Herstellung von Schwefelsäure über das Kontaktverfahren

von Marc Ehlers

Thema Von Arrhenius zu Brönsted
Klasse 9-10
Art Lehrerversuch
Schlagworte Kontaktverfahren Lavoisier Nichtmetalle Schwefel

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Ziel des Versuchs In diesem Verusch lernen die SuS ein industrielles Verfahren zur Schwefelsäureherstellung und beziehen dieses auf das Säure-Base-Konzept von Lavoisier.

Vorbemerkung

In diesem Versuch wird Schwefelsäure nach dem Kontaktverfahren aus Pyrit hergestellt. Dabei soll das Säure-Base-Konzept von Lavoisier verdeutlicht werden, um einen Ausgangspunkt auf der Stoffebene zu schaffen, von dem aus die Konzepte von Arrhenius und Brönsted auf Teilchenebene eingeführt werden können.

Die SuS müssen für diesen Versuch wissen, dass es sich bei Schwefel um ein Nichtmetall handelt und das Prinzip eines Katalysators kennen.

Materialien

Quarzrohr, durchbohrte Stopfen, Glasrohre, Waschflaschen, PVC-Schläuche, Wasserstrahlpumpe, Stativmaterialien, Tiegel in Schiffchenform, 2 Gasbrenner

Chemikalien

konz. Schwefelsäure, Mangan(IV)-oxid, dest. Wasser, Pyrit

Gefahrstoffe

Gefahrstoff	H-Sätze	P-Sätze	GHS-Piktogramme
Eisen(II)-sulfid	–	–	–
Schwefelsäure konz.	H314	–
Mangandioxid	H332, H302	–
Universalindikator 0-14	–	–	–
Schwefeldioxid	H331, H314	–
Salzsäure 0,1 M	H290	–

Durchführung

Etwa in der Mitte des Quarzrohres wird ein Stück Glaswolle platziert, die eine Seite wird mit etwa 10 g Mangan(IV)-oxid befüllt und mit einem weiteren Stück Glaswolle verschlossen. Das Glasrohr wird auf zwei Stativklemmen gelegt, aber nicht fest eingespannt. Der Pyrit wird auf einen Tiegel in Schiffchenform gegeben, dieser wird in der linken Seite des Quarzrohres platziert. Die Apparatur wird gemäß Abb.1aufgebaut. Anschließend werden der Pyrit und das Mangan(IV)-oxid bis zur Rotglut erhitzt. Sobald ein rotes Glühen auftritt, wird die Wasserstrahlpumpe geöffnet und eine Sogwirkung erzeugt. Dabei sollte eine Strömungsgeschwindigkeit von etwa 5-7 Bläschen pro Sekundein den Waschflaschen zu sehen sein.

Beobachtung

Die beiden Feststoffe glühen rot. Die Lösung der ersten Flasche färbt sich von gelb zu rot.

Abbildungen

Abb. 1: Versuchsaufbau für die Herstellung von Schwefelsäure über das Kontaktverfahren

Deutung

Der Pyrit wird durch das Erhitzen oxidiert:

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

Durch das angeschlossene Vakuum wird das entstehende Schwefeldioxid durch die Versuchsapparatur gesogen. Das glühende Mangan(IV)-oxid dient als Katalysator für eine Oxidation des Schwefeldioxids zu Schwefeltrioxid:

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

Das Schwefeltrioxid löst sich in dem destillierten Wasser, bei dieser Reaktion entsteht Schwefelsäure:

SO_{3 (g)} + H₂O_(l) → H₂SO_{4 (aq)}

Durch die Entstehung der Schwefelsäure und ihre Dissoziation werden H⁺-Ionen frei. Diese reagieren mit dem Indikator:

H⁺_(aq) + Ind^-_(aq) (gelb) → HInd_(aq) (rot)

Entsorgung

Die konzentrierte Schwefelsäure wird zusammen mit der selbsthergestellten Schwefelsäure in ein Gefäß gegeben und in diesem neutralisiert. Anschließend kann die neutrale Lösung über den Ausguss entsorgt werden. Das restliche Pyrit und das entstandene Eisen(III)-oxid werden in den Feststoffabfall gegeben, Mangan(IV)-oxid wird in verdünnter Salzsäure gelöst und anschließend in den Schwermetallabfall gegeben.

Anmerkungen & Unterrichtsanschlüsse

Der Versuch kann zu Beginn der Unterrichtseinheit von Säure-Base-Konzepten durchgeführt werden. In diesem Zusammenhang kann auf die industrielle Herstellung von Schwefelsäure verwiesen werden.

Literatur

K. Freytag/V. Scharf, et al., Handbuch des Chemieunterrichts Sekundarbereich Band 4/I: Säuren – Basen/Laugen, 2008, S.89