SCHWEFELTRIOXID (SO3): STRUKTUR, EIGENSCHAFTEN, RISIKEN, VERWENDUNGEN - CHEMIE - 2024

Das Schwefeltrioxid ist eine anorganische Verbindung, die durch die Vereinigung eines Schwefelatoms (S) und 3 Sauerstoffatomen (O) gebildet wird. Seine Summenformel lautet SO ₃ . Bei Raumtemperatur ist SO ₃ eine Flüssigkeit, die Gase in die Luft abgibt.

Die Struktur von gasförmigem SO ₃ ist flach und symmetrisch. Alle drei Sauerstoffatome befinden sich gleichmäßig um Schwefel. SO ₃ reagiert heftig mit Wasser. Die Reaktion ist exotherm, was bedeutet, dass Wärme erzeugt wird, mit anderen Worten, es wird sehr heiß.

Schwefeltrioxidmolekül SO ₃ . Verfasser: Benjah-bmm27. Quelle: Wikimedia Commons.

Wenn flüssiges SO ₃ abkühlt, verwandelt es sich in einen Feststoff, der drei Arten von Strukturen aufweisen kann: Alpha, Beta und Gamma. Am stabilsten ist Alpha in Form von Schichten, die zu einem Netzwerk zusammengefügt sind.

Gasförmiges Schwefeltrioxid wird zur Herstellung von rauchender Schwefelsäure, auch Oleum genannt, verwendet, da es Öl oder öligen Substanzen ähnelt. Eine weitere wichtige Anwendung ist die Sulfonierung organischer Verbindungen, dh die Addition von -SO ₃ -Gruppen . So können nützliche Chemikalien wie Waschmittel, Farbstoffe, Pestizide und viele andere hergestellt werden.

SO ₃ ist sehr gefährlich und kann schwere Verbrennungen, Augen- und Hautschäden verursachen. Es sollte auch nicht eingeatmet oder eingenommen werden, da es durch innere Verbrennungen, Mund, Speiseröhre, Magen usw. zum Tod führen kann.

Aus diesen Gründen muss mit großer Vorsicht umgegangen werden. Es darf niemals mit Wasser oder brennbaren Materialien wie Holz, Papier, Stoffen usw. in Kontakt kommen, da es zu Bränden kommen kann. Aufgrund der Explosionsgefahr darf es weder entsorgt noch in die Kanalisation gelangen.

Das in industriellen Prozessen erzeugte gasförmige SO ₃ sollte nicht in die Umwelt freigesetzt werden, da es einer der Verantwortlichen für den sauren Regen ist, der bereits große Waldflächen auf der Welt beschädigt hat.

Struktur

Das Molekül Schwefeltrioxid SO ₃ im gasförmigen Zustand hat eine dreieckige planare Struktur.

Dies bedeutet, dass sich sowohl Schwefel als auch die drei Sauerstoffatome in derselben Ebene befinden. Darüber hinaus ist die Verteilung von Sauerstoff und allen Elektronen symmetrisch.

Lewis-Resonanzstrukturen. Elektronen sind in SO ₃ gleichmäßig verteilt . Verfasser: Marilú Stea.

Im festen Zustand sind drei Arten von SO ₃ -Strukturen _bekannt : Alpha (α-SO ₃ ), Beta (β-SO ₃ ) und Gamma (γ-SO ₃ ).

Die Gamma-γ-SO _{3 -Form} enthält cyclische Trimere, dh drei Einheiten SO _{3, die} zusammen ein cyclisches oder ringförmiges Molekül bilden.

Ringförmiges Molekül aus festem Schwefeltrioxid vom Gamma-Typ. Verfasser: Marilú Stea.

Die Beta-β-SO ₃ -Phase weist unendlich viele helikale Ketten von Tetraedern der Zusammensetzung SO _{4 auf, die} miteinander verbunden sind.

Struktur einer Kette von festem Schwefeltrioxid vom Beta-Typ. Verfasser: Marilú Stea.

Die stabilste Form ist Alpha-α-SO ₃ , ähnlich wie Beta, jedoch mit einer Schichtstruktur, wobei die Ketten zu einem Netzwerk verbunden sind.

Nomenklatur

-Schwefeltrioxid

-Schwefelsäureanhydrid

-Schwefeloxid

-SO ₃ gamma, γ-SO ₃

-SO ₃ beta, β-SO ₃

-SO ₃ alpha, α-SO ₃

Physikalische Eigenschaften

Körperlicher Status

Bei Raumtemperatur (ca. 25 ºC) und atmosphärischem Druck ist SO ₃ eine farblose Flüssigkeit, die Rauch in die Luft abgibt.

Wenn flüssiges SO ₃ bei 25 ° C rein ist, ist es eine Mischung aus monomerem SO ₃ (ein einzelnes Molekül) und trimeren (3 verbundenen Molekülen) der Formel S ₃ O ₉ , auch SO ₃ gamma γ-SO _{3 genannt} .

Wenn das SO ₃ beim Absenken der Temperatur bei Erreichen von 16,86 ºC rein ist, verfestigt es sich oder gefriert zu γ-SO ₃ , auch „SO ₃ -Eis “ genannt.

Wenn es geringe Mengen an Feuchtigkeit enthält (auch Spuren oder extrem kleine Mengen), polymerisiert SO ₃ zu der Beta-β-SO ₃ -Form, die Kristalle mit seidigem Glanz bildet.

Dann werden mehr Bindungen gebildet, wodurch die Alpha-α-SO _{3 -Struktur erzeugt wird} , bei der es sich um einen nadelförmigen kristallinen Feststoff handelt, der Asbest oder Asbest ähnelt.

Wenn Alpha und Beta verschmelzen, erzeugen sie Gamma.

Molekulargewicht

80,07 g / mol

Schmelzpunkt

SO ₃ gamma = 16,86 ºC

Dreifacher Punkt

Es ist die Temperatur, bei der die drei physikalischen Zustände vorliegen: fest, flüssig und gasförmig. In der Alpha-Form liegt der Tripelpunkt bei 62,2 ºC und in der Beta bei 32,5 ºC.

Das Erhitzen der Alpha-Form neigt eher zum Sublimieren als zum Schmelzen. Sublimieren bedeutet, direkt vom festen in den gasförmigen Zustand überzugehen, ohne den flüssigen Zustand zu durchlaufen.

Siedepunkt

Alle Formen von SO ₃ kochen bei 44,8 ° C.

Dichte

Flüssiges SO ₃ (Gamma) hat eine Dichte von 1,9225 g / cm ³ bei 20 ° C.

Gasförmiges SO ₃ hat eine Dichte von 2,76 relativ zu Luft (Luft = 1), was darauf hinweist, dass es schwerer als Luft ist.

Dampfdruck

SO ₃ alpha = 73 mm Hg bei 25 ° C.

SO ₃ beta = 344 mm Hg bei 25 ° C.

SO ₃ gamma = 433 mm Hg bei 25 ° C.

Dies bedeutet, dass die Gammaform dazu neigt, leichter zu verdampfen als Beta und Beta-Form als Alpha.

Stabilität

Die Alpha-Form ist die stabilste Struktur, die anderen sind metastabil, dh sie sind weniger stabil.

Chemische Eigenschaften

SO ₃ reagiert heftig mit Wasser unter Bildung von Schwefelsäure H ₂ SO ₄ . Bei der Reaktion wird viel Wärme erzeugt, so dass schnell Wasserdampf aus der Mischung freigesetzt wird.

SO ₃ nimmt an der Luft schnell Feuchtigkeit auf und gibt dichte Dämpfe ab.

Es ist ein sehr starkes Dehydratisierungsmittel, das heißt, es entfernt leicht Wasser von anderen Materialien.

Schwefel in SO ₃ hat eine Affinität zu freien Elektronen (dh Elektronen, die nicht in einer Bindung zwischen zwei Atomen stehen), so dass es dazu neigt, Komplexe mit Verbindungen zu bilden, die sie besitzen, wie Pyridin, Trimethylamin oder Dioxan.

Komplex zwischen Schwefeltrioxid und Pyridin. Benjah-bmm27. Quelle: Wikimedia Commons.

Durch die Bildung von Komplexen „leiht“ sich Schwefel Elektronen von der anderen Verbindung, um deren Mangel zu füllen. In diesen Komplexen ist noch Schwefeltrioxid verfügbar, das in chemischen Reaktionen zur Lieferung von SO _{3 verwendet wird} .

Es ist ein starkes Sulfonierungsreagenz für organische Verbindungen, was bedeutet, dass es verwendet wird, um Molekülen leicht eine Gruppe - SO ₃ - hinzuzufügen .

Es reagiert leicht mit den Oxiden vieler Metalle, um Sulfate dieser Metalle zu ergeben.

Es ist ätzend für Metalle, tierische und pflanzliche Gewebe.

SO ₃ ist aus mehreren Gründen schwierig zu handhaben: (1) sein Siedepunkt ist relativ niedrig, (2) es neigt dazu, bei Temperaturen unter 30 ° C feste Polymere zu bilden, und (3) es hat eine hohe Reaktivität gegenüber fast allen organische Substanzen und Wasser.

Kann explosionsartig polymerisieren, wenn es keinen Stabilisator enthält und Feuchtigkeit vorhanden ist. Als Stabilisatoren werden Dimethylsulfat oder Boroxid verwendet.

Erhalten

Es wird durch die Reaktion bei 400 ºC zwischen Schwefeldioxid SO ₂ und molekularem Sauerstoff O _{2 erhalten} . Die Reaktion ist jedoch sehr langsam und Katalysatoren sind erforderlich, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen.

2 SO ₂ + O ₂ ⇔ 2 SO ₃

Zu den Verbindungen, die diese Reaktion beschleunigen, gehören Platinmetall Pt, Vanadiumpentoxid V ₂ O ₅ , Eisenoxid Fe ₂ O ₃ und Stickoxid NO.

Anwendungen

Bei der Herstellung von Oleum

Eine seiner Hauptanwendungen besteht in der Herstellung von Oleum oder rauchender Schwefelsäure, die so genannt wird, weil sie mit bloßem Auge sichtbare Dämpfe abgibt. Um es zu erhalten, wird SO ₃ in konzentrierter Schwefelsäure H ₂ SO ₄ absorbiert .

Oleum oder rauchende Schwefelsäure. Sie können den weißen Rauch sehen, der aus der Flasche kommt. W. Oelen. Quelle: Wikimedia Commons.

Dies geschieht in speziellen Edelstahltürmen, in denen die konzentrierte Schwefelsäure (die flüssig ist) abfällt und das gasförmige SO ₃ steigt.

Die Flüssigkeit und das Gas kommen in Kontakt und kommen zusammen und bilden Oleum, eine ölig aussehende Flüssigkeit. Es hat eine Mischung aus H ₂ SO ₄ und SO ₃ , aber es hat auch Moleküle von Schwefelsäure H ₂ S ₂ O ₇ und Trisulfonsäure H ₂ S ₃ O ₁₀ .

Bei der Sulfonierung chemische Reaktionen

Die Sulfonierung ist ein Schlüsselprozess in industriellen Großanwendungen zur Herstellung von Waschmitteln, Tensiden, Farbstoffen, Pestiziden und Pharmazeutika.

SO ₃ dient unter anderem als Sulfonierungsmittel zur Herstellung sulfonierter Öle und alkylarylsulfonierter Detergenzien. Das Folgende zeigt die Sulfonierungsreaktion einer aromatischen Verbindung:

ArH + SO ₃ → ArSO ₃ H.

Sulfonierung von Benzol mit SO ₃ . Pedro8410. Quelle: Wikimedia Commons.

Für die Sulfonierungsreaktionen kann Oleum oder SO ₃ unter anderem in Form seiner Komplexe mit Pyridin oder mit Trimethylamin verwendet werden.

Bei der Gewinnung von Metallen

SO ₃ -Gas wurde bei der Mineralbehandlung verwendet. Einfache Metalloxide können in die viel löslicheren Sulfate umgewandelt werden, indem sie bei relativ niedrigen Temperaturen mit SO ₃ behandelt werden.

Sulfidmineralien wie Pyrit (Eisensulfid), Chalkosin (Kupfersulfid) und Millerit (Nickelsulfid) sind die wirtschaftlichsten Quellen für Nichteisenmetalle. Durch die Behandlung mit SO ₃ können diese Metalle leicht erhalten werden. und zu geringen Kosten.

Eisen-, Nickel- und Kupfersulfide reagieren bereits bei Raumtemperatur mit SO ₃ -Gas und bilden die jeweiligen Sulfate, die sehr gut löslich sind und anderen Verfahren zur Gewinnung des reinen Metalls unterzogen werden können.

In verschiedenen Anwendungen

SO _{3 wird} zur Herstellung von Chlorsulfonsäure, auch Chlorsulfonsäure HSO ₃ Cl genannt, verwendet.

Schwefeltrioxid ist ein sehr starkes Oxidationsmittel und wird zur Herstellung von Sprengstoffen verwendet.

Risiken

Für die Gesundheit

SO ₃ ist auf allen Wegen eine hochgiftige Verbindung, dh Einatmen, Verschlucken und Kontakt mit der Haut.

Reizende und korrodierende Schleimhäute. Verursacht Haut- und Augenverbrennungen. Seine Dämpfe sind beim Einatmen sehr giftig. Innere Verbrennungen, Atemnot, Brustschmerzen und Lungenödeme treten auf.

Schwefeltrioxid SO3 ist sehr ätzend und gefährlich. Autor: OpenIcons. Quelle: Pixabay.

Es ist giftig. Seine Einnahme verursacht schwere Verbrennungen von Mund, Speiseröhre und Magen. Darüber hinaus wird vermutet, dass es krebserregend ist.

Vor Feuer oder Explosion

Es stellt eine Brandgefahr dar, wenn es mit Materialien organischen Ursprungs wie Holz, Fasern, Papier, Öl, Baumwolle usw. in Kontakt kommt, insbesondere wenn diese nass sind.

Es besteht auch ein Risiko, wenn Sie mit Basen oder Reduktionsmitteln in Kontakt kommen. Es verbindet sich explosionsartig mit Wasser und bildet Schwefelsäure.

Kontakt mit Metallen kann Wasserstoffgas H ₂ erzeugen, das leicht entflammbar ist.

Das Erhitzen in Gläsern sollte vermieden werden, um einen möglichen gewaltsamen Bruch des Behälters zu verhindern.

Umweltbelastung

SO ₃ gilt als einer der Hauptschadstoffe in der Erdatmosphäre. Dies liegt an seiner Rolle bei der Bildung von Aerosolen und seinem Beitrag zum sauren Regen (aufgrund der Bildung von Schwefelsäure H ₂ SO ₄ ).

Wald durch sauren Regen in der Tschechischen Republik beschädigt. Lovecz. Quelle: Wikimedia Commons.

SO ₃ wird in der Atmosphäre durch Oxidation von Schwefeldioxid SO _{2 gebildet} . Wenn SO ₃ gebildet wird, reagiert es schnell mit Wasser unter Bildung von Schwefelsäure H ₂ SO ₄ . Jüngsten Studien zufolge gibt es andere Mechanismen für die Umwandlung von SO ₃ in der Atmosphäre, aber aufgrund der großen Menge an Wasser in der Atmosphäre wird es immer noch als viel wahrscheinlicher angesehen, dass SO ₃ hauptsächlich in H ₂ SO _{4 umgewandelt wird} .

SO ₃ -Gas oder gasförmige Industrieabfälle, die es enthalten, dürfen nicht in die Atmosphäre eingeleitet werden, da es sich um einen gefährlichen Schadstoff handelt. Es ist ein hochreaktives Gas und, wie oben erwähnt, wird SO ₃ in Gegenwart von Luftfeuchtigkeit zu Schwefelsäure H ₂ SO ₄ . Daher bleibt SO ₃ in Luft in Form von Schwefelsäure bestehen und bildet kleine Tröpfchen oder Aerosole.

Wenn die Schwefelsäuretröpfchen in die Atemwege von Menschen oder Tieren gelangen, wachsen sie aufgrund der dort vorhandenen Feuchtigkeit schnell an Größe, sodass sie in die Lunge eindringen können. Einer der Mechanismen, durch die der Säurenebel von H ₂ SO ₄ (dh SO ₃ ) eine starke Toxizität erzeugen kann, besteht darin, dass er den extrazellulären und intrazellulären pH-Wert lebender Organismen (Pflanzen, Tiere und Menschen) verändert.

Laut einigen Forschern ist SO ₃ -Nebel die Ursache für die Zunahme von Asthmatikern in einem Gebiet Japans. Der SO ₃ -Nebel wirkt sehr korrosiv auf Metalle, so dass von Menschen gebaute Metallstrukturen wie einige Brücken und Gebäude stark beeinträchtigt werden können.

Flüssiges SO ₃ darf nicht in Abflüssen oder Abwasserkanälen entsorgt werden. Wenn es in die Kanalisation gelangt, besteht Brand- oder Explosionsgefahr. Richten Sie bei versehentlichem Verschütten keinen Wasserstrahl auf das Produkt. Es sollte niemals in Sägemehl oder anderen brennbaren Absorptionsmitteln absorbiert werden, da dies zu Bränden führen kann.

Es muss in trockenem Sand, trockener Erde oder einem anderen völlig trockenen inerten Absorptionsmittel absorbiert werden. SO ₃ darf nicht in die Umwelt freigesetzt werden und darf niemals damit in Kontakt kommen. Es sollte von Wasserquellen ferngehalten werden, da es dabei Schwefelsäure produziert, die für Wasser- und Landorganismen schädlich ist.

Verweise

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