Schweflige Säure H2SO3 - und es gibt sie doch

Weltweit erster Nachweis unter Atmosphärenbedingungen stellt Lehrbuchmeinung in Frage

05.09.2024

Das Team, dem im TROPOS-Labor weltweit der erste Nachweis von schwefliger Säure (H2SO3) unter Atmosphärenbedingungen gelang: Dr. Erik H. Hoffmann, Dr. Torsten Berndt und Dr. Andreas Tilgner (v.l.n.r.).

Ricarda Gräfe, TROPOS

Wieder einmal verblüfft uns die Atmosphäre mit ihren mannigfaltigen chemischen Prozessen. Erstmals haben Forscher am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) in Leipzig die Existenz der schwefligen Säure (H₂SO₃) unter Atmosphärenbedingungen in der Gasphase nachgewiesen. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Angewandte Chemie veröffentlicht.

Im Gegensatz zur bekannteren Schwefelsäure (H₂SO₄) gilt schweflige Säure (H₂SO₃) als schwer oder nicht zugängliche (herstellbare) Verbindung. In Lehrbüchern wird die mögliche Bildung von H₂SO₃ in wässriger Schwefeldioxid (SO₂)-Lösung vorgeschlagen, wobei ihre Existenz in isolierter Form für unmöglich gehalten wird. Trotz großer Anstrengungen bei Verwendung verschiedener spektroskopischer Methoden war der experimentelle Nachweis von H₂SO₃in wässriger SO₂-Lösung jedoch bisher erfolglos. Nachweisbar waren nur die korrespondierenden Basen Bisulfit HSO₃^- und Sulfit SO₃^2-.

Der bisher einzige experimentelle Nachweis von H₂SO₃ gelang der Arbeitsgruppe um Helmut Schwarz von der TU Berlin im Jahr 1988 mittels In-situ-Erzeugung im Massenspektrometer. Dabei wurde eine extrem kurze Lebensdauer unter Vakuumbedingungen im Bereich von 10 Mikrosekunden und mehr abgeschätzt.

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Theoretische Berechnungen vermuteten die Bildung von H₂SO₃ als ein mögliches Reaktionsprodukt der Gasphasenreaktion von OH-Radikalen, die in der Troposphäre vorwiegend aus Ozon und Wassermolekülen in Gegenwart von UV-Strahlung entstehen, mit Dimethylsulfid (DMS). DMS entsteht hauptsächlich durch biologische Prozesse im Meer und ist mit jährlich etwa 30 Millionen Tonnen die größte biogene Schwefelquelle für die Atmosphäre.

Der mögliche Reaktionspfad zu H₂SO₃ ausgehend vom DMS wurde experimentell im Labor am TROPOS in Leipzig untersucht. Dabei gelang in Strömungsreaktoren für atmosphärische Bedingungen der eindeutige Nachweis für die Bildung von H₂SO₃ in der Gasphase. Unter den experimentellen Bedingungen blieb die schweflige Säure unabhängig von der Luftfeuchtigkeit eine halbe Minute lang stabil. Längere Verweilzeiten konnten mit dem bestehenden experimentellen Aufbau bisher nicht untersucht werden. Daher könnte H₂SO₃auch in der Atmosphäre ausreichend lange genug existieren und einen Einfluss auf die chemischen Prozesse haben. Die beobachtete Ausbeute war dabei sogar etwas größer als theoretisch angenommen. „Es war sehr beeindruckend, die klaren H₂SO₃-Signale im Spektrometer zu sehen, für eine Verbindung, die man als möglicherweise „nicht existent“ angenommen hatte“, so Dr. Torsten Berndt vom TROPOS, der die Idee dazu hatte und die Experimente durchführte.

Der neue Reaktionspfad wurde anschließend in ein globales Chemie-Klimamodel implementiert. Die zugehörigen Modellsimulationen zeigten, dass global jährlich ca. 8 Millionen Tonnen an H₂SO₃ gebildet werden. „Dieser Pfad produziert etwa 200mal mehr Masse an H₂SO₃ als die direkte Bildung von Schwefelsäure (H₂SO₄) aus Dimethylsulfid in der Atmosphäre. Die neuen Ergebnisse können zu einem besseren Verständnis des atmosphärischen Schwefelkreislaufs beitragen“ fügen die für die Globalmodellierung zuständigen Wissenschaftler, Dr. Andreas Tilgner und Dr. Erik Hoffmann, hinzu.

Wie bei vielen Forschungsergebnissen ergeben sich auch hier viele neue interessante Fragestellungen: Einmal in der Gasphase gebildet, scheint die schweflige Säure zumindest eine gewisse Stabilität aufzuweisen. Dabei ist die Lebensdauer bezüglich der Reaktion mit Spurengasen in der Atmosphäre noch völlig unklar. Die Reaktion mit Wasserdampf ist ebenfalls noch nicht zufriedenstellend geklärt. „Es sind noch wesentlich mehr Untersuchungen in weiter optimierten Experimenten notwendig, um die Bedeutung von H₂SO₃ hinreichend zu klären“, ergänzt Dr. Torsten Berndt.

Der Nachweis von H₂SO₃ stellt ein weiteres Beispiel für das Aufspüren neuer Reaktionspfade und den experimentellen Beweis bisher nur theoretisch vorgeschlagener oder schwer zugänglicher Verbindungen dar. Dies wird möglich durch das Zusammenspiel einer optimalen Reaktionsführung verbunden mit hochempfindlichen Nachweisverfahren. So kam in dieser Studie ein Massenspektrometer mit einer Nachweisgrenze von 10⁴ Molekülen eines Produktes pro Kubikzentimeter bei Atmosphärendruck zum Einsatz, d.h. es ist der Nachweis eines speziellen Moleküls in einer Mischung von 10¹⁵ Molekülen (1 Billiarde von Molekülen) möglich. Immer bessere Methoden werden einen immer tieferen Einblick in Reaktionsprozesse erlauben und damit zu einem immer besseren Verständnis in der Atmosphärenchemie sowie in allen anderen Bereichen der Chemie beitragen.

Originalveröffentlichung

Torsten Berndt, Erik H. Hoffmann, Andreas Tilgner, Hartmut Herrmann; "Gas-Phase Formation of Sulfurous Acid (H2SO3) in the Atmosphere"; Angewandte Chemie International Edition, Volume 63, 2024-6-14

https://www.analytica-world.com/de/news/1184356/schweflige-saeure-h2so3-und-es-gibt-sie-doch.html

Originalveröffentlichung

Torsten Berndt, Erik H. Hoffmann, Andreas Tilgner, Hartmut Herrmann; "Gas-Phase Formation of Sulfurous Acid (H2SO3) in the Atmosphere"; Angewandte Chemie International Edition, Volume 63, 2024-6-14

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