Schweflige Säure

Grundlagen und Stoffdaten

Schweflige Säure (H₂SO₃), auch Schwefel(IV)-säure genannt, ist eine unbeständige, zweiprotonige Säure. Zweiprotonig bedeutet, dass sie in zwei Reaktionsstufen insgesamt zwei Protonen (H⁺) abgeben kann. Sie entsteht beim Lösen von Schwefeldioxid (SO₂) in Wasser und existiert nur in wässriger Lösung. Ihre Salze und Ester heißen Sulfite beziehungsweise Hydrogensulfite.

Sie wird als farblose Flüssigkeit mit stechendem Geruch nach Schwefeldioxid beschrieben. Die molare Masse beträgt 82,02 g·mol⁻¹, die Dichte 1,03 g·cm⁻³. Sie ist vollständig mit Wasser mischbar. Angegeben sind pKₛ₁ = 1,81 und pKₛ₂ = 6,99. Die Stoffdaten gelten, sofern nicht anders vermerkt, bei 0 °C und 1000 hPa.

Gleichgewicht und Beständigkeit

In Wasser besteht ein Gleichgewicht zwischen gelöstem Schwefeldioxid und schwefliger Säure:

SO₂(aq) + H₂O(l) ⇌ H₂SO₃(aq)

Dieses Gleichgewicht liegt weit auf der linken Seite; in der Lösung befinden sich daher nur sehr wenige H₂SO₃-Moleküle. Beim Versuch, das Wasser einzudampfen, zerfällt die schweflige Säure wieder in Schwefeldioxid und Wasser. Wasserfreie, freie H₂SO₃ ist deshalb nicht isolierbar.

Beim Abkühlen kann das Clathrat SO₂ · 5,75 H₂O kristallisieren. Ein Clathrat ist eine Einschlussverbindung, bei der Moleküle in einem Kristallgitter eingeschlossen sind. Dieses Clathrat zersetzt sich bei 7 °C wieder.

Protolyse und Salzbildung

Die Protolyse, also die Abgabe von Protonen an Wasser, verläuft in zwei Stufen. Zuerst entsteht Hydrogensulfit:

H₂SO₃ + H₂O ⇌ HSO₃⁻ + H₃O⁺

Die erste Säurekonstante wird formal unter Einbeziehung des gelösten Schwefeldioxids berechnet:

Kₛ₁ = (c(H₃O⁺) · c(HSO₃⁻)) / c([H₂SO₃]) = 1,54 · 10⁻²

Dabei gilt c([H₂SO₃]) = c(H₂SO₃) + c(SO₂(aq)). Die tatsächliche Säurestärke ist wesentlich höher, weil in Wasser fast keine H₂SO₃-Moleküle vorliegen.

In der zweiten Stufe entsteht Sulfit:

HSO₃⁻ + H₂O ⇌ SO₃²⁻ + H₃O⁺

Kₛ₂ = (c(H₃O⁺) · c(SO₃²⁻)) / c(HSO₃⁻) = 1,02 · 10⁻⁷.

Reagiert schweflige Säure mit Basen, Metalloxiden oder Carbonaten, kristallisieren beim Eindampfen Sulfite aus. Hydrogensulfite lassen sich nur zusammen mit großen Kationen auskristallisieren; andernfalls entstehen Disulfite. Im festen Hydrogensulfit liegt das Anion in der Konstitution eines Sulfonats vor, wobei der verbleibende Wasserstoff an Schwefel gebunden ist.

Tautomere Formen

In Wasser bildet schweflige Säure zwei einwertige tautomere Anionen. Tautomere sind unterschiedliche Strukturformen, die ineinander übergehen können. Es handelt sich um das Hydrogensulfit-Ion HSO₃⁻ und das Sulfonat-Ion SHO₃⁻. Sie können als Deprotonierungsprodukte der schwefligen Säure beziehungsweise der Sulfonsäure aufgefasst werden.

Umweltwirkung und Verwendung

Schweflige Säure ist an der Entstehung von saurem Regen beteiligt. Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Kohle, Erdöl und Erdölprodukten sowie bei der Verbrennung von Biomasse entsteht Schwefeldioxid. Regenwasser wäscht dieses Gas aus der Erdatmosphäre aus. Verschiedene Verfahren der Rauchgasentschwefelung sollen verhindern, dass Schwefeldioxid in die Umwelt gelangt.

Schweflige Säure und ihre Salze dienen als Reduktionsmittel. Dabei nehmen sie ein weiteres Sauerstoffatom auf und werden zu Schwefelsäure beziehungsweise Sulfat oxidiert. Auch der Sauerstoff der Luft oxidiert schweflige Säure in wässriger Lösung zu Schwefelsäure.