So mischen Sie Schwefelsäure und Wasser sicher

Schwefelsäure (H ₂ SO ₄ ) ist eine der bekanntesten starken Mineralsäuren. Es ist die Oxsäure des Elements Schwefel in seiner höchsten Oxidationsstufe (VI) und stammt aus der Hydratation von Schwefelsäureanhydrid oder Schwefeltrioxid (SO ₃ ). Es ist eine zweiprotonige Säure, deren erste Dissoziation fast vollständig und deren zweite Dissoziation noch relativ stark ist, sodass das Bisulfat-Ion (HSO ₄ ^– ) ein saures Anion ist.

Schwefelsäurelösungen sind in Chemie- und Biologielabors allgegenwärtig, wo sie als chemisches Reagenz, als Katalysator und in einigen Fällen sogar als Mittel zur Reinigung von Labormaterialien verwendet werden. Bei all diesen Anwendungen werden schwefelsaure Lösungen unterschiedlicher Konzentration benötigt, weshalb deren Herstellung in diesen Laboren zu den Routineprozessen gehört.

Allerdings ist es wichtig zu wissen, dass es bei der Zubereitung einer Schwefelsäurelösung nicht nur darum geht, die Säure auf irgendeine Weise mit Wasser zu mischen, da eine falsche Vorgehensweise sehr gefährlich sein und zu einigen schweren Unfällen führen kann.

Warum ist das Mischen von Schwefelsäure mit Wasser gefährlich?

Der Grund, warum das Mischen von Schwefelsäure mit Wasser gefährlich sein kann, liegt darin, dass die chemischen Reaktionen, die bei der Kombination beider Verbindungen auftreten, sehr exotherm sind; das heißt, sie setzen große Mengen an Wärme frei. Die fraglichen Reaktionen bestehen aus der Auflösung der Säure und der Protonierung des Wassers zu Hydroniumionen:

Es kann auch eine zweite Dissoziation auftreten, die jedoch viel weniger wichtig ist als die erste:

Beide Reaktionen sind exotherm, und wenn sie nicht auf kontrollierte Weise durchgeführt werden, kann all diese Wärme die Temperatur der Lösung schnell auf über 100 °C ansteigen lassen, wodurch Wasser entsteht (das einen niedrigeren Siedepunkt als reine Schwefelsäure hat). Dies wiederum erzeugt Spritzer konzentrierter Säure, die in unseren Augen, auf unserer Haut, auf der Kleidung oder auf jeder Oberfläche im Labor landen können.

Wenn dies passiert, können wir sehr schwere Verbrennungen erleiden, da konzentrierte Schwefelsäure alle organischen Stoffe, mit denen sie in Kontakt kommt, fast sofort zerstört oder verkohlt. Wenn es in unsere Augen spritzt, ist es sehr wahrscheinlich, dass wir unser Augenlicht verlieren.

Auch wenn wir durch Pech Tropfen konzentrierter Schwefelsäure einatmen und diese in unsere Atemwege und Lungen gelangen, können Verbrennungen und andere Verletzungen unser Leben gefährden.

Glücklicherweise gibt es eine Möglichkeit, Schwefelsäurelösungen herzustellen, die das Risiko des Sputterns und Spritzens von konzentrierter Säure minimiert. Dies, zusammen mit einer Reihe von Standardsicherheitsmaßnahmen in jedem Chemielabor, reicht normalerweise aus, um die meisten Unfälle zu verhindern und ihre Gefahr zu minimieren, falls sie doch auftreten sollten.

Der sichere Weg zur Herstellung von Lösungen aus konzentrierter Schwefelsäure

Die Faustregel beim sicheren Mischen von Schwefelsäure mit Wasser lautet, immer die Schwefelsäure zum Wasser und nicht das Wasser zur Schwefelsäure zu geben . Auch wenn die konzentrierte Schwefelsäure zugegeben wird, muss die resultierende Lösung kräftig gerührt werden.

Das bedeutet, dass wir zuerst eine beträchtliche Menge Wasser in den Messkolben geben müssen, in dem wir die Lösung herstellen werden (was wir ein Wasserpolster nennen), und dann nach und nach und unter ständigem Rühren das abgemessene Volumen konzentrierter Säure hinzufügen. Schließlich lässt man die Lösung abkühlen und vervollständigt die Eichung mit reinem Wasser.

Es ist auch wichtig, den Messkolben am Hals zu halten und nicht am Kolben oder an der breitesten Stelle, die in direktem Kontakt mit der Lösung steht. Dies liegt daran, dass dieser letzte Teil des Balls sehr heiß werden kann, was entweder zu Verbrennungen oder dazu führen kann, dass der Ball versehentlich fallen gelassen wird, ihn zerbricht und ein gefährlicher Säureaustritt verursacht wird.

Begründung des Verfahrens

Warum wird zuerst das Wasser und später die Säure hinzugefügt?

Der Grund, warum bevorzugt zuerst das Wasser und dann die Säure zugegeben wird, ergibt sich aus den thermodynamischen Eigenschaften des Systems, das durch Mischen beider Komponenten entsteht. Wenn die Lösung, die wir herstellen werden, erheblich verdünnter ist als die kommerzielle Lösung (die ungefähr 18 M beträgt), besteht die Mischung aus einer großen Menge Wasser und einer kleinen Menge konzentrierter Säure.

Wenn wir zuerst die Säure und dann das Wasser hinzufügen, hat die kleine Säuremenge eine sehr kleine Wärmekapazität (oder Wärmekapazität), sodass eine kleine Wärmemenge eine große Temperaturänderung verursacht. In dieser Situation ist es sehr einfach, die Säure auf über 100 °C zu erhitzen, wodurch das Wasser schnell kocht, als würde man ein paar Tropfen Wasser in eine Pfanne mit heißem Öl geben.

Wenn wir andererseits vor der Zugabe der konzentrierten Säure eine große Anfangsmenge Wasser hinzufügen, ist die Wärmekapazität des Systems viel höher, da die Wärme auf eine größere Masse verteilt werden muss und die Endtemperatur niedriger ist .

Warum die ständige Aufregung?

Es muss ständig gerührt werden, da die Wärmeleitfähigkeit der Lösung begrenzt ist. Mit anderen Worten, die beim Auflösen der Säure freigesetzte Wärme wird nicht sofort im Wasser verteilt; dieser Vorgang braucht Zeit. Wenn wir die Säure zu schnell ohne Rühren zugeben, kann sich folglich an einer Stelle Wärme aufbauen und die Temperatur des Wassers lokal zum Sieden bringen, was zu Spritzern führt, bevor die Wärme an den Rest des Systems abgegeben wird.

Dasselbe passiert, wenn geschmolzene Lava oder glühendes Metall in kaltes Wasser getaucht wird. Wir können deutlich sehen, wie Wasser, das in direkten Kontakt mit Eisen oder Magma kommt, kocht, lange bevor der Rest des Wassers heiß wird.

Durch mechanisches Rühren wird die Wärmeverteilung in der Lösung beschleunigt und verhindert, dass dies geschieht.

Zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen bei der Herstellung von Schwefelsäurelösungen

Neben der Befolgung des oben genannten Protokolls zur Herstellung der Lösung müssen wir die Standard-Sicherheitsmaßnahmen für Laborarbeiten beachten, da Spritzer nicht das einzige Risiko beim Umgang mit diesen Lösungen sind. Zu diesen Sicherheitsmaßnahmen gehören:

• Tragen Sie zum Schutz von Haut und Kleidung einen Laborkittel . Die meisten Kittel bestehen aus synthetischen Materialien, die kleinen Spritzern standhalten können. Andererseits kann ein unbemerkter Säuretropfen auf der Hose oder dem T-Shirt nicht nur Schäden an unserer Kleidung vermeiden, sondern später auch schwere Hautverbrennungen verursachen.
• Latex- oder Nitrilhandschuhe tragen . Diese Handschuhe sind gegen viele Chemikalien beständig, einschließlich verdünnter Schwefelsäurelösungen. Bei Kontakt mit konzentrierter Säure bietet der Handschuh genügend Schutz, um ihn ausziehen zu können, bevor er sich verbrennt.
• Schutzbrille tragen . Dies ist der beste Weg, um die Augen und einen Großteil des Gesichts zu schützen.
• Sammeln Sie Ihre Haare zu einem Knoten oder Pferdeschwanz . Lange Haare sind im Labor ein Risiko. Es kann mit Säure oder anderen Reagenzien in Kontakt kommen und muss daher stets gesammelt aufbewahrt werden.
• Halten Sie eine kleine Flasche mit einer Natriumbikarbonatlösung bereit . Natriumbicarbonat ist ein Salz, das alkalische Lösungen produziert, die sogar konzentrierte Schwefelsäure neutralisieren können. Das Besprühen der mit der Säure in Kontakt kommenden Oberfläche mit Bikarbonat im Falle einer Verschüttung ist der erste Schritt, der unternommen werden muss, um ihre ätzende Wirkung zu stoppen.

Verweise

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Wie viel Wärme wird freigesetzt, wenn eine 98 % (m/m) H2SO4-Lösung auf 96 % (m/m) verdünnt wird ? (2019, 15. Februar). Website der American Chemical Society. https://communities.acs.org/t5/Ask-An-ACS-Chemist/How-much-heat-will-be-released-if-a-98-mm-H2SO4-solution-is/td-p/ 11867

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