Die Schwefelsäure ist mit eine der (mengenmäßig) häufigsten produzierten Chemiekalien. Daher gibt es auch viele Herstellungsverfahren für Schwefelsäure, wobei das bekannteste Verfahren das sogenannte Kontaktverfahren ist. Allen Verfahren ist gleich, dass die Herstellung der Schwefelsäure mit der Umsetzung von Schwefel und (Luft)sauerstoff beginnt. Die Schwefelsäure ist eine sehr starke Säure (bzw. die Schwefelsäure gehört zu den stärksten Brönstedt-Säuren) mit der Summenformel H2SO4.
In diesem Kapitel wollen wir die Schwefelsäure unter dem Aspekt der Säure-Base-Chemie betrachten. Daher zu Beginn nur zusammenfassend die Eigenschaften von Schwefelsäure. Bei Schwefelsäure handelt es sich um eine farblose, viskose (ölartige) Flüssigkeit. Aufgrund ihrer Zusammensetzung zählt man die Schwefelsäure zu den anorganischen Säuren (genauer gesagt zählt man Schwefelsäure zu den Mineralsäuren. Konzentrierte Schwefelsäure ist auch ein starkes Oxidationsmittel.
Konzentrierte Schwefelsäure ist sehr stark hygroskopisch, dass heisst, sie zieht Feuchtigkeit an (aus der Luft oder von anderen Stoffen). “Vermischt” sich Wasser mit Schwefelsäure findet eine starke Wärmeentwicklung statt, die soweit führen kann, dass das Wasser siedet. Konzentrierte Schwefelsäure ist ebenfalls ein sehr gutes Oxidationsmittel.
Die Schwefelsäure als Säure
Konzentrierte Schwefelsäure ist eine sehr starke Säure und darüber hinaus noch ein starkes Oxidationsmittel. Das heiße Schwefelsäure mit edlen Metallen wie Kupfer oder Silber reagieren kann, liegt nicht daran, dass das Proton mit dem Metall reagiert. Konzentrierte, erhitzte Schwefelsäure löst bzw. oxidiert Kupfer oder Silber und wird dabei selbst zu Schwefeldioxid reduziert. Die Schwefelsäure reagiert in diesem Fall also nicht als klassische Brönsted-Säure, deren Proton mit dem Edelmetall reagiert (dies wäre aus sich des elektrochemischen Potentials auch nicht möglich, den Edelmetalle haben ein positives Standardpotential und H+/H2 liegt bei 0,0 V).
Erstaunlicher ist aber, dass unedle Metalle wie Eisen mit konzentrierter Schwefelsäure nicht bzw. kaum reagieren. Dies liegt daran, dass -wie oben beschrieben- die konz. Schwefelsäure oxidierend wirkt und die obere Schicht des Metalls oxidiert. Dadurch bildet sich auf dem Metall eine Schutzschicht (=> Passivierung), so dass das Proton mit dem unedlen Metall nicht reagiert.
Betrachten wir nun verdünnte Schwefelsäure, so wirkt diese nicht oxidierend und kann daher nicht mit Edelmetallen reagieren. Unedle Metalle wie Eisen reagieren hingegen mit verdünnter Schwefelsäure. Durch die Reaktion des Protons der Schwefelsäure mit dem Metall bildet sich das Metallsalz und Wasserstoff (gemäß dem Standardpotential, das Proton wird zu Wasserstoff reduziert und das unedle Metall (mit dem negativen Standardpotential) wird oxidiert).
Oft stellt sich die Frage, wie Schwefelsäure als Säure reagiert bzw. reagieren kann. Bei Schwefelsäure handelt es sich um eine zweiprotonige Säure, d.h. in wässrigen Lösungen kann ein Schwefelsäure-Molekül bis zu zwei Protonen abgeben. Daher bildet Salzsäure Hydrogensulfate (HSO4) und Sulfate (SO4). Schwefelsäure -im ersten Protolyseschritt- ist eine sehr starke Säure (pKs-Wert bei -3), während die einfach deprotonierte Schwefelsäure (das Hydrogensulfat-Ion) bereits “nur” noch eine mittelstarke Säure ist mit einem pKs-Wert von ca. 2.
Schwefelsäure wird als starke Säure bezeichnet, weil sie in wässriger Lösung vollständig zu H+ und SO42- Ionen dissoziiert.
Schwefelsäure reagiert mit Metallen unter Bildung von Hydrogensulfat und Wasserstoffgas. Bei dieser Reaktion agiert Schwefelsäure als Säure indem sie Wasserstoffionen auf das Metall überträgt.
Schwefelsäure ist ein diprotisches Molekül, weil sie zwei Protonen abgeben kann. Das heißt, sie kann in zwei Schritten dissoziieren, wobei sie jeweils ein Proton abgibt.
Da Schwefelsäure eine starke Säure ist, liegt der pH-Wert einer konzentrierten Schwefelsäurelösung unter 1.
Bei Verdünnung einer Schwefelsäurelösung steigt der pH-Wert an. Dies liegt daran, dass es weniger H+-Ionen pro Volumeneinheit gibt.
Mit Basen reagiert Schwefelsäure unter Bildung von Wasser und einem Salz. Dabei agiert Schwefelsäure als Protonendonator (Säure) und die Base als Protonenakzeptor.
Wenn Schwefelsäure und Natriumhydroxid reagieren, entsteht Wasser und Natriumsulfat. Dies ist eine typische Neutralisationsreaktion, bei der die Säure und Base einander neutralisieren.
Ja, Schwefelsäure ist in Wasser vollständig mischbar und löst sich in jeglichen Verhältnissen.
Schwefelsäure kann sich in der Atmosphäre bilden und zu saurem Regen führen. Wenn Schwefeldioxid (SO2) und Wasserdampf in der Atmosphäre aufeinandertreffen, können sie zu Schwefelsäure (H2SO4) reagieren.
Die Lewis-Formel für Schwefelsäure zeigt, dass das Schwefelatom mit vier Sauerstoffatomen verbunden ist. Zwei der Sauerstoffatome sind mittels einfacher Bindungen verbunden, die anderen zwei mittels Doppelbindungen. Zusätzlich sind zwei Hydrogenatome an die einzelbindenden Sauerstoffatome gebunden.