Schwefelsäure

Schwefelsäure – Definition

Schwefelsäure ist eine chemische Verbindung, die seit dem Mittelalter bekannt ist. Sie hat viele nützliche Anwendungen und ist eine wichtige Grundchemikalie.

Schwefelsäure zählt zu den oxidierenden Säuren – sie ist also ein gutes Oxidationsmittel.

Schwefelsäure – Strukturformel

Das Molekül der Schwefelsäure setzt sich gemäß der Summenformel $\ce{H2SO4}$ aus zwei Wasserstoff-Atomen $\left( \ce{H} \right)$, einem Schwefel-Atom $\left( \ce{S} \right)$ und vier Sauerstoff-Atomen $\left( \ce{O} \right)$ zusammen.

Zur Betrachtung der Molekülstruktur ist die Schreibweise als Valenzstrichformel (bzw. Lewis‑Formel) nützlich. Eine solche Strukturformel der Schwefelsäure ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Jeder der einzelnen Striche zwischen zwei Atomen, zum Beispiel zwischen $\ce{O}$ und $\ce{S}$, symbolisiert ein bindendes Elektronenpaar. Die Striche, die sich außerdem an den $\ce{O}$‑Atomen befinden, sind nicht-bindende (oder auch freie) Elektronenpaare.

Anders als in dieser vereinfachten Strukturformel dargestellt, ist das Schwefelsäuremolekül jedoch nicht planar. Die an der Bildung des Moleküls beteiligten Atome liegen in Wirklichkeit nicht alle in einer Ebene. Eine genauere Darstellung ermöglicht die räumliche Schreibweise, durch die veranschaulicht wird, wie das Schwefelsäuremolekül im dreidimensionalen Raum aussieht:

In der räumlichen Formelschreibweise liegen die beiden Sauerstoffatome, die mit dem Schwefelatom Doppelbindungen ausbilden, zusammen mit dem Schwefelatom in einer Ebene. Von den beiden übrigen Sauerstoffatomen (bzw. $\ce{OH}$-Gruppen) zeigt eines nach vorne aus der Ebene heraus (gekennzeichnet mit einem dicken Keilstrich) und eines nach hinten (gekennzeichnet mit einem gestrichelten Keilstrich). An diese beiden Sauerstoffatome ist jeweils ein $\ce{H}$‑Atom über eine Einfachbindung gebunden.

Schwefelsäure – Steckbrief

Allgemeine Informationen und wichtige Eigenschaften der Schwefelsäure sind im folgenden Steckbrief zusammengefasst:

Die wichtigsten physikalischen Eigenschaften der Schwefelsäure sind damit:

• Reine Schwefelsäure ist eine farblose, ölige Flüssigkeit (unter Normalbedingungen). Ihre Dämpfe verbreiteten einen beißenden Geruch.
• Die Dichte beträgt $1{,}84\,\frac{\text{g}}{\text{cm}^3}$ und ist damit größer als die Dichte von Wasser.
• Reine Schwefelsäure liegt bei niedrigen Temperaturen (unterhalb von $10{,}3\,^\circ\text{C}$ bei Normaldruck) im festen Aggregatzustand vor.
• Oberhalb von $280\,^\circ\text{C}$ wird reine, wasserfreie Schwefelsäure gasförmig. Sogenannte azeotrope Schwefelsäure mit einer Konzentration von $98\,\%$ (Gewichtsprozent) siedet bei $337\,^\circ\text{C}$.

Schwefelsäure – Eigenschaften

Gehen wir auf einige chemische Eigenschaften der Schwefelsäure genauer ein:

• Konzentrierte Schwefelsäure ist stark hygroskopisch, d. h. wasserziehend bzw. wasserbindend. Damit ist gemeint, dass der Stoff Wassertröpfchen oder Wasserdampf aus der Luft aufnimmt, der Umgebung also Wasser entzieht. Deshalb kann die Schwefelsäure als Trockenmittel verwendet werden.
• Schwefelsäure ist gut wasserlöslich und mit Wasser in beliebigem Verhältnis mischbar. Azeotrope Schwefelsäure ist mit einem Massenanteil von $98\,\%~\ce{H2SO4}$ hoch konzentriert. Im Labor sind wässrige Lösungen mit folgenden Konzentrationen üblich:
  – konzentrierte Schwefelsäure: $96\,\%~\ce{H2SO4}$, ca. $18\,\frac{\text{mol}}{\ell}$
  – Batteriesäure: $38\,\%~\ce{H2SO4}$, ca. $5\,\frac{\text{mol}}{\ell}$
  – verdünnte Schwefelsäure: $10\,\%~\ce{H2SO4}$, ca. $1\,\frac{\text{mol}}{\ell}$
• Schwefelsäure ist eine starke Säure, d. h. sie dissoziiert praktisch vollständig in wässriger Lösung. Dies geschieht in zwei Schritten, da im Schwefelsäuremolekül zwei $\ce{H}$‑Atome gebunden sind, also zwei Protonen $\left( \ce{H+} \right)$ abgespalten werden können:
  $\ce{H2SO4 <=>[H2O] H^{+} + HSO4^{-}}$
  $\ce{HSO4^{-} <=>[H2O] H^{+} + SO4^{-}}$
  Das Zwischenprodukt $\ce{HSO4^-}$ ist das einfach negativ geladene Hydrogensulfat‑Ion. Erst im zweiten Schritt wird das zweifach negativ geladene Sulfat‑Ion $\left( \ce{SO4^{2-}} \right)$ freigesetzt, der eigentliche Säurerest der Schwefelsäure.
• Schwefelsäure ist also eine zweiprotonige Säure und es erfolgt eine zweistufige Dissoziation in wässriger Lösung.
• Schwefelsäure ist eine oxidierende Säure, also ein gutes Oxidationsmittel mit einer stark ätzenden Wirkung.

Schwefelsäure – Reaktionen

Die wichtigsten chemischen Reaktionen der Schwefelsäure stellen wir in der folgenden Tabelle anhand von Beispielen vor:

Schwefelsäure kann aufgrund ihrer hohen Reaktivität, die durch den sauren Charakter und die oxidierende Wirkung bedingt ist, auch organische Stoffe zersetzen. So zerstört Schwefelsäure beispielsweise Zucker, Stroh, Baumwolle oder auch Haut. In einem beliebten Schulversuch kann so ein Vorgang beobachtet werden:

• Gibt man auf etwas Haushaltszucker in einem Becherglas konzentrierte Schwefelsäure, verfärbt sich der Zucker schwarz und steigt in dem Becherglas nach oben.
• Aufgrund der Hygroskopie, also der wasserbindenden Wirkung, entzieht die Schwefelsäure dem Zucker jegliches Wasser.
• Zurück bleibt elementarer Kohlenstoff $\left( \ce{C} \right)$, der eine schwarze Farbe hat.

Kohlenstoff reagiert nun mit Schwefelsäure zu Kohlenstoffdioxid $\left( \ce{CO2} \right)$, Schwefeldioxid $\left( \ce{SO2} \right)$ und Wasser:

$\ce{C + H2SO4 -> CO2 + 2 SO2 + H2O}$

Die beiden Gase sorgen dafür, dass der überschüssige Kohlenstoff, der nicht abreagiert, als poröse Masse nach oben steigt.

Schwefelsäure – Gefahrstoffhinweise

Die Schwefelsäure gehört zu den stärksten Säuren. Sie wirkt stark ätzend auf die Haut und die Schleimhäute, d. h. sie kann lebendes Gewebe zerstören. Das Ausmaß der Gefährdung hängt von der Konzentration der jeweiligen Lösung ab, aber selbst verdünnte Schwefelsäure ist immer noch sehr gefährlich. Aus hoch konzentrierter Schwefelsäure steigt das Gas Schwefeltrioxid $\left( \ce{SO3} \right)$ auf (rauchende Schwefelsäure). Der entstehende Dampf kann die Atemwege verätzen.

Nach der internationalen Gefahrstoffkennzeichnung (GHS) gilt Schwefelsäure als gefährlich und wird mit dem Piktogramm (Gefahrensymbol) ätzend gekennzeichnet.

Signalwort: Gefahr

Schwefelsäure – Vorkommen

Freie, nicht-dissoziierte Schwefelsäure kommt in der Natur nur sehr selten vor. In geringen Mengen kommt freie Schwefelsäure in bestimmten vulkanischen Quellen, sogenannten Solfataren, vor. Des Weiteren findet man Schwefelsäure in der oberen Atmosphäre der Venus.
Auf der Erde sind die Salze der Schwefelsäure, die Sulfate, weit verbreitet, so etwa Baryt $\left( \ce{BaSO4} \right)$, Gips $\left( \ce{CaSO4 . 2 H2O} \right)$, und Glaubersalz $\left( \ce{Na2SO4 . 10 H2O} \right)$. Die beiden letztgenannten sind wasserhaltige Salze, deshalb werden noch $\ce{H2O}$-Moleküle mit in die Summenformeln mit aufgenommen. Alle Sulfate enthalten das Sulfat‑Ion, den Säurerest der Schwefelsäure.

Saurer Regen entsteht aus Schwefeldioxid $\left( \ce{SO2} \right)$ in der Atmosphäre. Das Gas bildet sich bei Vulkanausbrüchen oder bei der Verbrennung schwefelhaltiger Substanzen. In der Atmosphäre oxidiert Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid $\left( \ce{SO3} \right)$ und bei einer Reaktion mit Wasser kann dann Schwefelsäure entstehen, die mit dem (nun sauren) Regen verdünnt auf die Erde gelangt.

Schwefelsäure – Herstellung

Schwefelsäure ist eine wichtige Grundchemikalie und wird in großen Mengen in der chemischen Industrie hergestellt. Vereinfacht gesehen wird Schwefelsäure im industriellen Maßstab in drei Schritten hergestellt, die du hier zusammengefasst siehst:

Das entsprechende technische Verfahren wird Kontaktverfahren genannt. Die Reaktionsgleichungen für sich genommen könnten im Prinzip auch die Entstehung von Schwefelsäure in Form von saurem Regen in der Atmosphäre beschreiben. In der Industrie läuft der Prozess aber etwas anders ab, kann besser kontrolliert werden und liefert einen höheren Ertrag.

Schwefelsäure – Verwendung

Schwefelsäure ist mit einer weltweiten Produktion von ca. $300\,\text{Mio. t}$ jährlich eine der am meisten produzierten Industriechemikalien. Es gibt sehr viele direkte und indirekte Anwendungen der Schwefelsäure. Wir fassen hier nur einige zusammen:

• Schwefelsäure wird als Batteriesäure in Batterien und Akkus eingesetzt, beispielsweise in Autobatterien. Dort dient sie aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit als Elektrolyt. Dabei spielt auch ihre Eigenschaft als Oxidationsmittel eine wichtige Rolle.
• Aufgrund ihrer wasserziehenden Eigenschaft kann Schwefelsäure auch als Trockenmittel dienen.
• Im Labor wird die Säure bei der Titration zur Neutralisation von Basen eingesetzt.
• Schwefelsäure dient als Reagenz für die organische Synthese verschiedener organischer Verbindungen.
• Sie ist in sehr vielen Synthesen als Reaktionspartner, Katalysator oder Reaktionshilfsmittel von großer Bedeutung.
• Mithilfe von Schwefelsäure können Sulfat‑Salze, aber auch andere Säuren und viele andere Stoffe hergestellt werden.
• Ein Großteil der Schwefelsäure wird zur industriellen Produktion von Düngemitteln benötigt.
• Auch zur Herstellung von Pigmenten für Farben und Lacke wird die Säure eingesetzt.
• Schwefelsäure wird außerdem für die Produktion von Seifen und Waschmitteln benötigt.
• Neben Salpetersäure wird sie auch zur Herstellung einiger Sprengstoffe verwendet.
• In der Metallurgie wird die Säure zum Aufschließen von Erzen eingesetzt, also zur Metallgewinnung.

Ausblick – das lernst du nach Schwefelsäure

Tauche tiefer ein in die Chemie der Säuren und lerne auch die Salzsäure und die Salpetersäure kennen. Hier erfährst du, wie unterschiedliche Säuren reagieren und welche Eigenschaften sie haben. Deine Reise durch die Welt der Säuren und Basen geht spannend weiter!

Häufige gestellte Fragen zum Thema Schwefelsäure