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Schwefelsäure - 2.Version - Referat
Schwefelsäure-Referat
1. VORKOMMEN
Mit einem Anteil von 0,048% steht Schwefel an 15. Stelle der Elementhäufigkeit. H2So4 hat kein natürliches Vorkommen. In der Natur kommt der Schwefel elementar in mächtigen Lagerstätten z.B. in Sizilien, Polen, Irak, Louisiana, Texas und Mexiko vor. Wichtige Minerale, die Schwefelverbindungen enthalten, sind z.B. Gips (Calciumsulfat), Pyrit (Eisensulfid), Buntkupferkies (Kupfersulfid), Bleiglanz (Bleisulfid), Zinkblende (Zinksulfid) oder Zinnober (Quecksilbersulfid). Größere Mengen Schwefel sind auch in den fossilen Brennstoffen Erdöl und Kohle enthalten. Erdgas ist oft mit Schwefelwasserstoff (H2S) verunreinigt. Schwefelverbindungen finden sich auch in den Aminosäuren, Coenzymen und im Vitamin B pflanzlicher und tierischer Organismen.
2. Eigenschaften
Schwefelsäure ist der farblose und ölige Flüssigkeit. Sie ist wasserlöslich, also in jedem Verhältnis mischbar. Sie ist stark hygroskopisch, d.h. sie zieht Feuchtigkeit aus der Luft an. Konzentrierte Schwefelsäure wirkt hygroskopisch und kann deshalb zum Trocknen von Gasen und Flüssigkeiten eingesetzt.
Im Labor wird sie auch zum Trocknen von Gasen (Intergasen) verwendet. Danach enthält die Säure lediglich ein klein wenig mehr Wasser als zuvor. Schwefelsäure darf auf gar keinen Fall in die Hände von Kindern gelangen. Schwefelsäure ist ätzend, verursacht schwere Verätzungen. Sie ist eine Säure mit starker Reizwirkung, bei Konzentrationen weniger als 10% ist eine Verätzung möglich, bei Konzentrationen mehr als 10% ist die Verätzung wahrscheinlich. Aber 100%ige Schwefelsäure hat keine Ätzwirkung solange kein Wasser in der Nähe ist. Es ist unbedingt Augen-und Handschutz zu tragen.
Säure auf der Haut sollte mit einem trockenen Lappen abgewischt und dann mit viel Wasser nachbehandelt werden. Sonst bildet sie auf der Haut sehr tiefe, schlecht heilende und oft eitrige Wunden. Bei Berührung mit den Augen gründlich mit Wasser abspülen und den Arzt konsulieren. Im Magen verursacht sie lebensgefährlich Verätzungen.
Beim Vermischen mit Wasser darf sie nur in das Wasser eingegossen werden.
Wichtig ist, dass man niemals Wasser zu einer Säure gibt, da es sonst zu einer explosionsartigen Verdampfung des Wassers kommen kann.
Der entstehende Druck kann die Säure meterweit durch den Raum und im schlimmsten Fall jemandem in die Augen spritzen. Eselsbrücke dazu: Zuerst das Wasser, dann die Säure, sonst geschieht das Ungeheure!
Schwefelsäure zählt zu den Mineralsäuren und gehört zu den 20 wichtigsten Chemikalien der chemischen Industrie. Als Lebensmittelzusatzstoff hat sie die Nummer E 513. die Moleküle der Schwefelsäure haben ein starkes Dipolmoment, dessen positivre Pol beim Schwefel liegt. Schwefelsäure ist eine ausgesprochen billige Substanz. In technischer Qualität kann man sie zum Gebrauch im Labor schon für etwa 11 € Euro Liter kaufen.
Konzentrierte Schwefelsäure zerstört organische Stoffe wie Zucker oder Baumwollgewebe. Gint man i einem Becherglas konzentrierte Schwefelsäure auf Traubenzcker, entzieht sie dem Kohlenhydrat Wasserstoff und Sauerstoff, so dass nur noch das Kohlenstoffgerüst, so dass nur noch das Kohlenstoffgerüst des Zuckers zurückbleibt. Man erhält nach einer Weile eine stark aufgeblähte, schwarze Masse.
Klinik:
Haut: Schwarzfärbung der Haut. Bei Konzentrationen über 10% sind Verätzungen 1-3. Grades zu Erwarten.
Atemtakt: Schleimhautirritationen, Bronchospasmus, Lungenödem, chemische Pneumonitis, Veränderungen der Lungenfunktion sind messbar.
Augen: Lidkrampf, Entzündungen von Bindehaut und Hornhaut mit Nekrosen und Narbenbildung. Später eventuell Hornhautulcera mit Perforation.
Magen, Darm: Erbrechen (blutig), Verätzungen 1.-3. Grades mit Entzündungen, Nekrosebildung. Schock, Glottisödem mit Ateminsuffizienz, Perforation.
Hämolyse, metabolische Azidose, Nierenversagen, Lebernekrosen..
3. Gewinnung
Schwefelsäure wird nach dem Vitriolverfahren und dem Bleikammerverfahren (beide historisch), dem Kontaktverfahren oder dem Doppelkontaktverfahren hergestellt.
3.a. Vitriolverfahren:
Das älteste Verfahren zur Herstellung der sehr begehrten Schwefelsäure ist das Vitriol-
verfahren, das im 13.Jahrhundert von Alchemisten aufgefunden wurde. Vitriol ist die veraltete Bezeichnung für die kristallwasserhaltigen Sulfate (Schwefelsalze) von zweiwertigen Metallen. Diese Sulfate sind relativ leicht thermisch zu zersetzen.
Grüner Vitriol (Eisensulfat) FeSO4· 7 H2O
Blauer Vitriol (Kupfersulfat) CuSO4· 5 H2O
Weißer Vitriol (Zinksulfat) ZnSO4· 5 H2O
Johann Rudolph Glauber (1604-1670) hat die Schwefelsäurebildung erforscht
und auch Salzsäure, Salpetersäure und Scheidewasser aus Schwefelsäure hergestellt.
Er konstruierte die erste Schwefelsäure-Manufaktur der Welt, die um 1650 in Nord-
hausen (Harz) nach diesem Verfahren Schwefelsäure herstellte.
Die Nordhäuser Produktionsstätte blieb über 200 Jahre Weltmarktführer.
Anschließend konnte man die Schwefelsäure aus Schwefeltrioxid durch Umsatz
mit heißem Wasser herstellen. Es war die Reaktion eines Anhydrids mit Wasser.
Anhydridhydrolyse:
SO3 + H2O ---- H2SO4
Bleikammerverfahren
Etwa 100 Jahre später begannen die Engländer in Birmingham mit der
Schwefelsäureproduktion. Da es auf Britannien keine Vitriolvorkommen gab, importierte man Schwefel aus
Sizilien und verbrannte ihn zu Schwefeldioxid .
S + O2 SO2
Die Weiteroxidation zu SO3 gelang mit Hilfe von Salpeter
Das Bleikammerverfahren wurde dann durch Gay Lussac , Glover u.a. weiterentwickelt.
Die Glaskolben ersetzte man durch Kammern, die mit Blei ausgeschlagen waren, dem einzigen Gebrauchsmetall, das den hier auftretenden, sehr aggressiven Dämpfen und der Schwefelsäure widersteht, da es sich mit einer Schutzschicht aus Bleisulfat überzieht. Die umständliche Salpeterzugabe vermied man, als man bemerkte, dass auch Stickstoffdioxid das Schwefeldioxid oxidiert. Dabei wird es selbst zum Monoxid reduziert und reagiert sofort wieder mit dem Luftsauerstoff zum Dioxid und wiederholt den Prozess: Dadurch wird das Schwefeldioxid durch den Luftsauerstoff weiteroxidiert und die nitrosen Gase wirken dabei als Katalysatoren.
3.2. Kontaktverfahren
1.In einem Verbrennungsofen wird reiner Schwefel (S) mit Luftsauerstoff (O2 ) verbrannt, dabei entsteht duch Oxidation Schwefeldioxid (SO2 ).
S + O2 ----- SO2
Schwefel + Sauerstoff Schwefeldioxyd
Schwefeldioxid wird durch einen Abhitzekessel mit Wasser gekühlt (der dabei entstehende Dampf dient zu weiteren Energieversorgung der Anlage) und in den Kontaktofen geleitet.
2.Dort wird das entstandene Schwefeldioxid mit Sauerstoff bei einer Temperatur von 440°C weiter oxidiert, dabei entsteht Schwefeltrioxyd (SO3 ):
2 SO2 + O2 ----- 2SO3
Schwefeldioxyd + Sauerstoff Schwefelsäure
Nun gelangt das Gemisch in den so genannten Kontaktofen. Dieser enthält Vanadiumoxid (V2O5 ) als Katalysator, das auf mehreren porösen Böden fein verteilt aufgetragen ist.( Die Böden mit Vanadiumoxyd dienen zur Beschleunigung der Reaktion). Damit das SO3 nicht wieder in SO2 zerfällt, muss es in einem Wärmetauscher nochmals gekühlt werden. Das Verhältnis des Gasgemisches Schwefeldioxid : Sauerstoff beträgt 1:2
Anschließend kühlt man das Gas auf 70°C ab und leitet es in Absorptionstürme. Hier wird Schwefeltrioxyd in konzentrierter Schwefelsäure gelöst, da die Reaktion mit Wasser zu langsam verläuft.
Diese Lösung von Schwefeltrioxyd in Schwefelsäure wird als Oleum oder rauchende Schwefelsäure bezeichnet. Durch Zugabe von Wasser erhält man hieraus als Produkt konzentrierte Schwefelsäure.
SO3 + H2 O H2SO4
Schwefeltrioxyd + Wasser Schwefelsäure
Das war das Kontaktverfahren. Aber das Restgas enthält noch etwa 5% Schwefeldioxyd giftig ist und zur Bildung des sauren Regens beträgt, darf es nicht in die Luft gelangen. Heute wird das Doppelt-Kontaktverfahren benutzt, da es umweltfreundlicher ist. Dort wird das Restgas noch einmal in Wärmetauschern erhitzt und in einen weiteren Kontaktofen geleitet. Dadurch erhöht sich der Umsatz des Schwefeldioxyds auf insgesamt 99,5%. Das Abgas ist damit weitergehend frei von diesem umweltschädlichen Stoff.
4. Salze und Ester
Ihre Salze heißen Sulfate, ihre sauren Salze (Ester) Hydrogensulfate. Die salzartigen Sulfate enthalten das Sulfat-Ion (SO4 ²- ).
Wichtige Sulfate
Kupfersulfat, Calciumsulfat (Gips) (LaSO4 ), Bariumsulfat (Baryt) (BaSO4 ). Alaum, Aluminium, Eisensulfat.
Einige von ihnen enthalen Kristall eingeschlossenes Wasser.
Calciumsulfat ist Gips. Beim „Brennen“, d.h. längerem Erhitzen, verliert Calciumsulfat einen Teil seines Kristallwassers und zerfällt dabei zu Pulver. Gips dient in der Bauindustrie als Stuckgips zum Verputzen der Innenwände. Modelliergips bindet besonders schnell ab. Er ist geeignet, um Gipsabdrücke, z.B. von Zähnen, herzustellen.
Bariumsulfat :Weil es für Röntgenstrahlen undurchlässig ist, wird es in der Medizin als Kontrastmittel beim Röntgen der Verdauungswege benutzt: Eingenommener Bariumsulfatbrei hilft dem Arzt, die sonst schwer zu erkennenden Umrisse des Magens oder des Darms auf dem Bildschirm bzw. einer Röntgenaufnahme sichtbar zu machen.
5. Bedeutung und Verwendung Schwefelsäure ist eine der am häufigsten produzierten Chemikalien. 1997 wurden weltweit mehr als 130 Millionen Tonnen hergestellt. Die Anwendungsmöglichkeiten sind sehr vielfältig. Man verwendet Schwefelsäure
· zum Aufschließen von Erzen(beispielsweise beim TiO2- oder dem Uranaufschluss)
· für die Herstellung von Sulfaten
· für die Herstellung von anderen Säuren (beispielsweise Fluorwasserstoffsäure oder Phosphorsäure)
· zur Herstellung von Düngemitteln (als Phosphataufschluss, Kaliumsulfat)
· für die Herstellung von Tensiden
· als Katalysator
· zur Metallbehandlung
· als Trockenmittel
· als Reaktionshilfsmittel (Nitriersäure)
· in Autobatterien.
· zum Ätzen von Halbleitern
In der Lebensmittelindustrie wird Schwefelsäure als technischer Hilfsstoff eingesetzt, um modifizierte Stärke und Casein herzustellen und Trinkwasser aufzubereiten. Sie fließt nicht in das Endprodukt ein und ist daher nicht oder nur in Spuren vorhanden, die gesundheitlich unbedenklich sind. In der europäischen Union muss die Schwefelsäure nicht auf der Produktverpackung ausgewiesen werden.
„Saurer Regen“
Der sogenannte „saure Regen“ ist für den nördlichen Erdteilwohl zum größten Umweltproblemen geworden. Heizöl und Kohle enthalten Schwefelverbindungen. Deshalb entweichen mit den Abgasen aus den Schornsteinen der Wohnhäuser und der Kohlekraftwerke große Mengen Schwefeldioxid in die Luft. Dort oxidiert Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid (Hierbei wirkt z.B. Schwermetallstaub als Katalysator). Beide Oxide reagieren mit Luftfeuchtigkeit entsprechend zur schwefligen Säure bzw. zu Schwefelsäure. Die Schadstoffe können in den Wolken über weite Strecken mit transportiert werden und dann mit Regen, Schnee, Nebel oder an Schwebstaub gebunden auf Pflanzen und in den Boden gelangen. Aber nicht nur Folgeprodukte des Schwefels, auch die des Stickstoffs versauern den Regen. In Verbrennungsmotoren (Flugzeug, Bahn, Schiff, LKW, PKW, Motorrad) . aus diesen Stickoxiden entstehen mit Luftfeuchtigkeit ebenfalls Säuren.
Saurer Regen tritt besonders in Ballungsgebieten auf, denn hier konzentrieren sich Fabrikanlagen und Straßenverkehr. Weil die Schadstoffe vom Wind weit fortgetragen werden, bleiben selbst entlegene Gebiete nicht verschont. Der saure Regen greift auch Gebäude an: Durch die Schwefelsäure wandelt sich Kalkstein an der Oberfläche zu Calciumsulfat um, das dann vom Regen ausgewaschen wird; der Kalkstein wird regelrecht zerfressen. Selbst Beton hält dem aggressiven Niederschlag auf Dauer nicht stand.
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