Schwefelsäure H2SO4 .
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| Bemerkungen
für Schulen: Konzentrierte Schwefelsäure kann schwere Augen-
und Hautverletzungen verursachen. Beim Arbeiten ist daher unbedingt eine
Schutzbrille und entsprechende Schutzkleidung zu tragen. Spritzer und Säurereste
auf Labortischen sollten direkt nach der Arbeit entfernt werden. Konzentrierte
Schwefelsäure ist die häufigste Ursache für zerfressene
Alltagskleidung. Für Schülerversuche wird höchstens die
10%ige Säure empfohlen. |
Eigenschaften
Konzentrierte Schwefelsäure
ist stark hygroskopisch, sie zieht Feuchtigkeit aus der Luft an. Beim Vermischen
mit Wasser, was unter starker Wärmeentwicklung vor sich geht, darf
sie nur in das Wasser eingegossen werden („Niemals Wasser auf die Säure,
sonst geschieht das Ungeheure!“). Gibt man Wasser auf konzentrierte Schwefelsäure,
dann kann sich das Gemisch so stark erwärmen, dass es zu Sieden beginnt
und die Schwefelsäure aus dem Gefäß spritzt.
Demonstration einer
verbotenen Reaktion
"Gibt man Wasser auf
die Säure, dann geschieht das Ungeheure". Genauso darf man es nicht
machen.
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Schwefelsäure
reagiert mit Zucker
Verrührt man konzentrierte
Schwefelsäure mit Zucker,
steigt nach einer Weile
eine schwarze Masse nach oben.
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Diese
Demonstrationen dürfen nur im Abzug/in einer Kapelle durchgeführt
werden. Filme erhältlich auf >DVD
Die konzentrierte Säure
zerstört organische Stoffe wie Zucker, Baumwollgewebe oder Haut unter
Bildung von schwarzem Kohlenstoff. Gibt man in einem Becherglas konzentrierte
Schwefelsäure auf Traubenzucker, entzieht sie dem Kohlenhydrat Wasserstoff
und Sauerstoff, so dass nur noch
das Kohlenstoffgerüst des Zuckers zurückbleibt. Säure auf
der Haut sollte mit einem trockenen Lappen abgewischt und dann mit viel
Wasser nachbehandelt werden.
Im Magen verursacht sie
lebensgefährliche Verätzungen. Erbrechen darf nicht ausgelöst
werden. Gegenmaßnahmen sind das Trinken von Wasser oder die Neutralisation
der Säure mit einer Mischung
aus Wasser und Magnesiumoxid:
MgO + H2SO4
-----> MgSO4 + H2O
Die Dichte variiert bei
den unterschiedlichen Konzentrationen erheblich. Die handelsübliche,
96%ige Schwefelsäure ist eine schwere, ölige Flüssigkeit.
| Konzentration |
Bezeichnung |
Dichte |
| 96% |
konzentriert |
1,8355 g/cm3 |
| 38% |
Batteriesäure |
1,2855 g/cm3 |
| 10% |
verdünnt |
1,0661 g/cm3 |
Beim Destillieren von
verdünnten Lösungen dampft zunächst das Wasser ab, und man
erhält eine Schwefelsäure mit einer Konzentration von maximal
98,3%. Diese so konzentrierte Schwefelsäure bildet ein azeotropes
Gemisch, das bei +338 °C konstant siedet. Erhitzt man weiter, geht
nur noch dieses Gemisch in das Destillat über.
Konzentrierte Schwefelsäure
leitet den elektrischen Strom nur schwach, da sie nur wenig dissoziiert.
Mit zunehmender Verdünnung spaltet die Säure
zunächst ein Proton (H+) ab, bei stärkerer Verdünnung
dissoziiert auch das zweite Proton und die Leitfähigkeit nimmt zu.
Im ersten Schritt bildet sich ein Hydrogensulfat-Ion (HSO4-),
im zweiten Schritt ein Sulfat-Ion (SO42-):
| 1. Schritt |
H2SO4
+ H2O 
HSO4- + H3O+ |
| 2. Schritt |
HSO4-
+ H2O
SO42- +
H3O+ |
| Gesamtreaktion |
H2SO4
+ 2 H2O
SO42- +
2 H3O+ |
Verdünnte Schwefelsäure
reagiert mit unedlen Metallen unter Bildung von Wasserstoff
und den entsprechenden Metallsalzen. Dabei entstehen die Sulfate,
die Salze der Schwefelsäure:
Mg + H2SO4
(aq) -----> MgSO4 + H2
Zn + H2SO4
(aq) -----> ZnSO4 + H2
Bild
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Magnesium und Zink reagieren
mit 10%iger Schwefelsäure
unter Wasserstoffentwicklung,
Kupfer dagegen nicht.
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Heiße, konzentrierte
Schwefelsäure reagiert mit Kupfer
nicht unter Wasserstoffentwicklung, sondern bildet Kupfersulfat,
Schwefeldioxid und Wasser:
Cu + 2 H2SO4
-----> CuSO4 + SO2 +
2 H2O
Diese Art von Reaktion findet
auch bei bei Silber und Quecksilber
statt. Die Edelmetalle Gold und Platin
werden durch konzentrierte Schwefelsäure nicht angegriffen. Eisen
und Blei widerstehen ebenfalls der
konzentrierten Schwefelsäure. Eisen wird passiviert und das Blei bildet
einen unlöslichen Überzug aus Bleisulfat. Daher kann sie unbedenklich
in Bleigefäßen aufbewahrt oder in Eisenrohren transportiert
werden.
Die
reine, 100%ige Schwefelsäure löst das Gas Schwefeltrioxid (SO3)
unter Bildung von Rauchender Schwefelsäure. Diese wurde bei den Alchimisten
auch "Oleum" oder "Vitriolöl" genannt. In dieser Säure tritt
ständig Schwefeltrioxid aus, das mit der Luftfeuchtigkeit reagiert
und dabei den Nebel bildet (vgl. Schwefelsäuresynthese). |
Herstellung
Die Herstellung von Schwefelsäure
durch die Alchimisten geht vermutlich bis in das 13. Jahrhundert zurück.
Beim Glühen von "Vitriolen" also von Eisen- oder Kupfersulfat,
erhielten sie das "Oleum vitrioli" (Rauchende Schwefelsäure) und beim
Verbrennen von Schwefel mit Salpeter (Kaliumnitrat)
das "Oleum sulphuris" (verdünnte Schwefelsäure). Beide Herstellungsmöglichkeiten
wurden von Andreas Libavius
(geb. um 1540) in seinem 1597 erschienenen Werk "Alchemia" beschrieben.
Das Herstellungsverfahren aus Vitriolen wurde bis in das 19. Jahrhundert
hinein angewandt. Der Vorteil bestand darin, dass man eine sehr konzentrierte
Säure erhielt.
Mit der Erfindung des
Bleikammerverfahrens durch Roebuck und Garbett in Birmingham konnte man
die Schwefelsäure ab 1774 im großtechnischen Maßstab produzieren.
Ein Gemisch aus Schwefeldioxid, Luft und Stickoxiden wurde in einem mit
Schamottziegeln ausgekleideten Reaktionsturm auf ca. 400°C erhitzt.
Das entstehende Gasgemisch kam dann in mehrere mit Blei
ausgekleidete, hintereinandergeschaltete Behälter, wo es mit Wasser
berieselt wurde und dabei zur einer 60-70%igen Schwefelsäure reagierte.
Man verwendete eine Bleiauskleidung, da dies zu jener Zeit das einzige
billige Metall war, das von konzentrierter Schwefelsäure nicht angegriffen
wird. In der Folgezeit wurde das Bleikammerverfahren verbessert.
Eine weitere Möglichkeit
ist die Herstellung aus Metallsulfaten nach dem Müller-Kühne-Verfahren.
Hierbei wird Gips oder Anhydrit im Gemisch mit
Ton, Sand und Kohle in Drehrohröfen zu Schwefeldioxid und Calciumoxid
aufgespalten, gleichzeitig entsteht Kohlenstoffdioxid:
2CaSO4
+ C -----> 2CaO + 2SO2 + CO2
Heute erfolgt die Herstellung
der Schwefelsäure hauptsächlich nach dem >Kontaktverfahren.
Hierbei wird Schwefeltrioxid in Wasser oder in konzentrierte Schwefelsäure
geleitet (Näheres siehe dort).
Erzeugung von Schwefeltrioxid
aus Pyrit
Beim ersten Brenner
(links) wird Pyrit zu Schwefeldioxid
geröstet. Am Vanadium(V)-oxid-Katalysator
(2. Brenner)
oxidiert das Schwefeldioxid
zu Schwefeltrioxid.
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Schwefelsäuresynthese
im Modellversuch
Das Schwefeltrioxid
wird durch die Apparatur gesaugt; es löst
sich im Wasser des Reagenzglases
links nur wenig, in der
konzentrierten Schwefelsäure
im Reagenzglas rechts gut.
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Diese
Demonstration darf nur im Abzug/in einer Kapelle durchgeführt werden.
Film erhältlich auf >DVD
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Verwendung
Schwefelsäure dient
zur Herstellung von Sulfaten und Düngemitteln,
im Gemisch mit Salpetersäure als Nitriersäure
zur Herstellung von Explosivstoffen. Im Bleiakku ist sie als Elektrolyt
vorhanden (37-38%-ige Säure besitzt die beste Leitfähigkeit für
elektrischen Strom). Schwefelsäure ist ein wichtiger Katalysator
im Labor und bei chemischen Synthesen. Ihre Bedeutung als Rohstoff zur
Waschmittel- und Farbstoffherstellung (Sulfonierung
und Sulfatierung) ist von großem Nutzen. Sie wird auch zum Aufschluss
von Titanmineralien bei der Herstellung des Weißpigments Titandioxid
eingesetzt. Im chemischen Labor ist sie eine sehr wichtige Säure zum
Trocknen von anderen Substanzen.
Batteriesäure
für Autobatterien
Batteriesäure enthält
38%ige Schwefelsäure.
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