Schwefeltrioxid

Strukturformel
Allgemeines
Name	Schwefeltrioxid
Andere Namen	Schwefelsäureanhydrid Schwefel(VI)-oxid Acidum sulfuricum anhydricum
Summenformel	SO3
Kurzbeschreibung	farblose, an der Luft rauchende Masse (γ-Form)
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)
Schmelzpunkt	62,3 °C (α-), 32,5 °C (β-) 16,8 °C (γ-Form)
Siedepunkt	44,45 °C (β-, γ-Form), α-Form zersetzt sich bei 50 °C
Dampfdruck	260 hPa (20 °C)
Löslichkeit	explosionsartige Hydrolyse in Wasser
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung Gefahr H- und P-Sätze H: 314​‐​335 EUH: 014 P: 261​‐​280​‐​305+351+338​‐​310
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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

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. Bei Kondensation und Lagerung sind enge Temperaturgrenzen einzuhalten, da Festpunkt und Siedepunkt sehr nahe beieinander liegen.

Um kleinere Mengen Schwefeltrioxid zu erhalten, kann man es auch aus einer Mischung von Schwefelsäure und Phosphorpentoxid oder Metaphosphorsäure (H₄P₄O₁₂, cyclo-Phosphat) abdestillieren. Schwefeltrioxid lässt sich jedoch auch durch die Oxidation von Schwefeldioxid mit Stickstoffdioxid darstellen.

Eigenschaften

Chemische Eigenschaften

Das Schwefeltrioxid-Molekül kann durch drei gleichwertige mesomere Grenzstrukturen beschrieben werden:

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.

Schwefeltrioxid verkohlt augenblicklich Gummi und die meisten Kunststoffe wie PVC, nur spezielle Kunststoffe wie beispielsweise Teflon und Perfluoralkoxy 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.

Schwefeltrioxid besitzt als Molekülsymmetrie die Punktgruppe D_3h.

Verwendung

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:

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

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

Weiter zur Herstellung von Fluorsulfonsäure und Chlorsulfonsäure

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

Vermischt man Schwefeltrioxid mit Alkoholen, entstehen Schwefelsäureester:

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

Diese Reaktion wird bei der Herstellung von Tensiden genutzt:

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

Die Schwefelsäureester werden mit Natronlauge neutralisiert und liefern so Fettalkoholsulfate. Weiter ist Schwefeltrioxid als Oxidationsmittel geeignet. Es wurde auch zur Herstellung von Rauchgranaten benutzt, da bereits ein Tropfen flüssiges Schwefeltrioxid einen großen Raum komplett einnebeln kann.

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.

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. Dieses Verfahren hat sich in der Praxis nicht bewährt.