Schwefel                         16S

  

Abb.: Schwefel

 

engl.: sulfur; sanskrit sweb oder sweblan ("schlafen" oder "erschlagen")

   
relative Atommasse: 32,065
Ordnungszahl: 16
Schmelzpunkt: 112,8
Siedepunkt: 444,67
Oxidationszahlen: 6, 4, 2, -2
Dichte: 2,07g/cm³
Härte (Mohs): 2
Elektronegativität (Pauling): 2,58
Atomradius: [Ne]3s23p4
Elektronenkonfiguration:  

 

Eigenschaften

 

Modifikationen des Schwefels

Der Schwefel besitzt eine ausgeprägte Tendenz, Ringe oder Ketten auszubilden. Dabei ist die S8-Konfiguration am stabilsten. Die S-Atome sind durch Einfachbindungen verbunden. Bei Normalbedingungen ist der rhombische α-Schwefel thermodynamisch stabil. Dabei liegen 16 S8-Moleküle in einer Elementarzelle. Die Kristalle sind hellgelb und spröde. Sie lassen sich nicht in Wasser lösen, aber sehr gut in CS2.

Erhitzt man den α-Schwefel auf 95,6°C, so erfolgt eine reversible Umwandlung in den monoklinen β-Schwefel, der ebenfalls aus S8-Molekülen besteht. Bei Raumtemperatur wandelt sich der β-Schwefel langsam wieder in den rhombischen α-Schwefel ab. Der Dampfdruck des Schwefels ist bei 100°C so groß, dass der Schwefel sublimiert. Der β-Schwefel schmilzt bei 119,6°C. Die Schmelze besteht aus S8-Ringen (γ-Schwefel), und bei sofortigem Abkühlen erstarrt sie wieder bei 119,6°C. Nach längerem Stehen erstarrt die Schmelze bei 114,5°C (natürlicher Schmelzpunkt). Die Schmelzpunkterniedrigung  ist auf die Bildung von etwa 5% an Fremdmolekülen in der Schmelze zurückzuführen (2,8% S7; 0,5% S6; 1,5% > S8). In der Nähe des Schmelzpunktes ist der Schwefel hellgelb und dünnflüssig. Mit steigender Temperatur wächst der Anteil an niedermolekularen Schwefelringen Sn (π-Schwefel; n = 6-26; hauptsächlich 6, 7, 9, 12) sowie hochmolekularen Schwefelketten Sx (μ-Schwefel; x = 103-106). Bei 159°C nimmt die Viskosität sprunghaft zu, die Schmelze wird dunkelrot, das Gleichgewicht verschiebt sich drastisch in Richtung µ-Schwefel. Durch Abschrecken dieser Schmelze erhält man plastischen Schwefel, der hochmolekulare Schwefelketten enthält. Er ist instabil und wandelt sich nach kurzer Zeit in kristallinen Schwefel um. Bei 187°C erreicht die Viskosität ein Maximum, bei höheren Temperaturen nimmt die Molekülgröße infolge thermischer Crackung ab und beim Siedepunkt ist die Schmelze dunkel-rotbraun und wieder dünnflüssig. In der Gasphase existiert ein temperaturabhängiges Gleichgewicht von Molekülen Sn mit n = 1-8. S-Atome überwiegen erst bei 2200°C. S8, S7, S6, S5 sind ringförmig gebaut. S4 ist kettenförmig und von  roter Farbe. S3 ist blau und wie O3 gewinkelt gebaut. S2 ist blauviolett, paramagnetisch und enthält eine Doppelbindung (die Elektronenkonfiguration ist analog der von O2).

Die Reaktion

4 S2 (g) → S8 (g)                     ΔH = -412kJ/mol

ist exotherm, während die Berechnung für die analoge hypothetische Reaktion von O2-Molekülen zu einem O8-Molekül eine Reaktionsenthalpie ΔH = +888kJ/mol ergibt.

Cyclooctaschwefel S8 ist bei Normaltemperatur nicht sehr reaktionsfähig. Bei Raumtemperatur reagiert Schwefel nur mit Fluor und Quecksilber. Bei erhöhter Temperatur verbindet er sich direkt mit vielen Metallen und Nichtmetallen (nicht mit Au, Pt, Ir, N2, Te, I, Edelgasen).

 

Beispiele:

Cu + S → CuS

H2 + S → H2S

 

Gegen Wasser und nichtoxidierende Säuren wie HC list S8 inert, von oxidierenden Säuren und Alkalien wird er angegriffen.

Synthetisch lassen sich Schwefelmodifikationen mit den Ringmolekülen Sn mit n = 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13, 15, 18, 20 herstellen. Nach thermischer Stabilität und Reaktionsfähigkeit können 4 Gruppen unterschieden werden.

S8        S12S18S20         S6S9S10S11S13S15                     S7

thermische Stabilität    

Reaktionsfähigkeit        →

 

S6 entsteht z.B. bei der Zersetzung von Thiosulfat mit Säuren:

Na2S2O3 + 2 HCl → 1/6 S6 + SO2 + 2 NaCl + H2O

 

Gasförmiger Schwefel

Der Dampf über flüssigem Schwefel, der bei 44,6°C 1,013bar erreicht, besteht zu mindestens 90% aus S8, S7 sowie S3 und nur untergeordnet aus den kleinen Molekülen S5, S4, S3 und S2. Letztere zeichnen sich durch charakteristische Farben aus:

S5 orangerot                S4 rot               S3 blau             S2 violett

 

Mit steigender Temperatur bilden sich S2-5 aus S>5 in temperatur- und druckabhängigen Gleichgewichten in zunehmendem Maße. Bei 700°C und 1mbar besteht der Schwefeldampf überwiegend aus S2-Molekülen. Oberhalb 1800°C beginnen auch die S2-Moleküle in S-Atome zu dissoziieren, die dann oberhalb von 2200°C bei Drücken < 10-5mbar dominieren.

Schwefel ist ein sehr reaktionsfägiges Element und geht mit nahezu allen anderen Elementen Verbindungen ein (ausser mit Gold, Platin, Iridium, Stickstoff, Tellur und Iod). Ander Luft verbrennt das Element unter blauer Flamme zu Schwefeldioxid (SO2) und teilweise auch zu Schwefeltrioxid (SO3). 

S  +  O2  →  SO2   DHR = -297 kJ/mol    

 

Vermischt man Schwefelpulver mit Eisenspänen oder anderen Metallpulvern und führt die für die Reaktion nötige Aktivierungsenergie zu, so entstehen in einer exothermen Reaktion die Metallsulfide.

Fe  +  S  →  FeS   DHR = -100 kJ/mol 
Zn  +  S  →  ZnS   
DHR = -201 kJ/mol  
Cu  + S  →  CuS   
DHR = -53 kJ/mol
  

 

Reagiert Schwefel mit Methan, so erhält man bei 700°C an einem Aluminiumoxide-Katalysator Schwefelkohlenstoff (eine giftige, farblose Flüssigkeit.

CH4  +  4 S  →  CS2  +  2 H2S bei 700°C an einem Al2O3-Katalysator 

 

Zusammen mit Wasserstoff entsteht Schwefelwasserstoff:

S  +  H2  →  H2S   DHR = -21 kJ/mol  

 

Von Salzsäure wird Schwefel nicht angegriffen, dagegen aber von oxidierend wirkenden Säuren wie konzentrierteSalpetersäuree. Schwefel ist ein wichtiger Ausgangsstoff zur Produktion von Schwefelsäure.

 

 

Vorkommen

 

Schwefel ist das 15. häufigste Element der Erde und macht somit 0,048% der Erdkruste aus. Außer in großen Lagerstätten mit elementarem Schwefel, taucht Schwefel in vielen Verbindungen und Mineralien auf (wie Pyrit, Bleiglanz, Zinkblende etc.). Außerdem ist Schwefel Bestandteil in für den Menschen essentiellen Aminosäuen sowie dem Vitamin B.

 

 

Geschichtliches

 

Das Element Schwefel ist seit der Antike und wahrscheinlich auch schon seit dem Altertum bekannt. In einigen Ländern wie China und Ägypten verwendete man das Element zum Bleichen von Textilien und zum Räuchern. In Sizilien wurde Schwefel in Schwefelminen von den Römern gewonnen.

Aber erst im Jahre 1777 vermutete Antoine Lavoisier (1743-1794) den elementaren Charakter des Schwefels. Der Beweis gelang aber erst 1809 den Naturwissenschaftlern Joseph Gay-Lussac (1778-1850) und Louis Jacques Thénard (1777-1857). Berzellsius führte 1814 die Abkürzung und das Elementensymbol S ein. 

 

 

Darstellung

 

Ein kleiner Teil des Weltverbrauchs an Schwefel wird durch elementaren Schwefel gedeckt. Meist wird Schwefel aus H2S-haltigem Gas nach dem Claus-Prozeß gewonnen. Zuerst wird dazu in einer Brennerkammer H2S zu SO2 oxidiert:

H2S + 3/2 O2 → SO2 + H2O                           ΔH = -581kJ/mol

 

Die Sauerstoffzufuhr muss so geregelt werden, dass sich ein Verhältnis H2S/SO2 = 2 einstellt. Dieses Gemisch reagiert in hintereinander geschalteten Reaktoren katalytisch zu Schwefel.

2 H2S + SO2 → 3 S + 2 H2O             bei 200 bis 300°C

 

Diese Reaktion findet auch in der Brennerkammer statt, so dass dort bereits 60% des H2S in Schwefel umgewandelt  werden.

 

 

Verwendung

 

Schwefel ist ein wichtiges Ausgangsprodukt für die chemischen Industrie. In erster Linie wird das Element zur Darstellung von Schwefelsäure nach dem Kontaktverfahren gebraucht. Schwefelsäure wird zu Düngemitteln weiter verarbeitet. Außerdem befindet sich Schwefel in Sprengstoffen, Feuerwerkskörpern und Zündhölzern. Schwefel wird ebenso beim Vulkanisieren von Gummi benötigt.
 

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