Schwefeltrioxid

Schwefeltrioxid, SO₃, ist das Anhydrid der Schwefelsäure. Es bildet bei Normbedingungen farblose, nadelförmige Kristalle, die äußerst hygroskopisch sind und sehr heftig (explosiv) mit Wasser reagieren. Es existieren für den Feststoff Schwefeltrioxid drei verschiedene Modifikationen. Einatmen hat Reizerscheinungen zur Folge, in der Lunge wird daraus Schwefelsäure, die ein lebensgefährliches Lungenödem auslösen kann.

Ca. 60 g Schwefeltrioxid in einer Ampulle

Strukturformel
Allgemeines
Name	Schwefeltrioxid
Andere Namen	Schwefelsäureanhydrid Schwefel(VI)-oxid Acidum sulfuricum anhydricum
Summenformel	SO3
Kurzbeschreibung	farblose, an der Luft rauchende Masse (γ-Form)[1]
Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 7446-11-9 EG-Nummer 231-197-3 ECHA-InfoCard 100.028.361 PubChem 24682 Wikidata Q242715
Eigenschaften
Molare Masse	80,06 g·mol−1
Aggregatzustand	fest (α-, β-Form), flüssig (γ-Form)
Dichte	2,00 g·cm−3 (γ-Form)[2]
Schmelzpunkt	62,3 °C (α-), 32,5 °C (β-) 16,8 °C (γ-Form)[2]
Siedepunkt	44,45 °C (β-, γ-Form), α-Form zersetzt sich bei 50 °C[2]
Dampfdruck	260 hPa (20 °C)[2]
Löslichkeit	explosionsartige Hydrolyse in Wasser[2]
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[2] Gefahr H- und P-Sätze H: 314​‐​335 EUH: 014 P: 261​‐​280​‐​305+351+338​‐​310[2]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa).

Gewinnung und Darstellung

Schwefeltrioxid wird technisch im Kontaktverfahren durch mit Vanadiumpentoxid katalysierte Oxidation von Schwefeldioxid mit Luftsauerstoff bei 420 °C hergestellt. Reines Schwefeltrioxid erhält man durch Abdestillieren aus Oleum, welches ein Zwischenprodukt bei der Schwefelsäureherstellung ist. Das zunächst gasförmige abdestillierte Schwefeltrioxid wird anschließend durch Kühlung zu flüssigem Schwefeltrioxid kondensiert.^[3] Bei Kondensation und Lagerung sind enge Temperaturgrenzen einzuhalten, da Festpunkt und Siedepunkt sehr nahe beieinander liegen.

Labormethoden zur Darstellung kleiner Mengen:

• Überleiten von Sauerstoff und Schwefeldioxid über Platin, Natriumvanadat oder Silbervanadat bei 470–490 °C.^[4]
• Abdestillieren aus einer Mischung von Schwefelsäure mit Natriumpersulfat, mit Phosphorpentoxid^[4] oder mit Metaphosphorsäure (H₄P₄O₁₂, cyclo-Phosphat) abdestillieren.
• Oxidation von Schwefeldioxid mit Sauerstoff in Gegenwart von Vanadium-Oxid.^[5]
• Oxidation von Schwefeldioxid mit Stickstoffdioxid.^[5]

Eigenschaften

Chemische Eigenschaften

Das Schwefeltrioxid-Molekül kann durch drei gleichwertige mesomere Grenzstrukturen beschrieben werden:^[6]

Kugel-Stab-Modell von Schwefeltrioxid

Es liegt im Gleichgewicht mit S₃O₉-Molekülen vor. Wird (gasförmiges) SO₃ unter −80 °C abgekühlt, bildet sich das sog. γ-SO₃. Dieses besteht aus S₃O₉-Molekülen. Es ist nicht planar aufgebaut, sondern formt einen gewellten Ring. Dabei sind die Schwefelatome von Sauerstoff verzerrt tetraedisch umgeben.^[7]

Schwefeltrioxid verkohlt augenblicklich Gummi und die meisten Kunststoffe wie PVC, nur spezielle Kunststoffe wie beispielsweise Teflon und Perfluoralkoxy^[8] sind relativ beständig.

Molekülgeometrie

Gasförmiges Schwefeltrioxid liegt als Monomer vor und besitzt gemäß dem VSEPR-Modell eine trigonal-planare Molekülgeometrie. Die drei OSO-Winkel betragen dabei 120°. Die drei gleich langen Doppelbindungen haben eine Länge von 143 pm.^[9]

Schwefeltrioxid besitzt als Molekülsymmetrie die Punktgruppe D_3h.^[9]

Verwendung und Vorkommen

Gasförmiges Schwefeltrioxid dient hauptsächlich zur Herstellung von Schwefelsäure:

${\displaystyle {\ce {SO3 + H2O -> H2SO4}}}$

In Wasser löst sich das gasförmige SO₃ nur sehr langsam und wird daher in konzentrierte Schwefelsäure eingeleitet, wobei sich Dischwefelsäure (H₂S₂O₇) bildet. Mit Wasser wird diese dann zu Schwefelsäure umgesetzt:

${\displaystyle {\ce {SO3 + H2SO4 -> H2S2O7}}}$

${\displaystyle {\ce {H2S2O7 + H2O -> 2 H2SO4}}}$

100%iges Schwefeltrioxid wird zur Herstellung von Chlorsulfonsäure, Thionylchlorid, Aminosulfonsäure, Dimethylsulfat und zur Sulfonierung organischer Substanzen, insbesondere in der Waschmittelindustrie, eingesetzt.^[10] Weiter ist Schwefeltrioxid als Oxidationsmittel geeignet. Es wurde auch zur Herstellung von Rauchgranaten benutzt,^[11] da bereits ein Tropfen flüssiges Schwefeltrioxid einen großen Raum komplett einnebeln kann.

Die Herstellung von Fluorsulfonsäure aus Schwefeltrioxid erfolgt durch Umsetzung mit Fluorwasserstoff.^[9]

${\displaystyle {\ce {SO3 + HF -> FSO3H}}}$

Vermischt man Schwefeltrioxid mit Alkoholen, entstehen Schwefelsäureester:

${\displaystyle {\ce {SO3 + R-OH -> R-O-SO3H}}}$

Diese Reaktion wird bei der Herstellung von Tensiden genutzt:^[12]

${\displaystyle {\ce {SO3 + C_{12}H_{23}-OH -> C_{12}H_{23}-O-SO3H}}}$

Die Schwefelsäureester werden mit Natronlauge neutralisiert und liefern so Fettalkoholsulfate.

Schwefeltrioxid ist in Portlandzement typisch mit rund 3 Gew.-% enthalten und in Baukalk nach DIN EN 459-1 meist auf 2 Gew.-% begrenzt.^[13][14]

Messtechnische Erfassung von Schwefeltrioxid-Emissionen

Schwefeltrioxid-Emissionen können mit einem Kondensationsverfahren ermittelt werden, bei dem ein Teilstrom des zu beprobenden Abgases mittels einer beheizten Entnahmesonde dem Abgas entnommen und in ein Kondensationsgefäß geleitet wird. Die Randbedingungen im Kondensationsgefäß bewirken, dass Schwefeltrioxid als Schwefelsäure abgeschieden wird. Die quantitative Bestimmung des Sulfats erfolgt per Ionenchromatographie oder Titration.^[15]

Eine weitere Methode zur Messung von Schwefeltrioxid ist das 2-Propanol-Verfahren. Bei diesem Verfahren wird das beladene Abgas durch eine Lösung mit 2-Propanol geleitet. Im Gegensatz zu Schwefeldioxid wird Schwefeltrioxid durch diese Lösung sehr gut absorbiert. Nach Abschluss der Probenahme wird das absorbierte Schwefeltrioxid mit einer Bariumperchloratlösung gegen Thorin titriert.^[16][17] Dieses Verfahren hat sich in der Praxis nicht bewährt.^[18]

Einzelnachweise

1. Eintrag zu Schwefeltrioxid. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 1. Oktober 2014.
2. Eintrag zu Schwefeltrioxid in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 10. Januar 2017. (JavaScript erforderlich)
3. Ralf Steudel: Chemie der Nichtmetalle: Von Struktur und Bindung zur Anwendung. Walter de Gruyter, 2008, ISBN 978-3-11-021128-3, S. 459.
4. Heribert Grubitsch: Anorganische-präparative Chemie. Springer, Wien 1950, S. 284–285.
5. Dagmar Wiechoczek: Prof. Blumes Tipp des Monats Oktober 2001 (Tipp-Nr. 52): Herstellung von Schwefeltrioxid. In: Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie. 14. April 2010, abgerufen am 30. August 2024.
6. James E. House: Inorganic Chemistry. Academic Press, 2012, ISBN 978-0-12-385111-6, S. 506.
7. Erwin Riedel, Christoph Janiak: Anorganische Chemie. Walter de Gruyter & Co KG, 2022, ISBN 978-3-11-069444-4, S. 481.
8. PFA Chemical Tubing. Abgerufen am 25. März 2023 (englisch).
9. A. F. Holleman, N. Wiberg: Anorganische Chemie. 103. Auflage. 1. Band: Grundlagen und Hauptgruppenelemente. Walter de Gruyter, Berlin / Boston 2016, ISBN 978-3-11-049585-0, S. 642 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). (abgerufen über De Gruyter Online).
10. Martin Bertau, Armin Müller, Peter Fröhlich, Michael Katzberg: Industrielle Anorganische Chemie. John Wiley & Sons, 2013, ISBN 978-3-527-33019-5, S. 84.
11. Helene Tello: Schädlingsbekämpfung in Museen: Wirkstoffe und Methoden am Beispiel des Ethnologischen Museums Berlin 1887-1936. Böhlau Köln, 2022, ISBN 978-3-412-52461-6.
12. Tharwat F. Tadros: Tenside. Walter de Gruyter & Co KG, 2023, ISBN 978-3-11-079869-2.
13. Jochen Stark, Bernd Wicht: Zement und Kalk: Der Baustoff als Werkstoff. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-0348-8382-5, S. 7.
14. Dieter Vollenschaar: Wendehorst Baustoffkunde. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-663-11829-9, S. 321.
15. VDI 2462 Blatt 2:2011-11 Messen gasförmiger Emissionen; Bestimmung von Schwefeltrioxid in wasserdampfhaltigen Abgasen; Kondensationsverfahren (Measurement of gaseous emissions; Determination of sulphur trioxide in water vapour containing exhaust gas; Condensation method). Beuth Verlag, Berlin. S. 3.
16. Wolfgang Guse: Schwefeltrioxid in Feuerungsabgasen. In: Staub – Reinhalt. Luft. 41, Nr. 6, 1981, ISSN 0949-8036, S. 204–210.
17. VDI 2462 Blatt 7:1985-03 Messen gasförmiger Emissionen; Messen der Schwefeltrioxid-Konzentration; 2-Propanol-Verfahren (Measurement of Gaseous Emissions; Measurement of the Sulfur-Trioxide Concentration; 2-propanol method). VDI-Verlag, Düsseldorf, S. 2.
18. VDI 2462 Blatt 2:2011-11 Messen gasförmiger Emissionen; Bestimmung von Schwefeltrioxid in wasserdampfhaltigen Abgasen; Kondensationsverfahren (Measurement of gaseous emissions; Determination of sulphur trioxide in water vapour containing exhaust gas; Condensation method). Beuth Verlag, Berlin, S. 2.

Normdaten (Sachbegriff): GND: 4180436-3 (lobid, OGND)