Schwefelsäure

Im Alltag kennen wir das Molekül H2SO4 – in der Fachsprache als Dihydrogensulfat bezeichnet- als Schwefelsäure. Aufgrund der Zusammensetzung von Schwefelsäure zählt die Schwefelsäure zu den anorganischen (Mineral)säuren. Aufgrund ihrer vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten gehört die Schwefelsäure mit zu den wichtigsten Grundstoffen in der chemischen Industrie (z.B. Herstellung von Sulfaten, als Elektrolyt in der Autobatterie)

Schwefelsäure – eine vielseitig einsetzbare, starke Säure

Die Schwefelsäure (in konzentrierter Form) ist eine farblose, viskose Flüssigkeit mit einer höheren Dichte als Wasser. Auch wenn Schwefelsäure “Schwefelatome” in ihrer Molekülstruktur enthält, handelt es sich bei Schwefelsäure um eine geruchslose Flüssigkeit. Schwefelsäure ist eine der stärksten Brönstedt-Säuren und daher eine stark ätzende Säure.

Schwefelsäure ist aber auch stark wasseranziehend (hygroskopisch) bzw. wasserentziehend, was auch die Gefährlichkeit von konzentrierter Schwefelsäure erklärt. Schwefelsäure ist “in der Lage”, organischen Stoffen wie Kohlenhydrate (Zucker) aber auch der Haut “Wasser” zu entziehen. Dabei bleibt in der Regel nur das Kohlenstoffgerüst der organischen Verbindung zurück, dass wie Ruß aussieht (=> es bleibt bei einer Reaktion von konz. Schwefelsäure mit festen organischen Stoffen in der Regel nur reiner Kohlenstoff übrig).

Die “Stärke” von Schwefelsäure zeigt sich auch beim Verdünnen von Schwefelsäure bzw. dem Mischen von Schwefelsäure mit Wasser. Beim Verdünnen von Schwefelsäure mit Wasser kommt es zu starker Wärmeentwicklung. Daher ist es vor allem bei der Schwefelsäure besonders wichtig, dass beim Verdünnen von konzentrierter Schwefelsäure die (Schwefel)säure auf destilliertes Wasser gegossen wird. Umgekehrt (Wasser in die Säure) würde die Mischungsenthalpie soviel (Wärme)energie freisetzen, dass die Schwefelsäure bzw. Wasser/Schwefelsäure-Mischung zu Sieden beginnt.

Wie erwähnt, handelt es sich bei Schwefelsäure um eine sehr starke Säure. Dabei liegt Schwefelsäure (H2SO4) als zweiprotonige Säure vor, d.h. Schwefelsäure kann (jedes Molekül) zwei Protonen abgeben. Dabei liegt beim ersten Protolyseschritt eine sehr starke Säure vor, der pKs(1)-Wert liegt bei -3. Es entsteht dabei das Hydrogensulfat-Anion (HSO₄-). Dieses Hydrogensulfat-Ion ist ebenfalls eine Säure, eine starke Säure. Der pKs(2)-Wert liegt bei etwa 2. Es entsteht dabei das Sulfat-Anion.

Besonderheiten von Schwefelsäure

Im allgemeinen Teil der Anorganischen Chemie hatten wir kennengelernt, dass (alle) unedle(n) Metalle mit Säuren regieren. Bei der Schwefelsäure ist diese Aussage nicht generell gültig.

• Verdünnte Schwefelsäure reagiert (wie erwartet) mit allen unedlen Metallen unter Bildung von Wasserstoff und dem entsprechenden Metallhydrogensulfat bzw. Metallsulfat.

• Konzentrierte Schwefelsäure hingegen reagiert nicht mit allen unedlen Metallen. So reagiert konzentrierte Schwefelsäure nicht mit Eisen oder Blei. Dies liegt daran, dass die Metalle (im weitesten Sinne) passiviert werden, wobei sich über dem Metall eine Schutzschicht bildet, die das Metall vor der Wirkung bzw. Kontakt mit der Säure schützt. Das Eisen bildet eine unlösliche Schicht und bei Blei ist es eine unlösliche Schicht aus Bleisulfat.

Schwefelsäure ist eine Verbindung aus Nichtmetallatomen und gehört daher zu den anorganischen Molekülen. Daher sollte erwartet werden, dass die Struktur und Bindungsverhältnisse von Schwefelsäure den Prinzipien der Edelgaskonfiguration unterliegen (=> Oktettregel). Betrachten wir aber die Struktur von Schwefelsäure, die in jedem Lehrbuch zu finden ist

Struktur von Schwefelsäure

so weist hier das Schwefelatom in der Struktur insgesamt 12 Valenzelektronen auf und damit gegen die Oktettregel verstößt. Nun gibt es zwei Möglichkeiten, die Struktur von Schwefelsäure zu erklären (=> Abiturniveau)

• Man behält die obige Struktur bei, mit zwei Doppelbindungen (S=O). Man erklärt sich dies (wie auch bei Methan oder anderen organischen Stoffen) durch Ausbildung von Hybridorbitalen. So würde in diesem Fall nicht nur die s und p-Orbitale des Sauerstoff- bzw. Schwefelatoms zur Verfügung stehen, sondern auch das 3d-Orbital von Schwefel. Theoretisch wäre damit die Ausbildung zweier π-Bindungen zwischen dem S- und O-Atom möglich. Was dafür spricht: Die SO-Bindungen sind unterschiedlich lang, die Bindung zu den OH-Gruppen ist deutlich länger. Dies spricht für einen  π-Bindungseinfluss zwischen dem S-Atom und den in der obigen Struktur vertikal orientierten O-Atomen. Was dagegen spricht: Die Hybridisierung mit dem d-Orbital ist energetisch sehr gering bzgl einer Überlappung und würde (wahrscheinlich) nicht ausreichen, um die  π-Bindung zu “realisieren”.

• Die andere Möglichkeit einer Strukturerstellung von Schwefelsäure ist die Darstellung mit Hilfe von mesomeren Grenzstrukturen, wie in der Sekundarstufe 1 gelernt. Allerdings haben wir dann das Problem, dass in der (ersten) mesomeren Grenzstruktur alle S-O-Bindungen gleich sind, was niemals der Fall sein kann.Aber, es gibt eine weitere mesomere Grenzstruktur, die sich vom Sulfation ableitet. In dieser Grenzstruktur haben sind alle Grundprinzipen, die im Schulunterricht gelernt wurde, erfüllt.

Darstellung mit Hilfe von mesomeren Grenzstrukturen

Schwefelsäure – Testfragen/-aufgaben

1. Was ist die chemische Formel von Schwefelsäure?

Die chemische Formel von Schwefelsäure ist H₂SO₄.

2. Wie lautet der systematische Name von Schwefelsäure?

Der systematische Name ist Dihydrogensulfat.

3. Welche Eigenschaften weist Schwefelsäure auf?

Schwefelsäure zeigt sowohl sauerstoffbildende als auch hydratisierende Eigenschaften.

4. Wie kann Schwefelsäure im Labor hergestellt werden?

Schwefelsäure kann durch die Oxidation von Schwefeldioxid in Gegenwart von einem Katalysator wie Vanadium(V)-oxid hergestellt werden.

5. Wie reagiert Schwefelsäure mit Metallen?

Schwefelsäure ist eine starke Säure, sie reagiert mit Metallen und bildet dabei ein entsprechendes Salz und Wasserstoffgas frei.

6. Welche Gefahren birgt die Handhabung von Schwefelsäure?

Schwefelsäure ist hochkorrosiv und kann zu schweren Verätzungen auf Haut und Augen führen. Außerdem ist sie gesundheitsschädlich beim Einatmen.

7. Welche Rolle spielt Schwefelsäure in der Industrie?

Schwefelsäure wird in großen Mengen in der Industrie als Verarbeitungschemikalie und als Rohstoff für die Herstellung anderer Substanzen verwendet.

8. Wie zeigen sich die dehydrierenden Eigenschaften von Schwefelsäure?

Die dehydrierende Eigenschaft wird zum Beispiel sichtbar, wenn man einen Zuckerwürfel in Schwefelsäure gibt. Die Säure entzieht dem Zucker das Wasser und es bleibt Kohlenstoff übrig.

9. Was passiert, wenn man Schwefelsäure und Wasser mischt?

Die Mischung von Schwefelsäure und Wasser ist stark exotherm, es wird also Hitze frei. Das Wasser sollte immer zu der Schwefelsäure gegeben werden, niemals umgekehrt, um Verätzungen zu vermeiden.

10. Wie wirkt Schwefelsäure auf tierische Gewebe?

Schwefelsäure kann tierische Gewebe einschließlich der menschlichen Haut stark verätzen. Es entsteht eine kohlenstoffhaltige Kruste auf der Oberfläche des Gewebes.