Erläutern Sie, warum bei der Nitrierung von Benzol neben der Salpetersäure eine weitere sehr starke Säure eingesetzt werden muss?

Das in der Nitrierung aktive Teilchen ist das Nitronium-Ion NO₂⁺. Es entsteht in der konzentrierten Salpetersäure durch Autoprotolyse:

2 HNO₃ ⟶ H₂NO₃⁺ + NO₃¯ ⟶ NO₂⁺ + NO₃¯ + H₂O

Der erste Schritt ist dabei ganz analog der Wasser-Autoprotolyse zu H₃O⁺+OH¯, im zweiten Schritt wird von der protonierten Salpetersäure H₂NO₃⁺ („Nitratacidium“) ein H₂O abgespalten.

Zum Nitrieren willst Du möglichst viel NO₂⁺ haben, also das Gleichgewicht nach rechts verschieben. Zwei Wege führen zum Ziel, und am besten geht es auf beiden Wegen zugleich.

• Man vermischt die Salpetersäure ist einer anderen, noch stärkeren Säure. Dadurch steigt die Konzentration des H₂NO₃⁺, so daß mehr davon in NO₂⁺+H₂O zerfallen kann.
• Bei gegebener H₂NO₃⁺-Konzentration gilt aber lt. Reaktionsgleichung, daß man die Konzentration an NO₂⁺ erhöhen kann, wenn man das H₂O irgendwie entfernt. Man sollte also noch ein wasserentziehendes Mittel einsetzen.

Naja, gibt es vielleicht eine Substanz, die gleichzeitig eine starke Säure ist und stark wasserentziehend wirkt? Ja, richtig, conc. H₂SO₄. Die hat zusätzlich den Vorteil, daß sie selbst nicht allzu reaktiv gegenüber organischen Molekülen ist (Sulfonierung und Esterbildung sind möglich, aber fast immer wesentlich langsamer als die Nitrierung, so daß man sich darüber keine Gedanken machen muß) und folglich kaum Neben­reaktio­nen gibt.

HNO₃ + H₂SO₄ + H₂SO₄ ⟶ H₂NO₃⁺ + HSO₄¯ + H₂SO₄ ⟶
NO₂⁺ + H₂O + HSO₄¯ + H₂SO₄ ⟶ NO₂⁺ + H₃O⁺ + 2 HSO₄¯

Die Nitrierung von Benzol ist eine Reaktion, bei der ein oder mehrere Wasserstoffatome am Benzolring durch Nitrogruppen (NO2) ersetzt werden. Dies ist eine wichtige Reaktion in der organischen Chemie, die zur Synthese von Verbindungen wie Nitrobenzol verwendet wird. Um die Nitrierung durchzuführen, werden Salpetersäure (HNO3) und eine starke Säure als Katalysator benötigt. Häufig wird Schwefelsäure (H2SO4) als Katalysator eingesetzt. Es gibt mehrere Gründe für die Verwendung einer starken Säure als Katalysator:

1. Bildung des Nitroniumions (NO2+): In einem der ersten Schritte der Reaktion reagiert Salpetersäure mit Schwefelsäure, wodurch das Nitroniumion (NO2+) gebildet wird. Das Nitroniumion ist das elektrophile Spezies, das am Angriff des Benzolrings beteiligt ist. Ohne die Gegenwart der starken Säure würde das Nitroniumion nicht stabil genug sein, um in der Reaktion verwendet zu werden.
2. Aktivierung des Benzolrings: Der Benzolring ist normalerweise sehr stabil und reagiert nur ungern mit anderen Molekülen. Die Zugabe von Nitroniumionen durch die Kombination von Salpeter- und Schwefelsäure aktiviert den Benzolring, indem es eine elektrophile aromatische Substitution ermöglicht. Das Nitroniumion greift den Benzolring an und ersetzt ein Wasserstoffatom durch eine Nitrogruppe.
3. Stabilisierung der Zwischenprodukte: Während des Reaktionsverlaufs entstehen Zwischenprodukte, die ohne die Gegenwart der starken Säure instabil sein könnten. Die Schwefelsäure spielt eine Rolle bei der Stabilisierung dieser Zwischenprodukte und trägt zur Fortsetzung der Reaktion bei.

Die Verwendung von Salpetersäure allein wäre nicht effizient, da die Nitration von Benzol unter milderen Bedingungen schwer durchzuführen ist. Die Zugabe von Schwefelsäure ist entscheidend, um die Bedingungen für die Nitrierung zu optimieren und die Bildung des aktiven Nitroniumions zu ermöglichen.

Offtopic: Für genau solche Fragen, hab ich damals in meiner Schulzeit mit Vorliebe in verschiedenen Büchern geblättert. Später dann Fachforen besucht oder für einfachere Themen auch die Querverweise auf Wikipedia verfolgt. Und heutzutage kann man sich einfach Zusammenfassungen wie die obige durch ChatGPT erstellen lassen. Denn es ist Faktensuche und kein Erfahrungsbericht.

"Muss" gar nicht.

Die Nitrierung von Benzol funktioniert sehr wohl auch mit nur Salpetersäure.

Als besser erwies sich rote rauchende Salpetersäure.

Später erkannte man eine Effizienzsteigerung durch Einsatz einer Mischung beider Säuren vor dem Nitrieren speziell im großtechnischen Prozess.