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3.5.1 Eigenschaften
Die zweibasige Schwefelsäure ist eine farblose, ölige Flüssigkeit. Sie ist stark hygroskopisch (wasseranziehend) und wirkt stark oxidierend. In konzentrierter Form enthält sie noch 2 % Wasser und sie mischt sich mit Wasser unter starker Wärmeentwicklung. Ihr Siedepunkt liegt bei 338°C.
Konzentrierte Schwefelsäure zerstört organische Stoffe wie Zucker, Baumwollgewebe oder Haut unter Bildung von schwarzen Kohlenstoff. Gibt man in einem Glas konzentrierte Schwefelsäure auf Traubenzucker, entzieht sie dem Kohlenhydrat Wasserstoff und Sauerstoff, so dass nur noch das Kohlenstoffgerüst des Zuckers zurückbleibt. Man erhält nach einer Weile eine stark aufgeblähte Masse.
Im Magen verursacht Schwefelsäure lebensgefährliche Verätzungen. Gegenmaßnahmen sind das Trinken von Milch und die Neutralisation der Säure mit einer Mischung aus Wasser und Magnesiumoxid:
MgO + H2SO4 ¾® MgSO4 + H2O
Eisen und Blei widerstehen der konzentrierten Schwefelsäure. Eisen wird passiviert und das Blei bildet einen unlöslichen Überzug aus Bleisulfat. Daher kann Schwefelsäure unbedenklich in Bleigefäßen aufbewahrt oder in Eisenrohren transportiert werden. Reine 100%- ige Schwefelsäure leitet den elektrischen Strom nur schwach. Mit zunehmender Verdünnung spaltet die Säure zunächst ein Proton (H+) ab, bei stärkerer Verdünnung dissoziiert auch das zweite Proton und die Leitfähigkeit nimmt zu:
1. Schritt:
H2SO4 + H2O ¾® HSO4- + H3O+
È
H+
Schwefelsäure + Wasser ¾® Hydrogensulfation + H3O+- Ion
¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾
2. Schritt:
HSO4- + H2O ¾® SO42- + H3O+
È
H+
Hydrogensulfation + Wasser ¾® Sulfation + H3O+- Ion
¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾
Gesamtreaktion:
H2SO4 + 2 H2O ¾® SO42- + 2 H3O+
3.5.2 Herstellung
Das Doppelkontaktverfahren
In der chemischen Industrie ist das Bleikammerverfahren inzwischen von dem Kontaktverfahren verdrängt worden.
1. Schritt:
In einem Verbrennungsofen wird reiner Schwefel mit Luftsauerstoff verbrannt, dabei entsteht in einer Oxidation Schwefeldioxid:
S + O2 ¾® SO2
2. Schritt:
Das bei der Verbrennung von Schwefel zu Schwefeldioxid entstandene Röstgas besteht vor allem aus Stickstoffverbindungen, Sauerstoff und Schwefeldioxid. Das Röstgas darf nicht sofort direkt über den Kontakt im Kontaktofen geleitet werden, da zunächst eine Reinigung des Gasgemischs vollzogen werden muss. Flugstaub und Arsenverbindungen, die im Röstgas enthalten sind, wirken nämlich als "Katalysatorengifte". Zur Reinigung des Röstgases wird heute die Elektrofiltration eingesetzt.
3. Schritt:
Im Kontaktofen wird das gereinigte Gasgemisch mit Sauerstoff weit oxidiert, dabei entsteht Schwefeltrioxid:
2 SO2 + O2 ¾® 2 SO3
Damit diese Reaktion überhaupt stattfindet, müssen folgende Reaktionsbedingungen vorliegen:
- eine Temperatur von 440°C
- Verhältnis des Gasgemischs Schwefeldioxid: Sauerstoff = 1 : 2
- Vorliegen eines Vanadiumoxid- Katalysators, welcher die Reaktion beschleunigt
Erst wenn diese drei Bedingungen erfüllt sind, verläuft die Reaktion optimal.
4. Schritt
Im Zwischenabsorber wird Schwefeltrioxid in konzentrierte Schwefelsäure eingeleitet.
Im Endabsorber wird Wasser zugegeben. Das Schwefeltrioxid löst sich im Wasser und bildet dabei Schwefelsäure nach folgender Reaktionsgleichung:
SO3 + H2O ¾® H2SO4
Diese Reaktion findet nur statt, wenn zum Schwefeltrioxid im Zwischenabsorber konzentrierte Schwefelsäure zugegeben wird. Das Schwefeltrioxid bildet mit der konzentrierten Schwefelsäure Oleum (rauchende Schwefelsäure), welche mit Wasser zu Schwefelsäure zerfällt. Eine Direkteinleitung des Schwefeltrioxids in Wasser würde zu einer zu heftigen Reaktion führen.
Im Handel erhält man die entstandene "Kontaktsäure" als konzentrierte Schwefelsäure (98%) oder als "rauchende Schwefelsäure" (Oleum), die einen SO3- Überschuss enthält.
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