Aufgabe 1 - Redoxreaktionen und galvanische Zellen · Abitur NRW Chemie LK · Schwefelsäureunfall im Hamburger Ha 2026

Schwefelsäure ist eine der wichtigsten industriell hergestellten Chemikalien. In Deutschland wird Schwefelsäure u. a. in Hamburg hergestellt und von dort über den Schienen- oder Wasserweg zur Weiterverarbeitung in andere Industriestandorte transportiert. Dabei kam es 2004 im Hamburger Hafen zu einer Havarie.

Material 1: Schwefelsäureunfall im Hamburger Hafen [1] – [3]

2004 kam es im Hamburger Hafen, der von der Elbe durchströmt wird, zur Kollision zweier Frachtschiffe. Eines der Frachtschiffe hatte Tanks mit konzentrierter Schwefelsäure geladen. Die Feuerwehr richtete Messstellen um die Unglücksstelle ein, um vor über die Lüftungsschächte des Schiffs austretenden Gasen warnen zu können. Das ständige Besprühen des Frachtschiffs mit Wasser sollte diese Dämpfe binden.

Ein Feuerwehrsprecher äußerte sich zu den eingeleiteten Maßnahmen wie folgt: Zwar sei die Schwefelsäure schwerer als Wasser und sinke daher eher an den Hafengrund. Gerate die Säure jedoch an die Oberfläche, bestehe das Risiko, dass sich explosives Knallgas bilde.

Nach einiger Zeit kippte das Frachtschiff aufgrund seiner Beschädigungen durch die Kollision um (Abb. 1). So geriet die Öffnung der Tanks unter Wasser. In der Folge entstand Wasserstoff. Um eine Gasexplosion zu vermeiden, wurde das Gas von Tauchern aus den Schiffstanks abgelassen.

Allerdings ist etwa die Hälfte der geladenen 960 Tonnen (rund 520.000 Liter) konzentrierte Schwefelsäure in den Hamburger Hafen (geschätzte Wassermenge ca. $4\cdot 10^{10}\text{ L}$) geflossen.

Material 2: Eigenschaften der Schwefelsäure [4], [5]

Konzentrierte Schwefelsäure ($\mathrm{H_2SO_4}$; $c \approx 18\text{ }\frac{\text{mol}}{\text{L}}$) wirkt oxidierend und ist in der Lage, beim Erhitzen auch mit edleren Metallen wie Kupfer, Quecksilber oder Silber zu reagieren. Hingegen wird das unedle Eisen von konzentrierter Schwefelsäure nicht angegriffen. Das Eisen wird bei Kontakt mit der konzentrierten Säure mit einer schützenden Oxidschicht überzogen (Passivierung). Aus diesem Grund sind zum Beispiel Stahltanks (Stahl: eine Legierung des Eisens) für den Transport von konzentrierter Schwefelsäure mit Schiffen geeignet. Die Passivierung wird allerdings durch verdünnte Säuren zerstört.

Schwefelsäure-Moleküle protolysieren in wässriger Lösung hauptsächlich zu Hydrogensulfat-Ionen. Daher liegen in einer verdünnten Schwefelsäure zum größten Teil Hydrogensulfat-Ionen und Oxonium-Ionen vor. Unedle Metalle werden deshalb von verdünnter Schwefelsäure unter Bildung von Wasserstoff oxidiert.

Material 3: Pufferwirkung im Wasser des Hamburger Hafens [1], [6] – [8]

Das Wasser im Hamburger Hafen hat im Jahresdurchschnitt einen pH-Wert, der um 7,6 schwankt. Der Wasserdurchfluss der Elbe beträgt einschließlich der Gezeitenströmung mehrere tausend Kubikmeter pro Sekunde. Eine Umweltkatastrophe drohte nach Angaben von Experten wegen der starken Verdünnung in der Elbe daher nicht. Durch die starke Strömung und die enormen Wassermengen konnte bereits in einigen Kilometern Entfernung keine signifikante pH-Wert-Veränderung mehr festgestellt werden. Später konnte man nachweisen, dass die hohe Verschmutzung der Elbe eine Pufferwirkung hat.

In einem Modellexperiment wird die Pufferwirkung eines Dihydrogen-Hydrogenphosphat-Puffers gegenüber Schwefelsäure untersucht:

500 mL Puffer-Lösung enthalten Dinatriumhydrogenphosphat ($\mathrm{Na_2HPO_4}$) und Natriumdihydrogenphosphat ($\mathrm{NaH_2PO_4}$) gleicher Stoffmengenkonzentration ($c = 0{,}1\text{ }\frac{\text{mol}}{\text{L}}$). Zu dieser Puffer-Lösung wird 1 mL konzentrierte Schwefelsäure ($c = 18\text{ }\frac{\text{mol}}{\text{L}}$) zugegeben.

Erklären Sie auch unter Einbeziehung der Standardpotenziale $E^\circ(\text{H}_3\text{O}^+ \mid \text{H}_2)$ und $E^\circ(\text{Fe}^{2+} \mid \text{Fe})$, wie es im Verlauf des Unfalls zur Bildung von Wasserstoff in den Stahltanks kommen konnte (M 1, M 2).