Darstellung von Schwefelsäure nach dem Kontaktverfahren

In diesem Lehrerversuch wird Schwefelsäure nach dem Kontaktverfahren dargestellt. Pyrit (FeS₂) wird durch den Sauerstoff der Luft unter Bildung von Schwefeldioxid (SO2) oxidiert. SO2 wird katalytisch durch Einsatz von Mangan(IV)-Oxid weiter zu Schwefeltrioxid (SO₃) oxidiert. Ein Teil dieses Gases setzt sich nach Einleiten in Wasser zu Schwefelsäure (H2SO4) um. Die Schwefelsäure kann durch Fällung des Sulfat-ions in angesäuerter Bariumchlorid-Lösung nachgewiesen werden.

Verbrennungsrohr mit zwei durchbohrten Stopfen, 2 Waschflaschen, Stative mit Klemmen und Muffen, Gasbrenner, Schlauchschellen, Verbindungsschläuche, Spatel, Feuerzeug, Glaswolle

Pyrit (FeS₂), Bariumchlorid-Lösung c(BaCl₂) = 0,1 ^mol/_L, verdünnte Salzsäure c(HCl) = 2 ^mol/_L, Mangan(IV)-Oxid Katalysator (Braunstein)

In ein etwa 30 cm langes Verbrennungsrohr wird ein Pfropfen Glaswolle gegeben. Auf der einen Seite der Glaswolle wird ein etwa 5 cm langer Streifen Pyrit angehäuft, auf der anderen Seite etwa 3 cm Mangan(IV)-oxid Katalysator. Neben den Katalysator wird erneut etwas Glaswolle gegeben, bevor das Verbrennungsrohr an beiden Seiten mit durchbohrten Stopfen verschlossen wird. Über zwei Waschflaschen wird das Verbrennungsrohr an das Vakuum (alternativ ist auch die Verwendung einer Wasserstrahlpumpe möglich) angeschlossen. Die erste Waschflasche ist leer, in der zweiten befindet sich Wasser, angefärbt mit Universalindikator. Vakuum wird gezogen.

Pyrit wird kräftig mit dem Gasbrenner erhitzt, nach etwa 2 Minuten wird auch der Katalysator erhitzt. Nach etwa 15 Minuten wird eine Probe von 4 mL aus Waschflasche zwei entnommen und mit 2 mL Salzsäure und 2 mL Bariumchlorid-Lösung versetzt. Der detaillierte Aufbau ist in den Abbildungen dargestellt.

Pyrit beginnt zu glühen. In der ersten Waschflasche bildet sich weißer Rauch. Die Lösung in Waschflasche zwei verändert ihre Farbe (orange zu rosa). Bei der Probe aus Waschflasche zwei kann nach Versetzen mit salzsaurer Bariumchlorid-Lösung ein weißer Niederschlag beobachtet werden.

Pyrit wird durch den Sauerstoff der Luft unter Bildung von Schwefeldioxid oxidiert:

4 FeS_{2 (s)} + 11 O_{2 (g)} → 2 Fe₂O_{3 (s)} + 8 SO_{2 (g)}

Am Mangan(IV)-oxid-Katalysator wird Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid oxidiert:

2 SO_{2 (g)} + O_{2 (g)} ⇆ 2 SO_{3 (g)}

Bei dieser Reaktion liegt ein Gleichgewicht vor. Da die Reaktion von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid exotherm verläuft, wird sie durch niedrige Temperaturen begünstigt. Niedrige Temperaturen wirken sich jedoch negativ auf die Reaktionsgeschwindigkeit aus, daher wird an dieser Stelle ein Katalysator eingesetzt. Schwefeltrioxid kann als weißer Rauch in Waschflasche eins beobachtet werden. Ein Teil des Gases setzt sich beim Einleiten in Wasser zu Schwefelsäure um:

SO_{3 (g)} + H₂O _(l) → H₂SO_{4 (aq)}

Sulfationen lassen sich mit Bariumionen fällen. Bariumsulfat ist als weißer Niederschlag sichtbar.

SO₄^2- _(aq) + Ba²⁺_(aq) → BaSO_{4 (s)} ↓

Die Bariumchlorid-Lösung wird durch Zugabe von Schwefelsäure in Bariumsulfat überführt und abfiltriert. Die Entsorgung erfolgt im Schwermetallbehälter (Feststoffe). Die sauren Lösungen können im Anschluss neutralisiert und im Ausguss entsorgt werden. Der Katalysator ist wiederverwendbar. Die Pyritreste werden zum Feststoffabfall gegeben.

Glöckner, W., Jansen, W., Weissenhorn, R.G. (Hrsg.), Handbuch der experimentellen Chemie. Sekundarbereich II. Band 1. Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoffgruppe. Aulis Verlag Deubner. Köln (2002).

Häusler, K., Rampf, H., Reichelt, R., Experimente für den Chemieunterricht mit einer Einführung in die Labortechnik. Oldenburg Verlag. München (1991).