| Schwefel 16S | |||||||||||||||
| engl. Sulfur; sanskrit sweb oder sweblan („schlafen“ oder „erschlagen“) | |||||||||||||||
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| Physikalisch-chemische Eigenschaften |
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Reiner Schwefel ist bei Zimmertemperatur ein Nichtmetall mit zitronengelber
Farbe und leicht die Atemwege reizenden, charakteristischem Geruch. Die Wärmeleitfähigkeit und auch die elektrische Leitfähigkeit ist schlecht. Schwefel ist in Wasser nicht löslich. Kompakte
Schwefelkristalle gehen aufgrund der höheren Dichte im Wasser
unter. Gepulverter Schwefel kann aufgrund der fehlenden
Benetzungsfähigkeit mit Wasser und mit Hilfe der
Oberflächenspannung des Wassers auch schwimmen. Löst
man Schwefel in Schwefelkohlenstoff, und lässt man die Lösung
in einer Petrischale längere Zeit stehen, kristallisieren nach einiger
Zeit rhombische Schwefelkristalle aus. Beim Abkühlen einer Schwefelschmelze an der Luft bilden sich dagegen monokline Kristalle. Beim Abschrecken
einer Schwefelschmelze in kaltem Wasser entsteht plastischer Schwefel.
Schwefel tritt in zahlreichen Modifikationen auf,
von denen hier nur eine Auswahl behandelt wird. Orthorhombischer oder
rhombischer Schwefel ist bei Raumtemperatur stabil und bildet
zitronengelbe Kristalle,
die leicht zerbrechen und zu einem feinen Pulver vermahlen werden
können. Die im Handel erhältlichen Stangen oder Fäden
enthalten rhombischen Schwefel.
Rhombischer Schwefel wird auch α-Schwefel genannt, atomar ist er aus ringförmig gewellten S8-Molekülen aufgebaut. Er geht beim Erwärmen ab 95,2 °C in eine gelbe,
leichtflüssige Schmelze über und man erhält λ-Schwefel.
Erwärmt man weiter, färbt sich die Schmelze orange,
sie wird ab 159 °C allmählich dickflüssig
und bildet bei 200 °C eine dunkelbraune und
harzartige Masse, den μ-Schwefel.
Dabei lösen sich die ringförmigen S8-Moleküle auf und bilden lange Ketten. Oberhalb von 250°C nimmt die Zähflüssigkeit ab, und beim Siedepunkt, bei 444 °C, ist die Schmelze wieder dünnflüssig. Lässt man den geschmolzenen Schwefel in großen Tiegeln an der Oberfläche erstarren, bilden sich lange, monokline Kristallnadeln. Diese Modifikation wird als monokliner Schwefel oder als β-Schwefel bezeichnet. Beim Abkühlen auf unter 115,2 °C wandelt sich
dieser wieder langsam in rhombischen Schwefel um. Gießt
man die dünnflüssige Schmelze in ein Glas mit kaltem
Wasser,
bilden sich elastische Fäden oder eine gelbbraune,
zähe Masse, die als plastischer Schwefel bezeichnet wird. Auch dieser wandelt sich allmählich wieder
in den rhombischen Schwefel zurück.
Schwefel
ist sehr reaktionsfähig und geht mit vielen Elementen chemische Verbindungen
ein. Die Ausnahme bilden Gold, Platin, Iridium, Stickstoff, Tellur, Iod
und die Edelgase. An der Luft verbrennt Schwefel in einer Oxidation mit bläulicher Flamme zu dem toxischen und stechend riechenden Gas Schwefeldioxid SO2,
das auch mit Schwefeltrioxid SO3 vermischt sein
kann:
S + O2 
SO2 ΔHR = −297 kJ/mol
Beim Lösen des Schwefeldioxids in Wasser entstehen eine Schwefeldioxid-Lösung und in geringen Mengen auch Schweflige
Säure. Die Salze dieser Säure sind die Sulfite. Entzündet
man Gemische aus Schwefel- und Metallpulver, entstehen meist unter starker
Wärmeentwicklung und Aufleuchten die entsprechenden Metallsulfide:
Fe + S FeS ΔHR = −100 kJ/mol Zn + S ZnS ΔHR = −201 kJ/mol Cu + S CuS ΔHR = −53 kJ/mol
Mit Methan und einem Aluminiumoxid-Katalysator erhält man bei 700 °C Schwefelkohlenstoff,
eine giftige, farblose Flüssigkeit:
CH4 + 4 S CS2
+ 2 H2S Durch die Reaktion von
Schwefel und Wasserstoff bei 350 °C
mit Hilfe von Katalysatoren gewinnt man das giftige Gas Schwefelwasserstoff:
S + H2
H2S ΔHR = −21 kJ/mol Von Salzsäure wird
Schwefel nicht angegriffen, dagegen aber von oxidierend wirkenden Säuren
wie konzentrierte Salpetersäure.
Weitere wichtige Verbindungen des Schwefels sind die Schwefelsäure, sowie ihre Salze, die Sulfate. Ist bei den Alkoholen
das Sauerstoff-Atom der Hydroxy-Gruppe durch ein Schwefel-Atom ersetzt, dann
erhält man ein Thiol (veraltet: Mercaptan oder Thioalkohol). Diese Stoffgruppe zeichnet sich durch einen sehr unangenehmen Geruch aus. |
| Physiologie |
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Pflanzen
nehmen das Biolelement Schwefel in Form der Sulfate
über die Wurzeln auf. Bei der Reduktion in den Chloroplasten wird
das Sulfat zu den Aminosäuren Cystein und Methionin assimiliert. Schwefel
ist auch ein Bioelement im menschlichen Körper.
Beim Cystin sind zwei Cysteinmoleküle über eine Sulfidgruppe
chemisch verbunden. Die Thiolgruppe R-S-H ist in vielen Peptiden, Proteinen
oder Koenzymen enthalten. Beim Biotin-Molekül (Vitamin H) oder beim
Thiaminpyrophosphat-Molekül (Vitamin B1) sind ebenfalls Schwefel-Atome
integriert.
Die akute Toxizität
des elementaren Schwefels wird als nicht besonders hoch eingestuft. Allerdings
kann sublimierter Schwefel auf der Haut und vor allem in den Augen Reizungen
auslösen. Beim Verbrennen entsteht das stark giftige Gas Schwefeldioxid. |
| Vorkommen |
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Häufigkeit relativ häufig
Das Element Schwefel macht in der Erdhülle einen Anteil von etwa 0,05 Massenprozent aus. In der Natur kommt der Schwefel elementar in mächtigen Lagerstätten, beispielsweise in Sizilien, Polen, Irak, Louisiana, Texas und Mexiko vor. Bei den vulkanischen Solfataren lagert sich Schwefel ab. Dort tritt erhitztes und verdampftes Grundwasser zu Tage, das mit den Gasen des Magmas wie Schwefelwasserstoff gesättigt ist. In Europa findet man die Solfatare zum Beispiel auf Island oder bei den Vulkanen in Italien. Wichtige Minerale, die
Schwefelverbindungen enthalten, sind Gips (Calciumsulfat), Pyrit und Markasit (Eisensulfid), Buntkupferkies (Kupfersulfid), Bleiglanz (Bleisulfid), Zinkblende (Zinksulfid)
oder Zinnober (Quecksilbersulfid).
Größere Mengen Schwefel sind auch in den fossilen Brennstoffen
Erdöl und Kohle enthalten. Erdgas ist oft mit Schwefelwasserstoff verunreinigt.
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| Geschichte |
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Schwefel
ist seit der Antike und wahrscheinlich auch schon seit dem Altertum bekannt.
In China und Ägypten verwendete man ihn zum Bleichen von Textilien
und zum Räuchern. Die Römer gewannen ihn aus Schwefelminen in
Sizilien. Bei den Alchimisten galt der Schwefel als das Prinzip der Brennbarkeit. Im Jahre 1777 vermutete Antoine
Lavoisier (1743–1794) den elementaren Charakter des Schwefels, aber
erst 1809 wurde der Beweis durch Joseph
Gay-Lussac (1778–1850) und Louis Jacques Thénard (1777–1857)
erbracht.
Der deutsche Name Schwefel geht wahrscheinlich auf sanskrit swep oder sweblan („schlafen“ oder „erschlagen“) zurück. Er hat vermutlich seinen Ursprung in der
Giftigkeit des Schwefeldioxids. Das
Symbol S, als Abkürzung für das lateinische Wort sulfur,
schlug J.J. Berzelius 1814 vor.
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| Herstellung |
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Etwa
die Hälfte des benötigten Schwefels kann aus gediegenem Schwefel
und einer nachfolgenden Reinigung durch Destillation gewonnen werden. Durch
ein 150 bis 800 Meter langes Rohr wird heißes Wasser unter Druck in das
schwefelhaltige Gestein hineingedrückt. Der unterirdische Schwefel
schmilzt und wird anschließend mit heißer Pressluft nach oben
befördert. Man erhält Schwefel mit 99,5 bis 99,8% Reinheit.
Ein Bohrloch kann bis zu 300 Tonnen Schwefel pro Tag fördern.
Einen weiteren großen
Anteil erhält man bei der Entschwefelung von Erdöl und Erdgas
nach dem Claus-Verfahren. In zwei Stufen wird der im Erdgas oder in Kokereigasen
enthaltene Schwefelwasserstoff H2S zunächst zu etwa einem Drittel mit Sauerstoff in einer Brennkammer zu Schwefeldioxid verbrannt. Dieses wird dann zusammen mit den restlichen zwei Dritteln Schwefelwasserstoff
in Gegenwart eines Bauxitkatalysators bei etwa 300 °C umgesetzt:
1. Schritt: 2 H2S + 3 O2
2 SO2 + 2 H2O 2. Schritt: 2 SO2 + 4 H2S
6 S + 4 H2O Gesamtreaktion:
6 H2S + 3 O2
6 S + 6 H2O Auch durch das Rösten
von Pyrit kann Schwefel gewonnen werden. Man erhält beim Erhitzen
des Erzes Schwefeldioxid, das anschließend mit Kohlenstoff oder Koks
reduziert wird. |
| Verwendung |
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Schwefel
ist ein wichtiger Rohstoff in der chemischen Industrie. Der größte
Anteil dient zur Herstellung von Schwefelsäure und damit auch zur Herstellung von Düngemitteln.
Aus der Schwefelsäure sind zahlreiche Schwefelverbindungen zugänglich,
so auch die Sulfate. Reiner Schwefel wird zur
Herstellung von Zündhölzern, Schwarzpulver, Feuerwerkskörper,
zur Herstellung von Kunststoffen, Farbstoffen und Pigmenten (Ultramarinblau),
zur Vulkanisation von Kautschuk und Gummi, zum Schwefeln von Fässern
oder als Bleichmittel für Wolle und Seide verwendet. In der Medizin
findet er in Salben und Cremes zur Bekämpfung von Hautkrankheiten
wie Akne, Ekzeme, Krätze oder Schuppenflechte Anwendung. Schwefelbäder
sollen gegen Rheuma und Gicht wirken. Im Wein- und Gartenbau dient Schwefel zur
Bekämpfung von Spinnmilben und Mehltau.
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| Experimente – Medien |
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| Demonstrationen
mit Schwefel Sulfidreaktionen Digitale Folien zum Schwefel |
| Schwefelverbindungen |
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| Ausgewählte Schwefelminerale | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Achtung
