Schwefelsäure – Definition
Schwefelsäure ist eine chemische Verbindung, die seit dem Mittelalter bekannt ist. Sie hat viele nützliche Anwendungen und ist eine wichtige Grundchemikalie.
Schwefelsäure ist eine starke anorganische Säure. Meist wird sie in verdünnter Form als wässrige Lösung verwendet, aber auch als Reinstoff ist Schwefelsäure unter Normalbedingungen flüssig. Die Summenformel der Verbindung lautet $\ce{H2SO4}$.
Schwefelsäure zählt zu den oxidierenden Säuren – sie ist also ein gutes Oxidationsmittel.
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:
| Steckbrief |
Schwefelsäure |
| Weitere Namen |
Schwefel(VI)-säure, Dihydrogensulfat, Monothionsäure |
| Summenformel |
$\ce{H2SO4}$ |
| Erscheinung |
farblose, ölige Flüssigkeit (unter Normalbedingungen) |
| Molare Masse $M$ |
$98{,}08\,\frac{\text{g}}{\text{mol}}$ |
| Dichte $\rho$ |
$1{,}84\,\frac{\text{g}}{\text{cm}^3}$ |
| Schmelzpunkt (Smp.) |
ca. $10\,^\circ\text{C}$ (bei Normaldruck) |
| Siedepunkt (Sdp.) |
ca. $300\,^\circ\text{C}$ (bei Normaldruck) |
| Löslichkeit |
sehr gut wasserlöslich, mit Wasser in beliebigem Verhältnis mischbar |
| H-Sätze |
290, 314 |
| P-Sätze |
280, 301+330+331, 303+361+353,
305+351+338+310 |
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.
Wusstest du schon?
Konzentrierte Schwefelsäure kann durch Vermischen mit Wasser zu beliebigen anderen Konzentrationen verdünnt werden. Dabei ist darauf zu achten, immer die Säure zu der gewünschten Menge Wasser zuzugeben – niemals umgekehrt!
Es gilt der Merksatz:
Niemals Wasser auf die Säure, sonst geschieht das Ungeheure!
Grund hierfür ist die Tatsache, dass das Lösen von Schwefelsäure ein exothermer Vorgang ist – es wird viel Energie in Form von Wärme frei. Das kann dazu führen, dass konzentrierte Säure siedet und beim Verdünnen aus dem Gefäß spritzt! Deshalb ist es sicherer, nur kleine Mengen Säure auf viel Wasser zu geben, statt umgekehrt.
Schwefelsäure – Reaktionen
Die wichtigsten chemischen Reaktionen der Schwefelsäure stellen wir in der folgenden Tabelle anhand von Beispielen vor:
| Reaktionstyp |
Beschreibung |
Reaktionsgleichungen (Beispiele) |
Dissoziation
in wässriger Lösung |
Die Dissoziation der Schwefelsäure kann auch als Reaktion mit Wasser formuliert werden, denn ein einzelnes Proton $\left( \ce{H^{+}} \right)$ bildet mit einem Wassermolekül $\left( \ce{H2O} \right)$ ein Oxonium-Ion $\left( \ce{H3O^{+}} \right)$. |
Die Gesamtreaktion der zweistufigen Dissoziation lässt sich so darstellen:
$\ce{H2SO4 + 2 H2O <=> 2 H3O^{+} + SO4^{2-}}$
Es entstehen also zwei Oxonium-Ionen und ein Säurerest-Ion, das Sulfat-Ion $\left( \ce{SO4^{2-}} \right)$. |
| Neutralisation |
Bei einer Neutralisationsreaktion reagieren eine Säure und eine Base und es entstehen ein Salz und Wasser. |
Schwefelsäure reagiert beispielsweise mit der Base Natriumhydroxid $\left( \ce{NaOH} \right)$ zu Natriumsulfat $\left( \ce{Na2SO4} \right)$ und Wasser:
$\ce{H2SO4 + 2 NaOH -> Na2SO4 + 2 H2O}$
Das Salz $\ce{Na2SO4}$ wird auch Glaubersalz genannt. |
| Redoxreaktion mit einem unedlen Metall |
Schwefelsäure reagiert wie alle starken Säuren in verdünnter Form mit unedlen Metallen. |
Schwefelsäure reagiert beispielsweise mit Zink $\left( \ce{Zn} \right)$ zu Zinksulfat $\left( \ce{ZnSO4} \right)$:
$\ce{H2SO4 + Zn -> ZnSO4 + H2}$
Auf ähnliche Art und Weise können viele weitere Salze der Schwefelsäure gebildet werden, die sogenannten Sulfate. Dabei wird gasförmiger Wasserstoff $\left( \ce{H2} \right)$ frei. |
| Redoxreaktion mit einem relativ edlen Metall |
Als oxidierende Säure kann konzentrierte Schwefelsäure auch gegenüber relativ edlen Metallen wie Kupfer $\left( \ce{Cu} \right)$ die Rolle des Oxidationsmittels einnehmen, wenn sie erhitzt wird. |
Auch hier entsteht ein Salz, nämlich Kupfersulfat $\left( \ce{CuSO4} \right)$:
$\ce{2 H2SO4 + Cu -> CuSO4 + 2 H2O + SO2}$
Anstelle von Wasserstoff werden allerdings Wasser und das Gas Schwefeldioxid $\left( \ce{SO2} \right)$ gebildet. |
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.
Merke:
Schwefeldioxid $\left( \ce{SO2} \right)$ ist ein giftiges Gas, deshalb sollte der Versuch nur unter einem Abzug durchgeführt werden (und natürlich mit Schutzhandschuhen und Schutzbrille)!
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.
Beim Arbeiten mit Schwefelsäure, ganz gleich ob verdünnt oder konzentriert, sind unbedingt Schutzbrille und Schutzhandschuhe zu tragen. Mit konzentrierter Schwefelsäure sollte nur unter einem Abzug oder mit Atemschutz gearbeitet werden.
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.
Wusstest du schon?
Saurer Regen entsteht durch chemische Reaktionen, bei denen sich Schwefeloxide (oder auch Stickoxide) mit Wasserdampf aus der Luft verbinden. Dabei entsteht Schwefelsäure (oder auch Salpetersäure) in den Wassertröpfchen.
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:
Reaktions-
schritte |
Reaktion |
Reaktionsgleichung |
| 1. Schritt |
Elementarer Schwefel wird mit Luftsauerstoff verbrannt und es entsteht Schwefeldioxid. |
$\ce{S + O2 -> SO2}$ |
| 2. Schritt |
Schwefeldioxid wird weiter verbrannt. Die Reaktion läuft nur in Anwesenheit eines Katalysators ab. Schwefeldioxid reagiert mit Sauerstoff zu Schwefeltrioxid. |
$\ce{2 SO2 + O2 -> 2 SO3}$ |
| 3. Schritt |
Schwefeltrioxid reagiert mit Wasser zu Schwefelsäure. |
$\ce{SO3 + H2O -> H2SO4}$ |
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.
Wusstest du schon?
In kleineren Mengen wurde konzentrierte Schwefelsäure bereits im Mittelalter aus verschiedenen Salzen hergestellt, meist Eisensulfat $\left( \ce{FeSO4} \right)$ oder Kupfersulfat $\left( \ce{CuSO4} \right)$ .
Die Alchemisten nannten die Verbindung Vitriolöl und die Salze der Schwefelsäure Vitriole.
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.
Schwefelsäure – Zusammenfassung
-
Schwefelsäure $\left( \ce{H2SO4} \right)$ ist eine der wichtigsten anorganischen Säuren in der Chemie.
- Es handelt sich um eine starke Säure, die hygroskopische und oxidierende Eigenschaften hat.
- Schwefelsäure wird in der chemischen Industrie zur Herstellung vieler verschiedener Stoffe und Produkte eingesetzt, zum Beispiel für Düngemittel, Waschmittel und Farben.
- In in der organischen Chemie dient Schwefelsäure als Reaktant oder auch als Katalysator für verschiedene Verfahren der organischen Synthese.
Häufige gestellte Fragen zum Thema Schwefelsäure
Was ist Schwefelsäure?
Schwefelsäure ist eine chemische Verbindung mit der Summenformel $\ce{H2SO4}$. Es handelt sich um eine starke, anorganische Säure. Sie ist eine der wichtigsten Grundchemikalien in der Chemie.
Wie wird Schwefelsäure hergestellt?
In der chemischen Industrie kann Schwefelsäure (vereinfacht gesehen) in drei Schritten hergestellt werden:
- Elementarer Schwefel $\left( \ce{S} \right)$ wird verbrannt und es entsteht Schwefeldioxid $\left( \ce{SO2} \right)$.
- Schwefeldioxid wird mithilfe eines Katalysators weiter verbrannt und reagiert mit Sauerstoff $\left( \ce{O2} \right)$ zu Schwefeltrioxid $\left( \ce{SO3} \right)$.
- Schwefeltrioxid reagiert mit Wasser zu Schwefelsäure $\left( \ce{H2SO4} \right)$.
Der Prozess wird Kontaktverfahren genannt.
Wie entsteht Schwefelsäure?
Schwefelsäure kann in der Natur durch eine Reaktion zwischen dem Gas Schwefeltrioxid $\left( \ce{SO3} \right)$ und Wasser in der Atmosphäre entstehen. Dies kann zu saurem Regen führen, der eine erhebliche Umweltbelastung darstellt.
Warum wird Schwefelsäure als Blut der Chemie bezeichnet?
Schwefelsäure ist eine sehr wichtige Säure in der Chemieindustrie. Mit einer weltweiten Produktion von ca. $300\,\text{Mio. t}$ jährlich ist sie eine der am meisten produzierten Industriechemikalien. Sie wird beispielsweise als Säurekatalysator im Herstellungsprozess zur Synthese vieler organischer Stoffe wie Phenol, Aceton oder Ester eingesetzt.
Ohne Schwefelsäure wäre die Herstellung vieler wichtiger Produkte nicht oder nur mit sehr viel mehr Aufwand möglich. Für unsere industrialisierte Gesellschaft ist die Säure damit so wichtig wie das Blut für unseren Körper.
Für was wird Schwefelsäure verwendet?
Man benötigt Schwefelsäure zum Beispiel bei der Produktion von Düngemitteln oder bei der Herstellung von Pigmenten für Farben und Lacke. Außerdem ist Schwefelsäure für die organische Synthese und bei vielen weiteren Reaktionen als Reaktionspartner oder auch als Katalysator wichtig.
Was kann man mit Schwefelsäure machen?
Neben den vielen technischen Anwendungen in der Industrie kann Schwefelsäure aufgrund seiner hygroskopischen Eigenschaft als Trockenmittel verwendet werden. Schwefelsäure kann einer anderen Verbindung durch eine chemische Reaktion Wasser entziehen, genauer gesagt Wasserstoff‑ und Sauerstoff‑Atome. Dies geschieht beispielsweise bei der Reaktion von Schwefelsäure mit organischen Stoffen wie Zucker.
Warum ist Schwefelsäure so gefährlich?
Schwefelsäure gehört zu den stärksten Säuren. Sie wirkt stark ätzend auf die Haut und die Schleimhäute und sie kann lebendes Gewebe zerstören. Das Ausmaß der Gefährdung hängt von der Konzentration ab, aber auch verdünnte Schwefelsäure ist bereits sehr gefährlich. Insbesondere bei konzentrierter Schwefelsäure ist außerdem auf die ätzenden Dämpfe zu achten. Deshalb ist beim Arbeiten mit Schwefelsäure wichtig, dass gewisse Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden.
Was sind Sulfate?
Sulfate sind die Salze der Schwefelsäure, also Verbindungen, die mit dem zweifach negativ geladenen Sulfat‑Ion $\left( \ce{SO4^{2-}} \right)$ gebildet werden, wenn verschiedene Kationen den Platz des Wasserstoffs in der Schwefelsäure $\left( \ce{H2SO4} \right)$ einnehmen. Typische Sulfate sind beispielsweise Calciumsulfat $\left( \ce{CaSO4} \right)$, Natriumsulfat $\left( \ce{Na2SO4} \right)$ und Kupfersulfat $\left( \ce{CuSO4} \right)$.
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