Schwefelsäureherstellung

Schwefelsäureherstellung Übung

• Ekläre die Schritte der Herstellung von Schwefelsäure.

  Tipps

  Warum wird die chemische Reaktion nicht beendet, wenn $SO_3$ mit $H_2O$ reagiert?

  Zuerst müssen die Ausgangsstoffe für die eigentliche Herstellungsreaktion von Schwefelsäure hergestellt werden.

  Lösung

  Schritte der Schwefelsäureherstellung:

  • 1. Herstellung von $SO_2$
  • 2. Oxidation von$SO_2$ zu $SO_3$ durch den Katalysator $V_2O_5$
  • 3. Reaktion von $SO_3$ und $H_2O$ zu $H_2SO_4$
  • 4. $H_2SO_4$ mit $H_2SO_4$ zu Dischwefelsäure
  • 5. Reaktion von Eischwefelsäure und Wasser zu Schwefelsäure.

  Die Herstellung von Dischwefelsäure ist ein wichtiger Schritt, da sich $SO_3$ nur schwer in Wasser löst, jedoch gut in $H_2SO_4$. Die Dischwefelsäure ist sehr gut in Wasser löslich. Durch diesen Zwischenschritt erhält man eine wesentlich höhere Ausbeute, als wenn man versuchen würde, nur $SO_3$ und Wasser zu mischen.

  Verwendung Schwefelsäure zählt zu den wichtigen chemischen Grundstoffen unsere Zeit. Sie wird häufig in großen Mengen mit Hilfe des Kontaktverfahrens hergestellt. Mit Schwefelsäure wird zum Beispiel Düngemittel hergestellt. Auch beim Herauslösen von Mineralien, wie Zinkoxiden oder Titanoxiden, findet die Säure Verwendung. In Bleiakkus befindet sich ebenfalls Schwefelsäure. Sie ist wichtig für den Elektronentransfer innerhalb des Akkus.

• Vervollständige die Reaktionsgleichungen für die Herstellung von Schwefeldioxid.

  Tipps

  Was entsteht beim Rösten von Pyrit?

  Auf der Seite der Ausgangsstoffe müssen genauso viele Atome einer Sorte sein wie auf der Seite der Produkte.

  Lösung

  Viele natürlichen Mineralien, wie zum Beispiel Pyrit, enthalten Schwefel. Auch in Kohle und anderen fossilen Brennstoffen kann Schwefel enthalten sein. Durch starkes Erhitzen oder Verbrennen lösen sich Schwefelatome aus ihren festen Verbindungen und reagieren mit Sauerstoff zu $SO_2$.

  In der Nähe von Vulkanen oder heißen Quellen findet man oft nur leicht verunreinigten Schwefel. Dieser kann direkt abgebaut und verbrannt werden.

• Gib an, wo Schwefel in der Natur vorkommt.

  Tipps

  Bei der Verbrennung von Kohle wird $SO_2$ frei.

  Woraus besteht Muschelkalk?

  Baryt ist ein schwerlösliches Sulfat.

  Lösung

  Reiner Schwefel kann in der Natur gefunden werden. Er wird an Schwefelquellen oder in der Nähe von Vulkanen abgebaut.

  Kohle enthält oft auch kleine Anteile von Schwefel. Da Schwefeldioxid in der Luft zu saurem Regen führen kann, müssen Kohlekraftwerke einen speziellen Filter besitzen, der das Schwefeldioxid daran hindert, in unsere Atemluft zu gelangen.

  Viele Mineralien enthalten Schwefel. Pyrit ($FeS_2$) kennst du schon.
  Weitere Beispiele sind:

  • Zinkblende: $ZnS$
  • Blei(II)-sulfid:$PbS$
  • Baryt: $Ba(SO_4)$

• Benenne die Faktoren, die bei der Reaktion von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid die Ausbeute erhöhen.

  Tipps

  Endotherme Reaktionen werden durch eine hohe Temperatur begünstigt.

  Die Entnahme eines Produktes begünstigt die Synthese von diesem.

  Gase nehmen bei gleicher Temperatur, etwa einen gleich großen Raum ein. Daher gibt die Anzahl der Gasteilchen vor und nach der Reaktion, Aufschluss darüber, wie sich räumliche und thermische Veränderungen auswirken.

  Lösung

  Als chemisches Gleichgewicht folgt die Reaktion dem Prinzip von Le Chatelier (Prinzip vom Kleinsten Zwang):
  Wird auf ein chemisches Gleichgewicht durch Änderung der äußeren Bedingungen (Stoffkonzentration, Druck, Temperatur) ein Zwang ausgeübt, so stellt sich ein neues Gleichgewicht ein, das dem Zwang entgegenwirkt.

  Bei der Verbrennung von $SO_2$ wird Wärmeenergie frei, es ist also eine exotherme Reaktion. Um die Bildung von $SO_3$ zu begünstigen, ist also eine niedrige Temperatur vonnöten. Allerdings würde sich dadurch auch die Reaktionsgeschwindigkeit verringern. Aus diesem Grund wird eine höhere Temperatur genutzt und zusätzlich ein Katalysator, wie Vanadiumpentoxid, eingesetzt. Der Katalysator beeinflusst die Lage des Gleichgewichts dabei nicht, er beschleunigt nur die Reaktion.

  Als weitere Maßnahme wird Sauerstoff ständig nachgeführt, um die Konzentration möglichst hoch zu halten. Schwefeltrioxid wird aus der Reaktion entfernt. Durch diese Maßnahmen wird die Bildung des Produkts begünstigt.

  Da auf Seiten der Edukte nur Gase vorliegen und auf der Seite der Produkte ein Feststoff vorliegt, kann die Ausbeute durch Erhöhung des Drucks gesteigert werden.

• Formuliere die Reaktionsgleichungen mit einem Katalysator am Beispiel des Vanadium-(V)-Oxids.

  Tipps

  Wieviel Sauerstoff fehlt, um aus $SO_2$, $SO_3$ zu machen?

  Was muss mit $V_2O_4$ reagieren, damit am Ende der Reaktion wieder $V_2O_5$ entsteht?

  Lösung

  Die Grundmerkmale von Katalysatoren sind:

  • Es werden neue, ernergieärmere Reaktionswege eingegangen.
  • Die Reaktion wird beschleunigt.
  • Katalysatoren sind selektiv (bestimmte Reaktionen benötigen bestimmte Katalysatoren).
  • Sie liegen nach der Reaktion unverändert vor.
  • Sie verändern die Lage des Gleichgewichts nicht.

  Vanadiumpentoxid: Als Katalysator wird $V_2O_5$ für die Herstellung von Schwefelsäure verwendet. Des Weiteren wird es als Katalysator bei der Rauchgasentschwefelung von Müllverbrennungsanlagen verwendet und ebenfalls als Katalysator in der Emailleherstellung genutzt.

  Trotz dieser nützlichen Verwendungsweisen gilt $V_2O_5$ als giftiger und umweltschädlicher Gefahrenstoff.

• Erkläre die Entstehung von saurem Regen.

  Tipps

  Welche Säure kann aus Schwefeldioxid entstehen, die der Schwefelsäure sehr ähnlich ist?

  Woraus bestehen Regenwolken?

  Lösung

  Saurer Regen ist schädlich für die Natur und Gebäude.

  In der Natur kommt es bei saurem Regen zur Übersäuerung des Bodens. Dadurch sterben viele Pflanzen. Saurer Regen zerstört außerdem viele Denkmäler. Selbst der wetterbeständige Marmor wird von saurem Regen angegriffen.

  Viele Kohlekraftwerke haben deshalb spezielle Filter, die $SO_2$ und viele anderen giftige Abgase filtern.