt wurden Da die Glasgefasse sehr zerbrechlich waren wurde 1746 durch John Roebuck die Reaktion erstmals in Bleibehaltern durchgefuhrt 1778 wurde in Winterthur mit dem Laboratorium die erste chemische Fabrik der Schweiz gegrundet die als Hauptprodukt Vitriolol herstellte 13 Nachdem 1793 Nicolas Clement Desormes und Charles Bernard Desormes entdeckt hatten dass durch den Einsatz von Luft die Salpetermenge deutlich gesenkt werden konnte konnte das Bleikammerverfahren grosstechnisch eingesetzt werden Dies war insbesondere fur das 1789 14 von Nicolas Leblanc erfundene und 1791 erstmals von ihm angewendete Leblanc Verfahren zur Sodaproduktion wichtig Das Verfahren wurde mehrmals etwa durch die Entwicklung von Methoden zur Absorption der nitrosen Gase durch Joseph Louis Gay Lussac verbessert 15 Es konnte damit eine kontinuierliche Produktionsfuhrung erreicht werden Der grosste Nachteil dieses Verfahrens lag darin dass nur eine Saurekonzentration von maximal 78 erreichbar war und konzentriertere Losungen sowie Oleum weiterhin uber die aufwandige Destillation von Eisenvitriol hergestellt werden mussten Eine einfache Produktion hoherkonzentrierter Schwefelsaure gelang erst nach Entwicklung des Kontaktverfahrens ab 1870 durch Rudolph Messel in England 16 Vorkommen Chalkanthit Freie nicht in Oxonium und Sulfationen dissoziierte Schwefelsaure kommt in der Natur nur sehr selten vor In der Atmosphare bildet sie sich aus Schwefeldioxid das bei der Verbrennung von schwefelhaltigen Substanzen oder bei Vulkanausbruchen entsteht Das Schwefeldioxid wird durch Hydroxyl Radikale und Sauerstoff zu Schwefeltrioxid oxidiert Mit Wasser bildet sich schliesslich die freie Schwefelsaure Weitere Oxidationsmittel die eine Bildung von Schwefeltrioxid ermoglichen sind Ozon oder Wasserstoffperoxid Im sauren Regen gelangt sie dann in Form von verdunnter Saure auf die Erde Eine geringe Menge freier Schwefelsaure kommt auch in manchen vulkanischen Quellen den sogenannten Solfataren vor Im Gegensatz zur freien Saure sind ihre Salze vor allem die Sulfate in der Natur sehr viel haufiger Es existieren viele verschiedene Sulfat Minerale Zu den bekanntesten und wichtigsten zahlen Gips CaSO4 2 H2O Baryt BaSO4 Chalkanthit CuSO4 5 H2O oder Glaubersalz Na2SO4 10 H2O Ausserhalb der Erde findet sich Schwefelsaure in der oberen Atmosphare der Venus Diese entsteht durch photochemische Reaktionen aus Schwefeldioxid und Wasser Es bilden sich Tropfchen die 80 85 Schwefelsaure enthalten In tieferen Schichten zersetzt sich die Saure auf Grund der hohen Temperaturen in Schwefeldioxid Sauerstoff und Wasser die wieder aufsteigen und Schwefelsaure bilden konnen 17 Gewinnung und HerstellungGrundstoff fur die Schwefelsaureherstellung ist haufig elementarer Schwefel der in grossen Mengen 2007 66 Millionen Tonnen 18 bei der Entschwefelung von Erdgas und Rohol anfallt und nach dem Claus Prozess aufgearbeitet oder nach dem Frasch Verfahren abgebaut wird Der Schwefel wird verbrannt um Schwefeldioxid als Ausgangsstoff fur die eigentliche Darstellung zu gewinnen S O 2 SO 2 displaystyle ce S O2 gt SO2 Reaktion von Schwefel mit Sauerstoff Eine weitere Quelle bei der in grossen Mengen Schwefeldioxid anfallt ist die Verhuttung schwefelhaltiger Erze Beispiele hierfur sind die Kupfer Zink oder Bleigewinnung aus den entsprechenden Sulfiden Das Schwefeldioxid bildet sich beim Rosten mit Luftsauerstoff 2 ZnS 3 O 2 2 ZnO 2 SO 2 displaystyle ce 2ZnS 3O2 gt 2ZnO 2SO2 Reaktion beim Rosten von Zinksulfid Im Jahr 1999 wurden in Europa noch drei Millionen Tonnen Pyrit zur Schwefelsauregewinnung gerostet In Asien liegt der Anteil von Pyrit jedoch hoher 19 Drehrohrofen der Gipssaure Anlage im Chemiekombinat Bitterfeld Fur rohstoffarme Staaten die weder uber Schwefel noch uber sulfidische Erze verfugen kommt die Herstellung von Gipsschwefelsaure nach dem Muller Kuhne Verfahren in Frage Hierbei wird aus Gips und Kohle im Drehrohrofen Schwefeldioxid gewonnen Der energieaufwendige Prozess kann rentabler gestaltet werden wenn durch Zusatz von Sand und Ton als Nebenprodukt Zement anfallt In der DDR wurde das Verfahren in grossem Massstab durchgefuhrt 20 Fur die weitere Produktion muss aus dem Schwefeldioxid Schwefeltrioxid gewonnen werden Die direkte Reaktion von Schwefel und Sauerstoff zu Schwefeltrioxid findet nur in zu geringem Masse statt da das Gleichgewicht in der Reaktion von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid nur bei niedrigen Temperaturen auf der Seite des Schwefeltrioxids liegt Bei diesen Temperaturen ist jedoch die Reaktionsgeschwindigkeit zu gering Daher muss mit Hilfe geeigneter Katalysatoren die Reaktionsfuhrung so gesteuert werden dass eine ausreichend schnelle Reaktion bei nicht zu hohen Temperaturen gewahrleistet ist 2 SO 2 O 2 2 SO 3 displaystyle ce 2SO2 O2 lt gt 2SO3 Reaktion von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid Katalysezyklus bei der Oxidation von Schwefeldioxid Beim ausschliesslich noch angewendeten Kontaktverfahren wird Vanadiumpentoxid als sauerstoffubertragender Katalysator verwendet Es bildet sich eine Salzschmelze aus Vanadium V oxid und als Co Katalysatoren zugesetzten Alkalimetallsulfaten In dieser bilden sich der als eigentlicher Katalysator wirkende reaktive Komplex mit der Zusammensetzung VO 2O SO4 4 4 An diese lagern sich ohne Anderung der Oxidationszahl des Vanadiums Sauerstoff und Schwefeldioxid an und reagieren zu Schwefeltrioxid 21 Die Temperatur wahrend der Reaktion muss zwischen 420 und 620 C liegen da bei tieferen Temperaturen der Katalysator durch Bildung von Vanadium IV Verbindungen inaktiv wird und er sich bei hoheren Temperaturen zersetzt 21 Die Umsetzung wird in sogenannten Hordenkontaktofen durchgefuhrt bei denen der Katalysator in insgesamt vier Schichten den Horden ubereinander angeordnet wird und das durchstromende Gas zwischen den Horden auf die passende Temperatur gekuhlt wird Doppelkontaktverfahren Im sogenannten Doppelkontaktverfahren wird vor der letzten Horde das vorhandene Schwefeltrioxid mit konzentrierter Schwefelsaure ausgewaschen Dies ermoglicht eine Erhohung der Ausbeute auf mindestens 99 8 Erste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundes Immissionsschutzgesetz Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft 2002 Nach Bildung des Schwefeltrioxids wird dieses zu Schwefelsaure umgesetzt Dazu muss zunachst verbliebenes Schwefeldioxid mit Ammoniak oder Natriumthiosulfat entfernt werden Da die direkte Reaktion von Schwefeltrioxid mit Wasser zu langsam ist wird das Gas in konzentrierte Schwefelsaure geleitet Dabei bildet sich schnell Dischwefelsaure H2S2O7 Wird diese mit Wasser verdunnt zerfallt sie zu zwei Molekulen Schwefelsaure SO 3 H 2 SO 4 H 2 S 2 O 7 displaystyle ce SO3 H2SO4 gt H2S2O7 Umsetzung von Schwefeltrioxid mit Schwefelsaure H 2 S 2 O 7 H 2 O 2 H 2 SO 4 displaystyle ce H2S2O7 H2O gt 2H2SO4 Bildung der Schwefelsaure Bei diesem Verfahren entsteht keine reine Schwefelsaure sondern konzentrierte Saure mit 98 Sauregehalt Um reine Schwefelsaure zu erzeugen muss die Menge Schwefeltrioxid in die konzentrierte Saure eingeleitet werden die der Stoffmenge des uberschussigen Wassers der konzentrierten Saure entspricht In den letzten Jahrzehnten ist die Schwefelsaureproduktion vor allem in China stark gestiegen wahrend in europaischen Landern wie Deutschland die Produktion zuruckgegangen ist Seit Anfang 2000 ist China auf zusatzliche Mengen aus Europa angewiesen 22 Die in der Graphik zu sehenden starken Umbruche in den Jahren 1990 und 1991 sind auf die Auflosung der Sowjetunion und eine Anderung der Statistik in den Vereinigten Staaten zuruckzufuhren 23 Von erheblicher wirtschaftlicher Bedeutung bei der grossindustriellen Herstellung der Schwefelsaure ist dass die drei Einzelschritte exotherm sind fur Werte siehe bei Kontaktverfahren nach Die freiwerdende Warmemenge wird zur Erzeugung von Hochdruckdampf fur die Stromerzeugung und fur industrielle Heizzwecke verwendet 24 EigenschaftenPhysikalische Eigenschaften Schwefelsauremolekul mit Bindungslangen 25 Wasserfreie Schwefelsaure ist eine zahflussige durch H Brucken vernetzte farblose Flussigkeit mit hoher Dichte 1 8269 g cm die unterhalb von 10 371 C erstarrt Der Schmelzpunkt wird durch geringe Mengen von Wasser stark erniedrigt und liegt zum Beispiel fur eine 98 ige Schwefelsaure bei 3 0 C Die haufige leicht braune Farbung von technischer Schwefelsaure beruht auf organischen Verunreinigungen die durch Dehydratisierung verkohlt werden Oberhalb des Siedepunktes von 279 6 C von wasserfreier Schwefelsaure bilden sich Schwefelsauredampfe die uberschussiges Schwefeltrioxid enthalten wobei das Wasser in der siedenden Schwefelsaure verbleibt Die wasserfreie Schwefelsaure geht so zu einer 98 33 igen Schwefelsaure mit einem konstanten Siedepunkt von 338 C uber Bei dieser Temperatur hat auch der Dampf einen Sauregehalt von 98 33 und entspricht damit einem azeotropen Wasser Schwefelsaure Gemisch Eine Saure gleicher Zusammensetzung und gleichen Siedepunktes wird erhalten wenn man verdunnte Saure destilliert 100 ige Schwefelsaure lasst sich daher nicht durch Destillieren verdunnter Schwefelsaure sondern nur durch Auflosen einer bestimmten Menge Schwefeltrioxid in konzentrierter Schwefelsaure gewinnen Beim weiteren Erhitzen uber 338 C hinaus zersetzt sich Schwefelsaure in Wasser und Schwefeltrioxid Abrauchen der Schwefelsaure und ist bei 450 C nahezu vollstandig dissoziiert 26 Als Feststoff kristallisiert Schwefelsaure im monoklinen Kristallsystem in der Raumgruppe C2 c Raumgruppen Nr 15 Vorlage Raumgruppe 15 Die Gitterparameter sind a 814 pm b 470 pm c 854 pm und b 111 27 Die Struktur ist eine gewellte Schichtstruktur in der jedes Dihydrogensulfat Tetraeder uber Wasserstoffbrucken mit vier weiteren Tetraedern verbunden ist Neben der kristallinen reinen Schwefelsaure sind mehrere Schwefelsaure Hydrate bekannt Ein Beispiel ist das Dihydrat H2SO4 2 H2O das ebenfalls monoklin mit der Raumgruppe C2 c Nr 15 Vorlage Raumgruppe 15 kristallisiert 28 Insgesamt sind sechs verschiedene Hydrate mit einem zwei drei vier sechs und acht Aquivalenten Wasser bekannt bei denen die Saure vollstandig in Oxonium und Sulfationen gespalten sind Die Oxoniumionen sind je nach Hydrat mit einer unterschiedlich grossen Anzahl Wassermolekulen assoziiert Der Schmelzpunkt dieser Hydrate sinkt mit zunehmender Anzahl der Wassermolekule So schmilzt das Monohydrat bei 8 59 C wahrend das Octahydrat schon bei 62 C schmilzt 24 Zwischen den einzelnen Molekulen wirken starke Wasserstoffbrucken die die hohe Viskositat von 24 6 mPa s bei 25 C 29 bedingen Im Vergleich dazu besitzt Wasser mit 0 89 mPa s bei 25 C 16 eine deutlich niedrigere Viskositat Ahnlich wie reines Wasser leitet reine Schwefelsaure in geringem Masse elektrischen Strom Die spezifische Leitfahigkeit betragt 1 044 10 2 S cm 29 Der Grund hierfur liegt in der geringen Dissoziation der Saure durch Autoprotolyse Verdunnte Saure leitet dagegen aufgrund der enthaltenen Oxoniumionen elektrischen Strom gut 2 H 2 SO 4 HSO 4 H 3 SO 4 displaystyle ce 2H2SO4 lt gt HSO4 H3SO4 Autoprotolysereaktion wahrscheinlichere Bindungssituation Schwefelsaure Tetraeder In der Gasphase liegen einzelne Schwefelsaure Molekule vor Diese sind tetraedrisch aufgebaut mit Bindungswinkeln von 101 3 zwischen den OH Gruppen und 123 3 zwischen den Sauerstoffatomen Die Bindungslangen der Schwefel Sauerstoff Bindungen sind mit 157 4 pm zu OH Gruppen beziehungsweise 142 2 pm zu den Sauerstoffatomen unterschiedlich Die Molekulstruktur im Festkorper entspricht derjenigen in der Gasphase 25 Die Bindungen im Schwefelsauremolekul konnen durch verschiedene mesomere Grenzstrukturen beschrieben werden Zum Beispiel die Struktur bei der zwischen Schwefel und Sauerstoff Doppelbindungen angenommen werden oder bei der nur Einfachbindungen und gleichzeitig eine Ladungstrennung vorliegen In theoretischen Berechnungen hat sich gezeigt dass die 3d Orbitale nur sehr wenig zur Bindung beitragen Daher wird die reale Bindungssituation im Schwefelsauremolekul am genauesten durch diejenige Struktur beschrieben bei der nur Einfachbindungen gezeichnet werden Die verkurzte S O Bindung kann durch zusatzliche elektrostatische Wechselwirkungen zwischen den geladenen Atomen erklart werden 30 Chemische Eigenschaften Hagg Diagramm von Schwefelsaure H2SO4 schwarz HSO4 violett SO42 turkis H gestrichelt OH gepunktet Als sehr starke Saure gibt Schwefelsaure leicht Protonen ab Mit einem pKs Wert von 3 0 4 dies gilt jedoch nur fur verdunnte Losungen oder genauer einem H0 Wert von 11 9 24 zahlt Schwefelsaure in der ersten Protolysestufe zu den starken Sauren H 2 SO 4 H 2 O HSO 4 H 3 O displaystyle ce H2SO4 H2O gt HSO4 H3O Reaktion mit Wasser in der ersten Protolysestufe Sie wird ublicherweise nicht zu den Supersauren gezahlt jedoch wird sie als Ausgangspunkt fur die Definition der Supersaure gewahlt Alle Sauren die starker als reine Schwefelsaure sind und diese somit protonieren konnen werden als Supersauren bezeichnet Die zweite Protolysestufe von Hydrogensulfat zu Sulfat hat einen pKs Wert von 1 9 4 Das Hydrogensulfat Ion ist daher eine nur mittelstarke Saure HSO 4 H 2 O SO 4 2 H 3 O displaystyle ce HSO4 H2O gt SO4 2 H3O Reaktion mit Wasser in der zweiten Protolysestufe Aus diesem Grund liegt in verdunnter Schwefelsaure Konzentration etwa 1 mol l zum grossten Teil Hydrogensulfat vor Das H2SO4 Molekul ist nahezu vollstandig dissoziiert wahrend die Reaktion zum Sulfat nur in geringem Masse etwa 1 3 bei 1 mol l 24 stattfindet Erst bei hoheren Verdunnungen werden grossere Mengen Sulfat gebildet Verkohlung von Papier durch konzentrierte Schwefelsaure Schwefelsaure besitzt eine hohe Affinitat zu Wasser Werden Saure und Wasser gemischt entstehen unter starker Warmeentwicklung verschiedene Hydrate der Form H2SO4 n H2O n 1 4 6 8 Die starke Wasseraffinitat der Schwefelsaure aussert sich ebenfalls darin dass sie in der Lage ist aus organischen Stoffen Hydroxygruppen und Protonen abzuspalten Durch diesen Entzug bleibt Kohlenstoff zuruck der organische Stoff wird schwarz und verkohlt Dieser Effekt tritt vor allem bei Stoffen auf die viele Hydroxygruppen enthalten Beispiele sind viele Kohlenhydrate wie Glucose oder Polysaccharide Weiterhin kann die grosse Wasseraffinitat fur Kondensationsreaktionen verwendet werden Hierbei wird das Wasser ohne Verkohlung einer organischen Verbindung entzogen Ein Beispiel hierfur ist die Synthese des 2 Pyron Ein weiteres Indiz der starken Hygroskopizitat ist dass sich die Saure in geringem Mass selbst entwassert 2 H 2 SO 4 H 3 O HS 2 O 7 displaystyle ce 2H2SO4 lt gt H3O HS2O7 Selbstentwasserung der Schwefelsaure Konzentrierte Schwefelsaure wirkt oxidierend und ist in der Lage beim Erhitzen edlere Metalle wie Kupfer Quecksilber oder Silber zu losen Die Schwefelsaure wird dabei zu Schwefeldioxid reduziert Hingegen wird sogar reines unedles Eisen durch Passivierung von konzentrierter Schwefelsaure nicht angegriffen Cu 2 H 2 SO 4 CuSO 4 SO 2 2 H 2 O displaystyle ce Cu 2H2SO4 gt CuSO4 SO2 2H2O Losen von Kupfer in konzentrierter Schwefelsaure Verdunnte Schwefelsaure wirkt dagegen nur in geringem Masse oxidativ da die Reaktion zu Schwefeldioxid durch das Losemittel Wasser gehemmt wird Es werden nur solche Metalle oxidiert bzw gelost die als unedle Elemente durch die Reaktion von Protonen zu Wasserstoff oxidiert werden konnen Verwendung Schwefelsaureproduktion von 1970 bis 2003 in verschiedenen Landern Schwefelsaure wird in sehr grossen Mengen und in vielen Bereichen eingesetzt Ihre Produktionsmenge gilt neben der von Chlor als Massstab fur die industrielle Entwicklung und den Leistungsstand eines Landes Je nach Konzentration wird sie unterschiedlich bezeichnet Zwischen 10 und 20 heisst sie verdunnte Schwefelsaure oder Dunnsaure Akkumulatorsaure oder Akkusaure hat eine Saurekonzentration von 33 5 Diese Sauren bleiben auch unter 0 C flussig Schwefelsaure mit einem Gehalt von bis etwa 70 heisst Kammersaure bis zu 80 Gloversaure Konzentrierte Schwefelsaure besitzt einen Gehalt von mindestens 98 3 Azeotrop 31 Dunnsaure fallt in grossen Mengen als Abfallprodukt in der Titanoxid oder Farbstoffproduktion an 32 Der grosste Teil wird in der Produktion von Dungemitteln verbraucht Mit Hilfe von Schwefelsaure werden vor allem Phosphat und Ammoniumsulfatdunger gewonnen Letzterer wird durch Reaktion von halbkonzentrierter Schwefelsaure mit Ammoniak dargestellt H 2 SO 4 2 NH 3 NH 4 2 SO 4 displaystyle ce H2SO4 2NH3 gt NH4 2SO4 Reaktion von Schwefelsaure mit Ammoniak Bei der Produktion von Phosphatdungern wird Schwefelsaure zum Aufschluss des Rohphosphates benotigt 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 displaystyle ce Ca3 PO4 2 2H2SO4 gt Ca H2PO4 2 2CaSO4 Aufschluss von Apatit zu Superphosphat durch halbkonzentrierte Schwefelsaure Titan IV oxid wird in grossem Umfang mit Hilfe von Schwefelsaure hergestellt Neben Ammoniumsulfat werden auch andere Sulfate durch Umsetzung entsprechender Salze mit Schwefelsaure hergestellt Ein Beispiel ist das aus Aluminiumhydroxid gewonnene Aluminiumsulfat das in grossen Mengen in der Papierindustrie und als Flockungsmittel in der Wasserreinigung verwendet wird Da zahlreiche Erze in Schwefelsaure loslich sind kann sie als Aufschlussmittel eingesetzt werden Beispiele sind das nasse Verfahren zur Zinkherstellung aus Zinkoxid und das Sulfatverfahren zur Gewinnung des Weisspigmentes Titandioxid Mit Hilfe von Schwefelsaure konnen nicht nur oxidische Erze sondern auch solche mit anderen Anionen wie Fluorid oder Phosphat aufgeschlossen werden Bei der Reaktion entstehen dabei die entsprechenden Sauren Dieses Verfahren ist fur die Produktion von einigen technisch wichtigen Sauren relevant Beispiele sind Flusssaure aus Fluorit Phosphorsaure aus Apatit und Salzsaure aus Halit Als Batteriesaure ist Schwefelsaure ein wichtiger Bestandteil des Bleiakkumulators wie er in Automobilen als Starterbatterie eingesetzt wird Ebenso wie im Bleiakkumulator dient verdunnte Schwefelsaure auch in elektrolytischen Prozessen als Elektrolyt Die Vorteile gegenuber anderen Elektrolyten liegen in der hohen Leitfahigkeit und gleichzeitig niedrigen Neigung zur Reduktion In der organischen Chemie kann durch rauchende Schwefelsaure die Sulfonsauregruppe eingefugt werden Sulfonierung Damit werden vor allem Tenside fur die Waschmittelindustrie und Farbstoffe hergestellt Eine weitere funktionelle Gruppe die mit Hilfe von Schwefelsaure eingefuhrt werden kann ist die Nitrogruppe Dies geschieht mit Hilfe der sogenannten Nitriersaure einer Mischung aus Schwefel und Salpetersaure Verwendet wird dies vor allem zur Herstellung von Sprengstoffen wie Trinitrotoluol oder Nitroglycerin In chemischen Laboratorien zahlt Schwefelsaure zu den am haufigsten benutzten Chemikalien Neben Salzsaure und Salpetersaure ist sie eine viel verwendete starke Saure Sie wird unter anderem zur Einstellung des pH Wertes als Katalysator etwa fur Veresterungen und zum Abrauchen bei Aufschlussen genutzt Die stark wasserziehende Wirkung der Schwefelsaure wird zur Trocknung von organischen Substanzen und Gasen in Exsikkatoren und Waschflaschen genutzt Biologische BedeutungDie in der Luft aus Schwefeldioxid entstandene Schwefelsaure ist neben der aus Stickoxiden gebildeten Salpetersaure ein Bestandteil des sauren Regens Durch den sauren Regen kann es vor allem in schwach gepufferten Boden und Gewassern zu einem Absinken des pH Wertes kommen Eine Auswirkung eines niedrigeren pH Wertes ist eine Anderung der Loslichkeit einiger Metallionen So ist das fur Pflanzen schadliche Aluminium bei niedrigerem pH Wert besser in Wasser loslich Ebenso konnen biologisch wichtige Ionen wie Kalium oder Magnesium leichter ausgewaschen werden Aus diesen Grunden gilt Schwefelsaure als eine mogliche Ursache des Waldsterbens in den 1980er Jahren 33 Durch technische Massnahmen wie die Rauchgasentschwefelung bei Kohlekraftwerken und die Einfuhrung schwefelarmer Kraftstoffe wird in Deutschland so wenig Schwefeldioxid freigesetzt dass das Regenwasser deutlich weniger Schwefelsaure enthalt 34 Schwefelsaure wirkt auf Fische und andere Gewasserlebewesen auf Grund ihrer Aciditat toxisch So betragt in weichem Wasser ohne Pufferkapazitat die mittlere letale Konzentration der LC50 Wert fur Fische 100 330 mg l also ahnlich wie bei anderen Mineralsauren 9 In den Abraumhalden von Erzbergwerken und Braunkohletagebauen entsteht Schwefelsaure durch eine Kombination aus abiotischer und mikrobieller Oxidation freiliegender sulfidhaltiger Mineralien Durch Regenwasser wird sie ausgewaschen und sammelt sich als saures Grubenwasser in Restseen in denen wegen des niedrigen pH Werts und hoher Schwermetallgehalte kaum Lebewesen zu finden sind SicherheitshinweiseSchwefelsaure wirkt auf Haut und Schleimhaute stark reizend und atzend Sie ist in der Lage lebendes Gewebe zu zerstoren Veratzung Die Wirkmechanismen von konzentrierter und verdunnter Schwefelsaure sind deutlich zu unterscheiden Bei verdunnter Schwefelsaure wirkt die erhohte Protonenkonzentration atzend d h die Wirkung ist derjenigen anderer verdunnter Sauren ahnlich Die Wirkung besteht bei Hautkontakt abhangig von der Konzentration vorwiegend in lokalen Reizungen 3 Sie ist damit deutlich ungefahrlicher als konzentrierte Schwefelsaure Diese wirkt auf Grund ihrer stark wasserziehenden Wirkung verkohlend und schadigt schon in kleinen Mengen Haut und Augen stark Es bilden sich nur langsam heilende schmerzhafte Wunden 3 Schwefelsaure kann auch uber Dampfe aus der Luft aufgenommen werden der MAK Wert betragt 0 1 mg m 3 der LC50 Wert betragt bei Ratten uber vier Stunden inhalativ aufgenommen 510 mg m 8 Da bei der Reaktion von konzentrierter Schwefelsaure mit Wasser viel Warme entsteht darf sie nur durch Eingiessen in Wasser und nicht durch Hinzufugen von Wasser zur Saure verdunnt werden Wird Wasser zu Schwefelsaure hinzugegeben kann diese spritzen und so umstehende Personen veratzen Seit 2021 darf Schwefelsaure in einer Konzentration uber 15 Gewichtsprozent nicht mehr an Privatpersonen abgegeben werden NachweisKonzentrierte Schwefelsaure wird durch die Reaktion mit organischen Substanzen nachgewiesen Wird etwa ein Holzspan in konzentrierte Schwefelsaure getaucht wird er langsam schwarz Es ist moglich durch unterschiedliche Reaktionen verdunnte und konzentrierte Schwefelsaure zu unterscheiden Dabei wird die unterschiedliche Reaktivitat der beiden Sauren mit unedlen Metallen wie Zink oder Eisen ausgenutzt Wahrend sich bei verdunnter Saure schon bei Raumtemperatur Wasserstoff bildet reagiert die konzentrierte Saure die fast keine freien Oxoniumionen enthalt erst beim Erwarmen unter Bildung von Schwefeldioxid und Schwefel 35 Da in wassriger Losung die Schwefelsaure dissoziiert ist lasst sie sich darin nicht direkt nachweisen Stattdessen kann die Protonenkonzentration und damit der saure pH Wert uber geeignete Indikatoren oder mit dem pH Meter bestimmt werden Das Sulfation lasst sich beispielsweise durch Fallung als schwerlosliches Bariumsulfat bestimmen 35 LiteraturA F Holleman E Wiberg N Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage Walter de Gruyter Berlin 2007 ISBN 978 3 11 017770 1 Norman N Greenwood Alan Earnshaw Chemie der Elemente 1 Auflage Wiley VCH Weinheim 1988 ISBN 3 527 26169 9 Ralf Steudel David Scheschkewitz Chemistry of the Non Metals Walter de Gruyter Berlin Boston 2020 ISBN 978 3 11 057805 8 Eintrag zu Schwefelsaure In Rompp Online Georg Thieme Verlag abgerufen am 26 Mai 2014 Hermann Muller Sulfuric Acid and Sulfur Trioxide In Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry 4 Auflage Wiley VCH 1984 doi 10 1002 14356007 a25 635 Fritz Ullmann Enzyclopadie der Technischen Chemie Ausgabe 1922 Verzeichnis der weltweit installierten AnlagenWeblinks Wiktionary Schwefelsaure 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Grenzwerte Aktuelle MAK und BAT Werte Suche nach 7664 93 9 bzw Schwefelsaure abgerufen am 2 November 2015 a b Datenblatt 96 ige Schwefelsaure PDF bei Carl Roth abgerufen am 23 April 2010 a b Eintrag zu Schwefelsaure In Rompp Online Georg Thieme Verlag abgerufen am 26 Mai 2014 Schwefelsaure in Meyers Grosses Konversations Lexikon Leipzig 1905 1909 Band 18 S 160 163 Claus Priesner Johann Christian Bernhardt und die Vitriolsaure in Chemie in unserer Zeit 1982 16 5 S 149 159 doi 10 1002 ciuz 19820160504 Walter Jansen Zum Gedenken Johann Rudolph Glauber in Chemikon 2004 11 3 S 155 doi 10 1002 ckon 200490022 Barbara Winter Werner Die Wiege der Schweizer Chemie war in Winterthur Platform Chemistry Akademie der Naturwissenschaften Schweiz 12 2009 S 8 9 William H Brock Viewegs Geschichte der Chemie Vieweg Braunschweig 1997 ISBN 3 540 67033 5 Hermann Muller Sulfuric Acid and Sulfur Trioxide in Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry 4 Auflage 1984 doi 10 1002 14356007 a25 635 a b N N 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288 doi 10 1007 PL00010730 Hans Breuer Allgemeine und anorganische Chemie dtv Atlas Chemie Bd 1 dtv Munchen 2000 9 Aufl ISBN 3 423 03217 0 Dunnsaure Memento vom 21 Januar 2012 im Internet Archive In Umweltlexikon online de Saurer Regen Memento vom 11 Juni 2012 im Internet Archive In Umweltlexikon online de Stand 8 Mai 2001 Boden Eintrage aus der Atmosphare Memento vom 9 Oktober 2010 im Internet Archive In Umweltbundesamt Stand 2 April 2008 a b Jander Blasius Einfuhrung in das anorganisch chemische Praktikum 14 Aufl S Hirzel Verlag Leipzig 1995 ISBN 3 7776 0672 3 Dieser Artikel wurde am 9 April 2008 in dieser Version in die Liste der exzellenten Artikel aufgenommen Normdaten Sachbegriff GND 4180424 7 OGND AKS LCCN sh85130391 NDL 00569903Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Schwefelsaure amp oldid 212203868, wikipedia, wiki, deutsches

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