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Fachbereichsarbeit

Die Schwe­fel­säure - Eigen­schaf­ten, Vorkommen und Herstel­lung

1.460 Wörter / ~9 Seiten sternsternsternsternstern_0.25 Autorin Jan K. im Nov. 2011
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Fachbereichsarbeit
Chemie

Universität, Schule

NBS Rottweil

Note, Lehrer, Jahr

2009, Herr Rupp

Autor / Copyright
Jan K. ©
Metadaten
Format: pdf
Größe: 0.37 Mb
Ohne Kopierschutz
Bewertung
sternsternsternsternstern_0.25
ID# 10979







Chemie GFS: Die Schwefelsäure

 

Inhaltsverzeichnis:

1. Eigenschaften S. 2

2. Vorkommen S. 2-3

3. Herstellung S. 3-4

4. Verwendung S. 4-5

5. Versuch zur Leitfähigkeit S. 6-7

6. Versuch: Schwefelsäure und Zucker S. 7

7. Eigene Meinung zum Thema S. 8

8. Quellen S. 8-9

9. Selbstanfertigungszeugnis S. 9

 

1. Eigenschaften

Schwefelsäure ist eine farblose, geruchlose, ölige Flüssigkeit, die zu den anorganischen Säuren gezählt wird. Die Schmelztemperatur liegt bei ca. 10°C und der Siedepunkt bei 338°C. Schwefelsäure, chemisch H2SO4, besitzt die hohe Dichte von ca. 1,84 g/cm3 und wirkt, wie die meisten Säuren stark ätzend. Schwefelsäure hat eine weitere wichtige Eigenschaft: Sie ist hygroskopisch. Hygroskopisch bedeutet „Wasser entziehend“. Dieser Wasserentzug führt zur Zerstörung von organischen Stoffen.

Schwefelsäure bildet unter Reaktion mit Metallen, Metalloxiden oder Metallhydroxiden Salze. Mit Wasser ist sie in jedem beliebigen Verhältnis mischbar, dabei kommt es zu starker Wärmebildung. Aus diesem Grund darf Schwefelsäure, falls sie auf die Haut gelangt ist, nicht abgewaschen werden, da sonst schwere Verbrennungen entstehen. In diesem Fall sollte Schwefelsäure lediglich mit einem trockenen Tuch abgetupft werden. Interessant ist, dass nur die verdünnte Schwefelsäure den elektrischen Strom leitet und dies am besten bei einem Schwefelsäureanteil von ca. 12,5%. Konzentrierte Säure dahingegen leitet kaum. Immer wenn von konzentrierter Schwefelsäure die Rede ist, wird nicht von 100 prozentiger Säure gesprochen, sondern von Schwefelsäure mit mindestens 0,4% Wasseranteil (je nach Verfahren), denn ganz reine Schwefelsäure herzustellen ist nicht möglich.

 

2. Vorkommen

In der Natur kommt verdünnte Schwefelsäure in Form von sogenanntem „Saurem Regen“ vor. Dieser entsteht durch Luftverschmutzung, die beim Verbrennen von Holz, Kohle oder Erdöl entsteht. Diese Materialien werden fossile Brennstoffe genannt und enthalten Schwefel, der bei der Verbrennung zu Schwefeldioxid reagiert. Durch den in der Luft vorhandenen Sauerstoff oxidiert dann das Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid, welches unter Verbindung mit Wasser (Regen), zu verdünnter Schwefelsäure reagiert. Der saure Regen schädigt aufgrund seiner ätzenden Eigenschaft unsere Wälder und hinterlässt seine Spuren auch an Bau- und Kunstwerken.

 

                                  

Waldsterben                                                  Schaden an Kunstwerken

 

 

3. Herstellung

In der Vergangenheit war die Menge der hergestellten Schwefelsäure ein Indikator für den Industrialisierungsgrad eines Landes. Das ist heute nicht mehr so, doch Schwefelsäure ist als „Schlüsselchemikalie“ unentbehrlich geworden. Sie ist Grundstoff der chemischen Industrie und wird in fast jedem Produktionsprozess entweder direkt oder indirekt eingesetzt: Es lässt sich sagen, dass nahezu jedes chemisch hergestellte Produkt zumindest einmal in Kontakt mit Schwefelsäure war.

Schwefelsäure ist schon über ein Jahrhundert lang die meist hergestellte anorganische Säure der chemischen Industrie. Weltweit liegt die Jahresproduktion bei fast 200 Millionen Tonnen, davon entfallen auf Deutschland ca. 5 Millionen Tonnen.

Die Grundlage der Herstellung von Schwefelsäure ist, wie bereits erwähnt, die Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid, welches dann durch Zugabe von Wasser die so wichtige Schwefelsäure bildet. Für die Oxidation gibt es drei verschiedene Verfahren, einmal das modernere „Kontaktverfahren“ und das noch umweltfreundlichere „Doppelkontaktverfahren“ und das ältere „Bleikammerverfahren“.

Beim Kontaktverfahren wird Schwefel im Verbrennungsofen zu Schwefeldioxid verbrannt. Später im Kontaktofen mithilfe von Vanadiumoxiden bei einer Temperatur von 500°C oxidiert, sodass Schwefeltrioxid als Produkt entsteht. Schwefeltrioxid wird dann im Zwischenabsorber in konzentrierte Schwefelsäure eingeleitet, da es mit Wasser nur schwer reagiert. Anschließend wird Wasser im Endabsorber in beliebigem Verhältnis eingeführt.

Beim Doppelkontaktverfahren sind alle Schritte identisch, nur dass das nach der Zwischenabsorption verbleibende Restgas nochmals über eine Kontaktschicht geleitet wird. Dadurch erreicht man eine Umsetzung des Schwefeldioxids von bis zu 99,6% und es ist umweltschonender, da das Gas nicht einfach in die Luft geblasen wird.

Das etwas veraltete Bleikammerverfahren dagegen funktioniert so ähnlich wie das Kontaktverfahren, bis auf den Katalysator bei der Oxidation, hier sind dies Stickstoffoxide und es wird bei einer Temperatur von ca. 80°C oxidiert.

Die zu erreichende Säurekonzentration beim Kontaktverfahren liegt bei ca. 96%. Diese ist höher als die beim Bleikammerverfahren, dort sind es nur 78%. Doch heutzutage wird das Doppelkontaktverfahren bevorzugt, da es wie gesagt noch umweltfreundlicher und effektiver (99,6% Säure) ist als das Kontaktverfahren.

 

 

 

4. Verwendung

 

Schwefelsäure wird teilweise, wie bereits erwähnt, als Ausgangsstoff aber auch als Hilfsmittel zur Herstellung von anderen Produkten verwendet. Knapp 2/3 der produzierten Schwefelsäure wird zur Herstellung von Düngemitteln und Sulfaten verwendet und bilden somit eine der Grundlagen für eine ausreichende Ernährung der Weltbevölkerung.

Des Weiteren dient konzentrierte Schwefelsäure als Trocknungsmittel. Sie wird beispielsweise zum Trocknen von Gasen verwendet, da sie stark wasserentziehend wirkt. Auch zum Aufschließen von Erzen und Metallen wird Schwefelsäure benötigt oder auch zum Verchromen von Werkzeug.

Ebenso in der Kosmetik, sowie bei den Malern ist Schwefelsäure immer im Einsatz: Sie ist zur Herstellung von vor allem hellen Farben nötig.

In geringeren Dosen trägt die Säure zur Gesundheit des Menschen bei, z.B. als Bestandteil mancher Medikamente.

Weitere Einsatzgebiete sind zum einen in der Papierherstellung (Pergamentpapier), bei der Reinigung von Erdöl und Erdgas, in der Glasfabrikation, bei der Herstellung von Sprengstoffen, aber auch bei der Produktion von Tensiden und Weichmachern, welche wiederum im Prozess der Kunststoffherstellung benötigt werden.

Und ebenso wird sie als Katalysator zum Beschleunigen einer Reaktion eingesetzt. Zu guter Letzt wird sie als Bestandteil von zwei alltäglichen Dingen benötigt: Für die Herstellung von Waschmittel, wobei Schwefelsäure hier einen der Rohstoffe bildet. Ebenso im Kraftfahrzeugbereich, um genau zu sein als Flüssigkeit in der Autobatterie. Hier wird die Eigenschaft der Leitfähigkeit der Schwefelsäure genutzt: Die verdünnte Säure lässt den Strom zwischen Plus- und Minuspol fließen, das ermöglichen die in verdünnter Schwefelsäure vorhandenen Ionen.

 

 

5. Versuch zur Leitfähigkeit

 

Es werden acht Bechergläser à 100 ml durchnummeriert. Glas Nummer eins wird mit 50 ml konzentrierter Schwefelsäure gefüllt. Die Gläser 2-7 jeweils mit 25 ml destilliertem Wasser gefüllt. Nun werden 25 ml des Becherglasinhaltes aus Glas 1 in Glas 2 geschüttet, dann wiederum 25 ml von Glas 2 in Glas 3 und so weiter. Danach wird an alle Gläser mit Hilfe von Platinenelektroden (Abstand zueinander ca. 2 cm) eine Spannung von 4 Volt angelegt und die jeweilige Stromstärke mit einem Amperemeter gemessen. Die ermittelten Werte werden erfasst und in ein Diagramm eingetragen.

 

In diesem Diagramm wird die Entwicklung der Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Konzentration der Schwefelsäure beschrieben. Auffällig ist das Maximum bei einem Säureanteil von ca. 12,5%. Ist die Säure konzentrierter, so sinkt die Leitfähigkeit. Bei weiterem Verdünnen mit Wasser sinkt die Leitfähigkeit ebenfalls. Doch wie kann das sein? Die messbare elektrische Leitfähigkeit setzt voraus, dass sich in den verschiedenen Gläsern Ionen befinden, die den Strom leiten. Schwefelsäure besteht hauptsächlich aus Molekülen mit der Formel H2SO4. In konzentrierter Schwefelsäure sind kaum Ionen vorhanden, daher weist sie kaum elektrische Leitfähigkeit auf, sondern nur in Verbindung mit Wasser. Schwefelsäure bildet in Wasser, wie jede Säure, Wasserstoffionen und Säurerestionen, die dann letztendlich die Leitfähigkeit ermöglichen. Vor dem Hochpunkt bei 12,5% Säureanteil – also bei höherem Säureanteil, kann die Säure nicht komplett mit Wasser zu Ionen zerfallen, da zu wenig Wasser vorhanden ist. Bei einer Konzentration von 12,5% an Schwefelsäure jedoch, ist die Anzahl der Ionen am höchsten und somit auch die Leitfähigkeit. Nach weiterer Verdünnung mit Wasser nimmt die Leitfähigkeit von Glas zu Glas wieder ab, da nun zu viele Wassermoleküle vorhanden sind, aber zu wenige Schwefelsäuremoleküle.

 

ACHTUNG: Beim Versuch ist Vorsicht geboten. Beim Mischen von Wasser und Schwefelsäure gilt nicht umsonst: „Zuerst das Wasser, dann die Säure, sonst geschieht das Ungeheure“. Denn wenn man das Wasser zur Säure gibt, kommt es zu so großer Erwärmung, dass Wasser- und Säuretröpfchen herausspritzen und falls die Säure auf die Haut gelangt, verursacht sie schwere Verätzungen.

 

 

6. Versuch: Schwefelsäure und Zucker

Ein Becherglas wird ca. 2 cm hoch mit Zucker gefüllt. Darauf werden ein paar Tropfen Schwefelsäure gegeben, sofort beginnen die beiden Ausgangsstoffe folgendermaßen zu reagieren: Nach der Zugabe von konzentrierter Schwefelsäure beginnt diese langsam mit dem Zucker unter Gasbildung zu reagieren. Erst einmal verfärbt sich der Zucker an ein paar Stellen zuerst braun, dann schwarz, bis letztendlich der ganze Zucker eine schwarze Farbe annimmt. Am Ende des Versuches ist eine deutliche Volumenzunahme sichtbar, denn es hat sich eine Art „Kohlenstoffberg“ gebildet. Bei diesem Versuch reagiert Schwefelsäure unter Abgabe von Wasserstoff mit Zucker zu Kohlenstoff, da die Schwefelsäure dem Zucker sowohl das Wasser als auch den Sauerstoff entzieht. Es wird bewiesen, dass Schwefelsäure so stark hygroskopisch reagiert, dass sie es sogar schafft das Wasser aus dem Zuckermolekül zu reißen. Man kann bei diesem Experiment zusätzlich Wasser als Katalysator einsetzen: Dann wird der Zucker im Vorfeld schon mit Wasser gemischt und erst danach kommt die Schwefelsäure hinzu.

7. Eigene Meinung zum Thema:

 

Ich fand dieses Thema sehr interessant, vor allem die Verwendung von Schwefelsäure.

Ich hätte niemals gedacht, dass sie einem nahezu überall, entweder als Hilfsmittel für ein Produkt oder als Bestandteil eines Produkts begegnet.

 

 

8. Quellen:

Literaturliste:

  •  „Lehrbuch der Chemie“, Diesterweg Sauerländer, 1987
  • „Basislexikon Chemie“, Thieme; 1999
  • „270 chemische Schulversuche“, R. Oldenbourg Verlag und Cornelsen-Vehlhagen,1976
  • „Chemie- Basiswissen Schule“, Duden; 2001
  • „Anorganische und Allgemeine Chemie“, C.C. Buchner, 1978
  • „Grundzüge der Chemie“, Diesterweg Sauerländer, 1978
  • „Prisma Chemie Berufliche Schulen“, Klett; 2008
  • „Prisma NWA Chemie“, Klett; 2005
  • „Fokus Chemie Gymnasium Gesamtband“, Cornelsen, 2007
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    Internetquellen:

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    9. Selbstständigkeitserklärung:

     

    „Ich versichere, dass ich die Arbeit selbständig angefertigt, nur die angegebenen Hilfsmittel verwendet und alle Stellen, die dem Wortlaut oder dem Sinn nach anderen Werken entnommen sind, durch Angabe der Quellen als Entlehnung kenntlich gemacht habe."

    Quellen & Links

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