Schwefelsäure

Strukturformel und Kalottenmodell
Schwefelsäure mit Polaritäten	Kalottenmodell Schwefelsäure
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
Schmelzpunkt	-15 °C
Siedepunkt	310 °C
Dampfdruck	0,0001 hPa bei 20 °C
Löslichkeit	unbegrenzt in Wasser unter Wärmeentwicklung (!)
Sicherheitshinweise
Gefahrensymbole
Datei:Gefahrensymbol C.png C Ätzend
R- und S-Sätze	R: 35 S: 26-30-36/37/39-45
MAK	0,1 mg/m³
LD₅₀ (Ratte)	2140 mg/kg
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Schwefelsäure 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.

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_S=-3, pK_S vom Hydrogensulfatanion HSO₄^-=1,9). Als starke anorganische Säure zählt sie zu den Mineralsäuren. Konzentrierte Schwefelsäure ist auch ein starkes Oxidationsmittel. Konzentrierte Schwefelsäure wirkt hygroskopisch und kann deshalb zum Trocknen von Gasen und Flüssigkeiten eingesetzt werden. Die Moleküle der Schwefelsäure haben ein starkes Dipolmoment, dessen positiver Pol beim Schwefel 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.-%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. Im Handel gibt es Oleum mit bis zu 60 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.

Beim Verdünnen konzentrierter Schwefelsäure entsteht sehr viel Wärme. Daher müssen entsprechende Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden. Wichtig ist dabei, dass man niemals Wasser zu einer Säure gibt, da es sonst zu einer explosionsartigen Verdampfung des Wassers kommen kann. Der entstehende Druck kann die Säure meterweit durch den Raum und im schlimmsten Fall jemandem in die Augen spritzen. 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 TiO₂- 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 seiner 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.

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

Die hier angegebenen Partialladungen Datei:Schwefelsaeure.jpg lassen sich anhand der Grenzstruktur erklären, in welcher für alle Atome die Oktettregel erfüllt ist. Datei:Schwefelsaeure mit Ladungen.png

In der allgemeinen Schreibweise Datei:Schwefelsaeure ohne Partialladungen.png kann die Bindung von vier Sauerstoffatomen an den Schwefel nicht erklärt werden, ohne das die d-Orbitale (dz²; dx²-y²) in der Valenzschale des Schwefels für die Pi-Bindung miteinbezogen werden (vgl. PSE).

Bis zur Deprotonierung bleibt das Molekül trotz der formalen Ladungen von aussen ungeladen. Nachdem sich beide Protonen abgespalten haben, verbleibt das Säureanion als zweifach negativ geladenes Ion. Datei:Sulfat.PNG

Nachweis

Schwefelsäure kann in Form des Sulfatanions nachgewiesen werden. Als Sulfatnachweis dient z. B. die Fällung als unlösliches Bariumsulfat nach Zugabe von Bariumchlorid-Lösung.