Elemente, Schulbuch

104 5 GROSSTECHNIsCHE CHEMIE Schwefelsäure Schwefelsäure ist die mit Abstand meisthergestellte Säure. Die Weltproduktion be- trägt weit über 100 Millionen Tonnen jährlich. Herstellung der Schwefelsäure in 3 Schritten 1. Schritt: Bildung von Schwefeldioxid Die früher gängige SO 2 -Produktion durch Rösten (= Erhitzen unter Luftzutritt, also Verbrennen) von Sulfiden hat heute nur mehr untergeordnete Bedeutung. Wenn Schwefelsäure auf diesem Weg gewonnen wird, dann nur, wenn die Sulfide als Erze für die Metallgewinnung geröstet werden und das dabei als Nebenprodukt entste- hende SO 2 aus ökologischen Gründen verwertet werden kann. Störend wirkt dabei, dass das Röstgas fast immer für den weiteren Prozess schädliche Bestandteile ent- hält (Katalysatorgifte). Diese müssen mit aufwändigen Verfahren abgetrennt wer- den. Rösten anhand des Beispiels von ZnS (Zinkblende, ein bekanntes Zinkerz) ZnS + 1,5 O 2 → ZnO + SO 2 Meist wird SO 2 beim Rösten von sulfidischen Erzen daher als Luftschadstoff durch „Abgasentschwefelung“ abgetrennt und nicht verwertet. Der Rohstoff für die Schwefelsäureproduktion ist in den meisten Fällen also elemen- tarer Schwefel. Dieser kommt in der Natur in unterirdischen Lagerstätten vor und wird vor allem in den USA ähnlich wie Erdöl mittels Bohrtechnik gewonnen. Elemen- tarer Schwefel besteht aus ringförmigen, unpolaren S 8 -Molekülen. Da im Molekül- gitter nur schwache van-der-Waals-Kräfte wirken, liegt sein Schmelzpunkt relativ niedrig (119 °C). Die Bohrtechnik zur Schwefelgewinnung heißt Frasch-Verfahren . Im Bohrloch be- finden sich drei ineinandergeschobene Rohre. In ein Rohr wird überhitzter Wasser- dampf eingeblasen, der den Schwefel in der Lagerstätte aufschmilzt, in ein anderes Druckluft. Durch den so in der Lagerstätte entstehenden Druck wird der Schwefel im mittleren Rohr flüssig nach oben gepresst. Man gewinnt dabei Schwefel mit ho- hem Reinheitsgrad (Abb. 104.3). Eine weitere, heute immer wichtigere Quelle für Elementarschwefel ist die Ent- schwefelung von Erdgas und Erdölprodukten nach dem Claus-Verfahren. Erdöl und Erdgas können in Form von organischen Schwefelverbindungen bis zu 5 % Schwefel enthalten. Dieser muss aus Umweltschutzgründen entfernt werden. Das Verfahren ist keineswegs wirtschaftlich, da der Preis für eine Tonne Erdöl weit höher liegt als für eine Tonne Schwefel. Immer strengere gesetzliche Auflagen sowie der riesen- große Verbrauch an Erdgas und Erdöl machen das Verfahren aber heute zur men- genmäßig wichtigsten Gewinnungsmethode für Schwefel. Beim Claus-Verfahren wird das schwefelhältige Erdölprodukt bei hoher Temperatur über Katalysatoren mit Wasserstoff umgesetzt. Dabei wandeln sich die organischen Schwefelverbindungen in Kohlenwasserstoffe und Schwefelwasserstoff um. Man setzt Schwefeldioxid zu, das mit dem Schwefelwasserstoff zu Wasserdampf und elementarem Schwefel reagiert. Der Elementarschwefel wird abgetrennt, ein Teil davon wird zur SO 2 -Gewinnung verbrannt. Nur bei nicht verdampfbaren Erdölbe- standteilen, wie zB bei schwerem Heizöl, ist eine ausreichende Entschwefelung nach diesem Verfahren nicht möglich. Claus-Verfahren anhand des Beispiels CH 3 SH, einer Schwefelverbindung, die im Erd- gas vorkommt: CH 3 SH + H 2 → CH 4 + H 2 S 2 H 2 S + SO 2 → 2 H 2 O + 3 S S + O 2 → SO 2 2. Schritt: Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid Der für die Weiteroxidation von Schwefeldioxid notwendige Sauerstoff ist im Gas- gemisch aus der Schwefelverbrennung in genügenden Mengen vorhanden, da der Schwefel mit starkem Luftüberschuss verbrannt wird. Festpunkt 10,4 °C Kochpunkt 279,6 °C Dichte 1,83 g/cm 3 Abb. 104.1: Eigenschaften der Schwefelsäure H 2 SO 4 S SO 2 SO 3 H 2 SO 4 O 2 O 2 H 2 O Schwefellagerstätte Schwefelhältige Erdölprodukte Sulfidische Erze Frasch- Verfahren Claus- Verfahren Rösten Pressluft Wasser- dampf S Dampf Pressluft geschmolzener Schwefel Deckschicht schwefel- hältige Schicht Abb. 104.4: Struktur des Schwefelmoleküls Abb. 104.3: Frasch-Verfahren Abb. 104.2: Schema der Schwefelsäureerzeugung Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv