Schwefel: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 20. Oktober 2008, 20:11 Uhr

Schwefel

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.

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). Flüssiger Schwefel

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.

Im Pharmazeutischen gibt es Schwefel in 3 verschiedenen Pulverformen:

1.Sulfur praecipitatum, der sogenannte gefällte arsenfreie Schwefel in fein verteilter Form. Es wird auch als Schwefelmilch bezeichnet. Angewendet wird es bei äußerlichen Hauterkrankungen. 2.Sulfur depuratum, das ist der gereinigte arsenfreie Schwefel, nennt man auch Schwefelblüten. Es wird aus sublimiertem Schwefel gewonnen (der subl. Schwefel ist eine feinkristalline Schwefelblüte). Angewendet wird es als mildes Abführmittel. 3.Sulfur colloidale ist der sogenannte Kolloidale Schwefel. Das ist der feinste Schwefel und wird in Salben eingesetzt

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

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

Früher bildete das gediegene Mineral eine wichtige Quelle für Schwefel.

In der Nähe von Vulkanen kommen Fumarole vor, die nicht nur Schwefelwasserstoff, sondern auch elementaren Schwefel ausstoßen. 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 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 -VI) 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  [Bearbeiten]Der Schwefel wird 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:

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.[3] 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.