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Schwefel

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Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Schwefel, S, 16
Elementkategorie
Gruppe, Periode, Block 16, 3, p
Aussehen gelb
CAS-Nummer

7704-34-9

ATC-Code

D10AB02

Massenanteil an der Erdhülle 0,05
Atomar
Atommasse 32,065 u
Atomradius (berechnet) 100 (88) pm
Kovalenter Radius 102 pm
Van-der-Waals-Radius 180 pm
Elektronenkonfiguration [Ne] 3s2 3p4
1. Ionisierungsenergie 999,6
2. Ionisierungsenergie 2252
3. Ionisierungsenergie 3357
4. Ionisierungsenergie 4556
5. Ionisierungsenergie 7004,3
6. Ionisierungsenergie 8495,8
Physikalisch
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur orthorhombisch
Dichte 2,07 g/cm3[1]
Mohshärte 2
Magnetismus diamagnetisch
Schmelzpunkt 388,36 K (115,21 °C)
Siedepunkt 717,87 (444,72 °C)
Molares Volumen 15,53 · 10-6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie 9,6
Schmelzenthalpie 1,7175 kJ·mol−1
Dampfdruck 2,65 · 10-20 Pa bei 388 K
Spezifische Wärmekapazität 710 J·kg−1·K−1
Elektrische Leitfähigkeit 5,0 · 10-22 S·m−1
Wärmeleitfähigkeit 0,269 W·m−1·K−1
Chemisch
Oxidationszustände ±2, 4, 6
Normalpotential -0,48 V (S + 2e− → S2−)
Elektronegativität 2,58 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP
30S {syn.} 1,178 s ε 6,138 30P
31S {syn.} 2,572 s ε 5,396 31P
32S 95,02 % Stabil
33S 0,75 % Stabil
34S 4,21 % Stabil
35S {syn.} 87,32 d β− 0,167 35Cl
36S 0,02 % Stabil
37S {syn.} 5,05 min β− 4,865 37Cl
38S {syn.} 170,3 min β− 2,937 38Cl
39S {syn.} 11,5 s β− 6,640 39Cl
40S {syn.} 8,8 s β− 4,710 40Cl
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Kernspin γ in
rad·T−1·s−1 		Er (1H) fL bei
B = 4,7 T
in MHz
33S 3/2 2,053 1,72 · 10-5 7,670 (2,3488 T)
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung{{{GHS-Piktogramme}}}
H- und P-Sätze H: {{{H}}}
EUH: {{{EUH}}}
P: {{{P}}}
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Schwefel (chemisch nach dem lat. Sulphur [ˈzʊlfʊr] oder Sulfur genannt, im Deutschen eventuell vom Indogermanischen *suel- „schwelen“ abgeleitet) ist ein chemisches Element der Sauerstoffgruppe. Er verbrennt an der Luft mit blauer Flamme und erzeugt dabei stechend riechendes Schwefeldioxid. Schwefel ist für Lebewesen ein essentielles Element. Er kommt unter anderem in Aminosäuren und Koenzymen vor, und spielt eine wichtige Rolle bei der anaeroben Energiegewinnung vieler Mikroorganismen.

Die Silbe „-thio-“ stammt vom griech. θείον = Schwefel.

Modifikationen

Schwefel tritt in verschiedenen Modifikationen auf:

hochreine Schwefelkristalle

Fester Schwefel

  • Die bei Raumtemperatur thermodynamisch stabilste Modifikation des Schwefels ist α-Schwefel, orthorhombisch kristallisierend (orthorhombischer Schwefel). Er ist geruch- und geschmackslos und hat die typische schwefelgelbe Farbe.
  • Bei 95,6 °C liegt der Umwandlungspunkt zu β-Schwefel. Diese Schwefelmodifikation ist fast farblos und kristallisiert monoklin (monokliner Schwefel).
  • Seltener ist der ebenfalls monoklin kristallisierende γ-Schwefel (Rosickyit).


Schwefel schmilzt bei Verbrennung zu einer blutroten Flüssigkeit (oben). Die dabei entstehende blaue Flamme (unten) wird idealerweise in der Dunkelheit beobachtet.

Flüssiger Schwefel

  • λ-Schwefel: S8-Ringe (gelb) (Schwefelblüte)
  • π-Schwefel: Sn (6 ≤ n ≤ 25, n ≠ 8) niedermolekulare und größere Ringe
  • μ-Schwefel: Sn (103 ≤ n ≤ 106) hochmolekulare Ketten

Fester Schwefel besteht normalerweise aus S8-Molekülen, bei denen acht Schwefel-Atome in einem Ring zick-zack-förmig gebunden sind (sog. Kronenform). Beim Erhitzen schmilzt der β-Schwefel, wobei auch andere Ringe (v. a. S6, S7, S12) in temperaturabhängigen Anteilen auftreten. Bei weiterer Erhöhung der Temperatur brechen die Ringe durch thermische Anregung auf und bilden zunächst lange Ketten (Polymerisation, sog. λ-Übergang bei ca. 159 °C), diese verkürzen sich durch Zerfall dann bei steigender Temperatur wieder. Neben diesen Schwefelketten liegen aber immer auch S-Ringe vor, im wesentlichen jedoch S8. Am λ-Übergang ändern sich eine Reihe physikalischer Eigenschaften (z. B. Viskosität, optische Absorption und damit auch die Farbe). Gasförmiger Schwefel ist dunkelrot und besteht anfangs aus S8-Ringen, die bei höheren Temperaturen dann weiter aufbrechen, so dass die Moleküle immer kleiner werden. Ab etwa 1800 °C liegen Schwefelatome vor.

In der Pharmazie verwendet man drei verschiedene Arten von Schwefelpulver:

  1. Sulfur praecipitatum, der sogenannte gefällte arsenfreie Schwefel in fein verteilter Form, das auch als Schwefelmilch bezeichnet wird. Angewendet wird es bei äußerlichen Hauterkrankungen.
  2. Sulfur depuratum, gereinigter und arsenfreier Schwefel, wird auch Schwefelblüten genannt. Es wird aus sublimiertem Schwefel gewonnen (der sublimierte Schwefel ist eine feinkristalline Schwefelblüte). Angewendet wird es als mildes Abführmittel.
  3. Sulfur colloidale, sogenannter Kolloidaler Schwefel (der feinste Schwefel), der in Salben eingesetzt wird.

Vorkommen

Schwefel kommt mit einem Anteil von 0,048 % in der Erdhülle (15. Stelle der Elementhäufigkeit) vor. In der Natur kommt Schwefel elementar in mächtigen Lagerstätten z.B. in Sizilien, Polen, Irak, Iran, Louisiana, Texas und Mexiko vor.

Weitverbreitet ist Schwefel in sulfidischen Mineralien, wie Pyrit FeS2, Kupferkies CuFeS2, Bleiglanz PbS und Zinkblende ZnS. Die meisten Metalle (v.a. Schwermetalle) kommen in der Natur als schwerlösliche Sulfide vor.

Auch in Form von Sulfaten, wie Gips (CaSO4 · 2 H2O), Schwerspat (BaSO4) oder anderen schwer wasserlöslichen Sulfaten kommt Schwefel natürlich vor.

Eine wichtige Quelle für Schwefel sind fossile Brennstoffe wie Erdöl, Erdgas und Kohle. Vor allem Erdgas enthält relativ viel Schwefelwasserstoff (H2S). Es ist darin durch Abbau schwefelhaltiger organischer Stoffe entstanden.

Schwefel als Mineral

Schwefelkristall
Schwefelkristall
Monokliner Schwefel, Fumarole im Teidekrater, Teneriffa, Bildbreite: ca. 10 cm
Schwefel in Gips aus der Gipsgrube Weenzen

Schwefel tritt gediegen, also in elementarer Form, als Schwefelblüte (Gelber Schwefel) in der Natur auf. Er kristallisiert unterhalb etwa 95 °C im orthorhombischen Kristallsystem (α-Schwefel), hat eine Dichte von 2,0 bis 2,1, eine Härte von 1,5 bis 2,5 und eine hell- bis dunkelgelbe Farbe, sowie eine weiße Strichfarbe. Meist zeigt er hellgelbe prismen- oder pyramidenförmige Kristalle, die sich auf Gesteinsflächen aus schwefelreichen Gasen durch unvollständige Oxidation von Schwefelwasserstoff (H2S) oder Reduktion von Schwefeldioxid (SO2) bilden. Oberhalb etwa 95 °C kristallisiert Schwefel monoklin (β-Schwefel). Diese Form wandelt sich unterhalb 95 °C rasch in die orthorhombische α-Form um.

Reiner Schwefel ist relativ selten, wird allerdings in großen Mengen bei Vulkanausbrüchen freigesetzt. Er findet sich in Vulkanschloten oder an anderen Postvulkanischen Erscheinungen. Schwefel kommt aber auch in derber Form, das heißt, ohne mit bloßem Auge erkennbare Kristalle vor, insbesondere in Sedimenten oder Sedimentgesteinen. Häufig findet er sich in Evaporiten (Salzgesteinen), wo er meistens durch Reduktion von Sulfaten entsteht.

Charakteristisch für das Mineral sind neben der geringen Härte die Farbe und der niedrige Schmelzpunkt 112,8 °C (α-S) beziehungsweise 119,2 °C (β-S). Siedepunkt bei 444,7 °C

Gewinnung

Schwefel in Pulverform

Früher bildete das gediegene Mineral eine wichtige Quelle für Schwefel.

An Vulkanen und in ihrer Nähe kommen Fumarolen vor, die mit ihren Gasen neben Schwefelwasserstoff auch gasförmigen, elementaren Schwefel ausstoßen, der beim Abkühlen an der Austrittsstelle kondensiert und über 95 °C monokline, unterhalb 95 °C orthorhombische Kristalle bildet. Im Mittelalter waren Ablagerungen von solchen Fumarolen auf Island, etwa Námafjall, eine wichtige Quelle für die Herstellung von Schießpulver in ganz Europa.

3,5 Millionen Tonnen wurden jährlich mit Hilfe des von Hermann Frasch entwickelten Frasch-Verfahrens abgebaut, hauptsächlich in den USA und in Polen. Den größten Anteil machte jedoch aus Sulfiderzen gewonnener Schwefel aus: Aus dieser Quelle stammten etwa 50 Millionen Tonnen pro Jahr. Heute fällt der Schwefel in großen Mengen als Abfallprodukt bei der Entschwefelung von Erdöl mit Hilfe des Claus-Verfahrens an.

Biologische Bedeutung

Schwefel am Gipfel des Vulcano

Schwefel ist in den Aminosäuren Cystein/Cystin und Methionin − und in allen darauf aufbauenden Peptiden, Proteinen, Koenzymen und prosthetischen Gruppen − in Form von Thiolgruppen (Oxidationsstufe +II) oder Thioethergruppen enthalten. Weiterhin ist er in einigen Kofaktoren (Biotin, Thiaminpyrophosphat) in heterozyklischer Bindung enthalten. Schwefel ist damit ein essentielles Element lebender Zellen. Disulfidbrückenbindungen sind weit verbreitet und tragen zur Ausbildung und Stabilisierung von Proteinstrukturen bei. Auch in oxidierter Form spielt Schwefel in der Aminosulfonsäure Taurin (Oxidationsstufe +IV) eine wichtige biologische Rolle.

Einige Untergruppen der Proteobakterien, die Grünen Schwefelbakterien und einige Cyanobakterien sind in der Lage, Photosynthese zu betreiben, indem sie Schwefelwasserstoff (H2S) oder elementaren Schwefel an Stelle von Wasser (H2O) als Elektronendonator für die Reduktion von CO2 verwenden, siehe dazu exemplarisch Thiomargarita namibiensis. Diese Art von Photosynthese findet unter Sauerstoffausschluss statt.

Pflanzen nehmen Schwefel über die Wurzeln in Form von Sulfat-Ionen auf, die dann zu Sulfid reduziert und anschließend zur Bildung von Cystein und anderen organischen Schwefelverbindungen genutzt werden.

Schwefel-Assimilation in Pflanzen

Der Schwefel wird bei Gefäßpflanzen als Sulfat über die Wurzeln aufgenommen. Die Assimilation findet zwar auch in den Wurzeln statt, die Hauptmenge des Sulfats wird jedoch über die Xylemelemente in die Blätter transportiert und dort im Chloroplasten reduziert. Da Moose im Gegensatz zu Gefäßpflanzen in der Regel keine Stütz- und Leitgewebe ausbilden, nehmen sie das Sulfat in der Regel mit ihrem Protonema auf. In beiden Fällen erfolgt die Sulfatassimilation nach folgender genereller Sequenz:

Wie Genomvergleiche ergeben haben, besitzen einfach gebaute Pflanzen wie Physcomitrella patens und Selaginella moellendorffii sieben verschiedene Sulfattransporter während der Reis 13 und die Acker-Schmalwand 14 verschiedene Sulffattransporter besitzen [3]. Auch hinsichtlich der Enzymausstattung gibt es Unterschiede zwischen Moosen und Angiospermen. So besitzt das Laubmoos P. patens auch APR-Enzyme, die die Umwandlung von Sulfat zu Sulfit katalysieren, ohne Eisen-Schwefel-Cluster [4]. Damit sind sie in ihrer Proteinsequenz den PAPR-Enzymen aus Bakterien und Pilzen ähnlich.

Bei Pflanzen wurde bei Zunahme von Schwefel in der Umwelt eine Schwefel-induzierte Resistenz, das ist eine verstärkte Abwehrfähigkeit gegenüber Pathogenen und Herbivoren, beobachtet.

Ökologische Aspekte

Bei der Energiegewinnung aus fossilen Brennstoffen wie Steinkohle, Braunkohle und Erdöl werden große Mengen Schwefeldioxid SO2 freigesetzt. Dieses bleibt als Gas oder im Wasser der Wolken gelöst zunächst in der Atmosphäre. Dabei bildet es einen wichtigen Bestandteil des gesundheitsgefährdenden Smogs. Abgebaut werden kann es, indem von Sauerstoff zu Schwefeltrioxid SO3 oxidiert wird und dann als Schwefelsäure H2SO4 mit dem Regen ausgespült wird.[5] Daraus ergibt sich ein weiteres Problem, da diese als Bestandteils des Sauren Regens zur Versauerung der Böden beiträgt. Seit den 1970er Jahren sind darum Maßnahmen zur Rauchgasentschwefelung in Deutschland gesetzlich vorgeschrieben. Daneben wird seit einigen Jahren die Entschwefelung von Fahrzeugkraftstoffen (vor allem Diesel) forciert. Durch diese Vorschriften und ihre Umsetzungen konnten die Schwefelemissionen seit den 1960er Jahren drastisch reduziert werden. Dies spiegelt sich auch deutlich in der Tatsache wider, dass in der Landwirtschaft die Schwefeldüngung notwendig wird. Dies war zuvor nicht relevant.

Verwendung

Schwefel wird sowohl in der chemischen Industrie als auch in der pharmazeutischen Industrie genutzt, unter anderem zur Produktion von Schwefelsäure, Farbstoffen, Insektiziden und Kunstdüngern.

Der pharmazeutische Nutzen von Schwefel war bereits im Altertum bekannt. Innerlich wurde Schwefel als Laxans (Abführmittel) eingesetzt. Er reizt die Darmschleimhaut. Der dabei durch Bakterien erzeugte Schwefelwasserstoff regt die Peristaltik an. Äußerlich kamen Schwefelrezepturen bei Hauterkrankungen wie Akne, Ekzemen, Krätze, Mykosen u. a. zum Einsatz. Heute findet Schwefel in der Dermatologie nur noch selten Verwendung, ist aber noch nicht vollständig aus der pharmazeutischen Literatur verschwunden. Nach wie vor gibt es pharmazeutische Zubereitungen, die als Wirk- bzw. Hilfsstoff Schwefel enthalten. In der klassischen Homöopathie ist Sulfur eines der so genannten großen Mittel.

In der Schwerindustrie ist Schwefel als Legierungselement für Stahl bedeutend. Automatenstähle sind oft schwefellegiert, da Schwefel zu erhöhtem Spanbruch führt.

Schwefel findet auch bei der Herstellung von Schwarzpulver, als Salpeterschwefel in der Feuerwerkerei, oder bei anderen Explosivstoffen Verwendung.

Schwefelverbindungen

Sulfide

Oxide

Sauerstoffsäuren und Salze

Säuren des Typus H2SOn
Oxidationsstufe
des Schwefels		 Struktur Säuren Salze Beispiele
+II
Sulfoxylsäure
H2SO2		 Sulfoxylate
+IV
Schweflige Säure
H2SO3		 Sulfite
+VI
Schwefelsäure
H2SO4		 Sulfate
+VI
Peroxo(mono)schwefelsäure
H2SO5		 Peroxosulfate
Säuren des Typus H2S2On
mittlere Oxidationsstufe
des Schwefels		 Struktur Säuren Salze Beispiele
+I
Thioschwefelige Säure
H2S2O2		 Thiosulfite
(unbekannt)
+II
Thioschwefelsäure
H2S2O3		 Thiosulfate
+III
Dithionige Säure
H2S2O4		 Dithionite
+IV
Dischweflige Säure
H2S2O5		 Disulfite
+V
Dithionsäure
H2S2O6		 Dithionate
+VI
Dischwefelsäure
H2S2O7		 Disulfate
+VI
Peroxodischwefelsäure
H2S2O8		 Peroxodisulfate

Nitride

Halogenide

Organoschwefelverbindung

In zahlreichen organischen Verbindungen kommt Schwefel gebunden vor und wird unter Organoschwefelverbindung ausführlicher beschrieben.

Nachweis

Es existieren verschiedene Nachweisreaktionen für Schwefel. Schwefel wird in Verbindungen nach Reduktion durch elementares Natrium in Natriumsulfid überführt. Sulfid-Anionen weist man mit Blei-II-salzlösungen nach, wobei ein schwarzer Niederschlag von Blei-II-sulfid entsteht:

Beim Ansäuern von festen, also ungelösten Sulfiden entsteht zudem ein charakteristischer Geruch, nach faulen Eiern (Verdrängungsreaktion, Vorsicht: Das Gas Schwefelwasserstoff ist giftig; Einatmen vermeiden, Abzug!). Auch dieses Gas schwärzt Bleiacetatpapier.

Durch Oxidation schwefelhaltiger Verbindungen entstehen Sulfit und Sulfat. Letzteres weist man mit Barium-II-salzlösungen nach: Es entsteht ein weißer Niederschlag von Bariumsulfat:

Sulfit wird mit Kaliumhydrogensulfat nachgewiesen. Beim Verreiben der auf Sulfit zu prüfenden Substanz mit Kaliumhydrogensulfat entsteht das stechend riechende Schwefeldioxid. Für Natriumsulfit ergibt sich folgende Reaktionsgleichung:

Trivia

  • Bei den mittelalterlichen Alchemisten symbolisierte der Löwe den Schwefel
  • Nicht nur in der deutschen Literatur wird das Erscheinen des Teufels mit dem "Geruch von Schwefel" assoziiert, bzw. kündigt Schwefelgeruch das Erscheinen des Teufels an (vgl. auch die Rede von Hugo Chavez vor der UNO [6]). Dies ist zwar auch umgangssprachlich akzeptiert, fachlich aber falsch, da elementarer Schwefel keinen Geruch hat. Gemeint sind in der Regel besonders Schwefelverbindungen wie Schwefelwasserstoff oder der stechende Geruch von Schwefeldioxid.

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. ↑ S. J. Rettig, J. Trotter: Refinement of the structure of orthorhombic sulphur, α-S8. In: Acta Crystallographica. Bd. C 43, 1987, S. 2260–2262.
  2. ↑ Sicherheitsdatenblatt (alfa-aesar)
  3. ↑ Stanislav Kopriva, Gertrud Wiedemann, Ralf Reski (2007): Sulfate Assimilation in Basal Land Plants – What Does Genomic Sequencing Tell Us? Plant Biology 9, 556–564. [1]
  4. ↑ Stanislav Kopriva, Kai Fritzemeier, Gertrud Wiedemann, Ralf Reski (2007): The Putative Moss 3'-Phosphoadenosine-5'-phosphosulfate Reductase Is a Novel Form of Adenosine-5'-phosphosulfate Reductase without an Iron-Sulfur Cluster. Journal of Biological Chemistry 282, 22930–22938 [2]
  5. ↑ Holleman-Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102. Auflage, de Gruyter, Berlin, 2007.
  6. ↑ Der Spiegel, 20.09.2006[3]

Literatur

  • R. Steudel (Hrsg.): Elemental Sulfur and Sulfur-Rich Compounds (part I & II). In: Topics in Current Chemistry. Vol. 230 & 231, Springer, Berlin 2003
  • Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente - das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten. Hirzel, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3
Wiktionary: Schwefel – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Schwefel – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

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