Schwefel

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Einleitung

Schwefel, Symbol S, geruchloses, im reinen Zustand hellgelbes und festes Element mit der Ordnungszahl 16, das zu den Nichtmetallen gehört. Schwefel steht in der sechsten Hauptgruppe des Periodensystems und wird zusammen mit den Elementen Sauerstoff, Selen und Tellur zu den Chalkogenen (Erzbildner) gezählt. Die Atommasse von Schwefel beträgt 32,064 u.

Schwefel ist seit dem Altertum bekannt und wird u. a. in verschiedenen Dokumenten aus dieser Zeitepoche (z. B. von Homer) und auch in der Bibel (Altes Testament) erwähnt. Aufgrund seiner Brennbarkeit maßen ihm die Alchimisten eine wesentliche Rolle bei der Verbrennung zu (siehe Alchimie).

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Eigenschaften

Das Element Schwefel kann in verschiedenen Zustandsformen, so genannten Modifikationen, vorkommen. Dieses Phänomen lässt sich ebenfalls bei anderen Elementen und auch bei Verbindungen beobachten (z. B. Helium, Phosphor, Zinn, Siliciumdioxid, Eis).

Alle Schwefelmodifikationen sind in Wasser unlöslich, wobei die kristallinen Formen sich in Schwefelkohlenstoff (siehe Kohlenstoffdisulfid) lösen. Gewöhnlicher Schwefel geht beim Schmelzen in eine strohfarbene Flüssigkeit über, die sich bei weiterer Wärmezufuhr dunkler färbt und schließlich siedet. Kühlt man geschmolzenen Schwefel langsam ab, so ändern sich seine physikalischen Eigenschaften in Abhängigkeit von Temperatur und Druck. Schwefel existiert in einer Vielzahl von Formen, die man allotrope Modifikationen nennt. Dazu gehören die Flüssigkeiten S_λ (gelb, leichtflüssig) und S_µ (braun, zähflüssig) und verschiedene feste Modifikationen, von denen der rhombische Schwefel (S_a) und der monokline Schwefel (S_β) die bekanntesten sind (siehe Kristall).

Die stabilste Modifikation des Elements ist der rhombische Schwefel, ein gelber kristalliner Feststoff mit einer Dichte von 2,06 Gramm pro Kubikzentimeter bei 20 °C. Rhombischer Schwefel ist wenig löslich in Alkohol und Ether, aber sehr leicht löslich in Schwefelkohlenstoff. Bringt man rhombischen Schwefel auf Temperaturen zwischen 94,5 und 118 °C, so geht die rhombische Form in die monokline über. Monokliner Schwefel bildet lange, durchsichtige, nadelartige Kristalle aus und hat eine Dichte von 1,96 Gramm pro Kubikzentimeter bei 20 °C. Die Temperatur, bei der sich rhombischer und monokliner Schwefel im Gleichgewicht befinden (94,5 °C), nennt man Umwandlungstemperatur. Schmilzt man gewöhnlichen rhombischen Schwefel bei 118,95 °C, so entsteht eine bewegliche blassgelbe Flüssigkeit (S_λ), die bei 159 °C dunkelbraun und zähflüssig wird (S_µ). Erhitzt man Schwefel fast bis zu seinem Siedepunkt von 444,6 °C und schreckt ihn mit kaltem Wasser ab, so bildet sich eine durchsichtige, klebrige, elastische Substanz, die man amorphen oder plastischen Schwefel nennt. Sie besteht zum größten Teil aus unterkühltem S_µ.

Schwefel kann zwei-, vier- und sechswertig auftreten, z. B. in Eisen(II)-sulfid (FeS), Schwefeldioxid (SO₂) bzw. Bariumsulfat (BaSO₄). In Gegenwart von Hitze verbindet sich das Chalkogen mit metallischen Elementen unter Bildung von Sulfiden. Mit Wasserstoff entsteht Schwefelwasserstoff (H₂S), ein farbloses, giftiges Gas, das nach faulen Eiern riecht. Schwefel reagiert auch mit Chlor in verschiedenen Verhältnissen, z. B. zu Dischwefeldichlorid (S₂Cl₂) und Schwefeldichlorid (SCl₂). Verbrennt man Schwefel an der Luft, vereinigt er sich mit Sauerstoff zu Schwefeldioxid (SO₂), einem schweren, farblosen Gas mit charakteristisch stechendem Geruch. An feuchter Luft wird Schwefeldioxid langsam in Schwefelsäure überführt. Außerdem ist es ein Grundbaustein für die anderen Säuren des Schwefels, wie beispielsweise Thioschwefelsäure (H₂S₂O₃) und schweflige Säure (H₂SO₃). Letztere bildet sich ebenfalls an feuchter Luft aus dem Schwefeldioxid und besitzt zwei ersetzbare Wasserstoffatome. Dadurch gibt es zwei Arten von Salzen der schwefligen Säure: neutrale und saure Sulfite. In Lösung reagieren die sauren oder Hydrogensulfite der Alkalimetalle sauer, so z. B. Natriumhydrogensulfit (NaHSO₃). Dagegen reagieren die Lösungen der neutralen Sulfite, wie Natriumsulfit (Na₂SO₃) und Kaliumsulfit (K₂SO₃), schwach alkalisch.

Bei der Verbrennung fossiler Materialien, wie Erdgas, Erdöl und Kohle, entweicht Schwefeldioxid in die Atmosphäre und bildet dort einen der bedenklichsten Luftschadstoffe. Besonders stark findet man den Schadstoff in Industrie- und Autoabgasen. Die Konzentration von Schwefeldioxid in Luft kann von 0,01 bis zu mehreren ppm (parts per million) reichen. Die Substanz verursacht zusammen mit anderen Stoffen (z. B. Stickoxiden) den sauren Regen. Siehe Luftverschmutzung

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Vorkommen

Schwefel steht in seiner Häufigkeit an 16. Stelle unter den in der Erdkruste vorkommenden Elementen. Sowohl in elementarem als auch in gebundenem Zustand ist Schwefel weit verbreitet. Gebunden tritt das Nichtmetall in vielen metallischen Sulfiden auf, u. a. in Bleisulfid oder Galenit (PbS), Zinkblende (ZnS), Kupferkies mit der Formel (Cu,Fe)S₂, Cinnabarit (HgS), Stibnit (Sb₂S₃) und Pyrit (FeS₂). Schwefel verbindet sich auch mit anderen Elementen zu Sulfaten, beispielsweise zu Baryt (BaSO₄), Coelestin (SrSO₄) und Gips (CaSO₄ · 2H₂O). Des Weiteren ist er in Molekülen vieler organischer Substanzen enthalten, z. B. in Senf, Eiern, Haar, Proteinen und Knoblauchöl.

In freiem Zustand findet man Schwefel häufig vermischt mit Gips und Naturbimsstein in vulkanischen Gebieten wie beispielsweise auf Island und Sizilien, in Mexiko und Japan. Dabei bildet er oft ein Sublimat, das die Kraterränder der Vulkane umgibt. Riesige unterirdische Lagerstätten wurden in den Vereinigten Staaten an vielen Stellen gefunden – beispielsweise in Louisiana und Texas. Freier Schwefel kann sich bei der Verwitterung der Pyrite bilden. Er lagert sich auch in geothermisch aufgeheizten Gewässern ab, in denen der enthaltene Schwefelwasserstoff durch atmosphärischen Luftsauerstoff oxidiert worden ist. Die jährliche Weltproduktion an elementarem Schwefel betrug zu Beginn der neunziger Jahre etwa 52,7 Millionen Tonnen.

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Gewinnung

Es gibt verschiedene Methoden, um elementaren Schwefel zu gewinnen. Auf Sizilien wird schwefelhaltiges Gestein in großen Meilern oder Ringöfen ausgeschmolzen. Der so gewonnene Rohschwefel kann mittels Erwärmen weiter gereinigt werden: Unterhalb der Schmelztemperatur gelangt der Dampf in eine große Ziegelkammer, wo er an den Wänden als feines Pulver kondensieren kann, das man Schwefelblüte oder -blume nennt. Wenn man das Verfahren bei höheren Temperaturen durchführt, sammelt sich am Boden der Kammer flüssiger Schwefel an, den man in hölzernen Formen zu Stangenschwefel erstarren lässt.

Ein anderes Gewinnungsverfahren für Schwefel ist das so genannte Frasch-Verfahren. Es wurde 1891 von dem amerikanischen Chemiker Herman Frasch erfunden und wird bei Lagerstätten in Tiefen von etwa 275 Metern oder tiefer unter der Erdoberfläche (z. B. in Louisiana und Texas) angewandt. Bei dieser Methode werden vier konzentrische Rohre, von denen das größte einen Durchmesser von 20 Zentimetern hat, in die schwefelhaltigen Schichten getrieben. Durch die äußeren Rohre presst man überhitzten Wasserdampf (175 °C), und der Schwefel schmilzt. Wenn eine genügend große Menge an geschmolzenem Schwefel zusammengekommen ist, presst man heiße Luft durch das innerste Rohr nach unten. Diese bildet mit dem geschmolzenen Schwefel einen Schaum, der dann durch das verbleibende freie Rohr an die Oberfläche gedrückt wird. Man lässt den Schwefel in hölzerne Behälter laufen und erstarren. Das Produkt besteht zu etwa 99,5 Prozent aus reinem Schwefel.

Des Weiteren kann man Schwefel aus Pyriten gewinnen, indem man diese in so genannten Retorten aus Eisen oder feuerfestem Ton erhitzt. Der auf diese Weise gewonnene Schwefel enthält aber gewöhnlich noch Spuren von Arsen.