Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid
Bau, Polarität und Reaktivität der beiden wichtigsten Schwefeloxide SO₂ und SO₃ und ihr Zusammenhang im Kontaktverfahren.
Das Wichtigste in Kürze
- Schwefeldioxid (\(\ce{SO2}\), S auf +4) und Schwefeltrioxid (\(\ce{SO3}\), S auf +6) sind die wichtigsten Oxide des Schwefels.
- \(\ce{SO2}\) ist durch ein freies Elektronenpaar am Schwefel gewinkelt (etwa 119°) und hat ein Dipolmoment.
- \(\ce{SO2}\) hat 18 Valenzelektronen und ist daher nicht isoelektronisch zu \(\ce{NO2+}\) oder \(\ce{SiO2}\) mit je 16.
- \(\ce{SO2}\) ist ein Reduktionsmittel und wird im Kontaktverfahren an \(\ce{V2O5}\) im Gleichgewicht zu \(\ce{SO3}\) oxidiert.
- Monomeres \(\ce{SO3}\) ist trigonal-planar mit \(sp^2\)-Schwefel; alle drei S–O-Bindungen sind gleich lang und kürzer als eine Einfachbindung.
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Worum es geht
Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid sind die Oxide des Schwefels in den Oxidationsstufen +4 und +6. An ihnen lässt sich gut zeigen, wie ein freies Elektronenpaar die Molekülgestalt bestimmt. Pharmazeutisch begegnen sie dir als Vorstufe der Schwefelsäure und über Sulfite, die als Antioxidanzien in Arzneizubereitungen dienen.
Schwefeldioxid
Im \(\ce{SO2}\) trägt der Schwefel zwei Bindungen zu Sauerstoff und ein freies Elektronenpaar. Nach dem VSEPR-Modell ergeben sich drei Elektronenbereiche um das Zentralatom. Das freie Paar drückt die beiden Sauerstoffatome zur Seite. Das Molekül ist deshalb gewinkelt, der Bindungswinkel liegt bei etwa 119°.
Weil das Molekül gewinkelt ist, heben sich die beiden S–O-Bindungsdipole nicht auf. \(\ce{SO2}\) besitzt ein Dipolmoment. Umgekehrt beweist das gemessene Dipolmoment, dass das Molekül nicht linear sein kann.
Siedepunkt, Schmelzpunkt, Farbe oder Wasserlöslichkeit erlauben keinen Rückschluss auf den gewinkelten Bau. Strukturbeweisend ist das Dipolmoment.
Isoelektronie prüfen
Ob zwei Teilchen isoelektronisch sind, entscheidet allein das Abzählen. So gehst du vor:
- Valenzelektronen addieren: Für \(\ce{SO2}\) gilt 6 + 2 · 6 = 18.
- Ladung berücksichtigen: Eine positive Ladung zieht ein Elektron ab, eine negative fügt eines hinzu.
- Vergleichen: \(\ce{NO2+}\) hat 5 + 12 − 1 = 16, \(\ce{SiO2}\) hat 4 + 12 = 16 Valenzelektronen.
Beide Teilchen sind also nicht isoelektronisch zu \(\ce{SO2}\). Passend sind dagegen Ozon und das Nitrit-Ion mit je 18 Valenzelektronen. Sie sind ebenfalls gewinkelt.
Reduktionswirkung und Kontaktverfahren
Der Schwefel im \(\ce{SO2}\) steht auf +4 und kann bis +6 oxidiert werden. Deshalb wirkt \(\ce{SO2}\) als Reduktionsmittel. Es entfärbt etwa Iodlösung:
\[\ce{SO2 + I2 + 2 H2O -> SO4^2- + 2 I- + 4 H+}\]
Mit Wasser bildet \(\ce{SO2}\) die Schweflige Säure. Schwefeltrioxid und Wasserstoff entstehen dabei nicht, denn das wäre eine Redoxreaktion ohne geeigneten Partner.
Im Kontaktverfahren oxidiert Sauerstoff das \(\ce{SO2}\) an einem \(\ce{V2O5}\)-Katalysator zu \(\ce{SO3}\). Die Reaktion ist ein Gleichgewicht:
\[\ce{2 SO2 + O2 <=> 2 SO3}\]
Das Verfahren liefert die Grundlage für die technische Herstellung der anorganischen Chemikalie Schwefelsäure.
Schwefeltrioxid
Im monomeren \(\ce{SO3}\) bindet der Schwefel drei Sauerstoffatome und trägt kein freies Elektronenpaar. Er bildet die σ-Bindungen mit \(sp^2\)-Hybridorbitalen. Daraus folgt ein trigonal-planarer Bau mit Winkeln von 120°. Wegen dieser Symmetrie heben sich die Bindungsdipole auf, anders als beim gewinkelten \(\ce{SO2}\).
Die π-Elektronen verteilen sich über alle drei Bindungen. Man beschreibt das mit mesomeren Grenzformeln. Deshalb sind alle drei S–O-Bindungen gleich lang (etwa 142 pm). Sie sind zugleich kürzer als eine S–O-Einfachbindung, weil jede Bindung Mehrfachbindungsanteil hat.
Die Struktur von \(\ce{SO3}\) wird im Examen gerne gefragt: trigonal-planar, \(sp^2\)-Schwefel, drei gleich lange und gegenüber der Einfachbindung verkürzte S–O-Bindungen. Achte darauf, dass dies für das Monomer gilt.
Planar ist nur das gasförmige Monomer. Im Festkörper lagern sich die Moleküle zusammen, etwa zum cyclischen Trimer \(\ce{S3O9}\). Dort ist jedes Schwefelatom tetraedrisch von vier Sauerstoffatomen umgeben.
Quiz
Aussage 1
Im Kontaktverfahren wird Schwefeldioxid an Vanadium(V)-oxid in einer Gleichgewichtsreaktion mit Sauerstoff zu Schwefeltrioxid oxidiert.
Es gilt \(\ce{2 SO2 + O2 <=> 2 SO3}\) mit \(\ce{V2O5}\) als Katalysator.
Aussage 2
\(\ce{SO2}\) und das Nitronium-Ion \(\ce{NO2+}\) sind isoelektronisch.
\(\ce{SO2}\) hat 18 Valenzelektronen, \(\ce{NO2+}\) nur 5 + 12 − 1 = 16. Isoelektronisch zu \(\ce{SO2}\) sind etwa Ozon und Nitrit.
Aussage 3
Monomeres \(\ce{SO3}\) ist wegen eines freien Elektronenpaars am Schwefel trigonal-pyramidal gebaut.
Der Schwefel im \(\ce{SO3}\) trägt kein freies Elektronenpaar. Er ist \(sp^2\)-hybridisiert, das Molekül trigonal-planar.
Aussage 4
Die drei S–O-Bindungen im monomeren \(\ce{SO3}\) sind gleich lang und kürzer als eine S–O-Einfachbindung.
Die Mesomerie verteilt den Mehrfachbindungsanteil gleichmäßig auf alle drei Bindungen.
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