Prof. Dr. Bernhard Neumüller Referent: Martin Stolze · 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung Erfassung dieses Themas

Philipps Universität Marburg

Fachbereich 15: Chemie

Experimentalvortrag

Dozenten: Dr. Philipp Reiß

Prof. Dr. Bernhard Neumüller Referent: Martin Stolze

Inhaltsverzeichnis

1. Zustandsformen

2. Vorkommen

3. Gewinnung und Darstellung

4. Chemische Reaktionen

5. Verwendung

1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung

2


Fester Zustand:

- thermodynamisch stabilste Form unter Normalbedingungen

orthorhombischer Schwefel (α-Schwefel-S8)

Abb. 1: orthorhombischer Schwefel

(Quelle: Schmidt 2009,

http://www.cumschmidt.de/sm_schwefel_krist.htm ) Abb. 2: kronenförmige S8-Moleküle

(Quelle: Anonymus 2009, http://www.cup.uni-

muenchen.de/ac/kluefers/homepage/L_ac1.html)

- gelbes, geruchsloses Nichtmetall

3


Demonstrationsversuch 1:

monokliner Schwefel

4


Fester Zustand:

- Erwärmung des orthorhombischen Schwefels auf 95,6°C

monokliner Schwefel (β-Schwefel (β-S8))

- aus S8-Ringen aufgebaut

- unter 96,5°C wandelt er sich

langsam zum orthorhombischen

Schwefel um

Abb. 3: monokliner Schwefel

(Quelle: Seilnacht 2009,

http://www.seilnacht.com/versuche/expschw.html)

5


Versuch 1:

plastischer Schwefel

6


Flüssiger Zustand:

Sα Sβ Sλ Sπ Sμ

rhombisch monoklin dünn- / zäh- / dünnflüssig

hellgelb hellgelb gelb dunkelrotbraun

fester Schwefel flüssiger Schwefel

(abgeschreckt; plastischer Schwefel)

95,6°C

119,6°C

Abb. 4: Erhitzen von Schwefel im Reagenzglas

(Quelle: Seilnacht 2009, http://www.seilnacht.com/Lexikon/16Schwef.htm )

Smp.

7


Gasförmiger Zustand:

Sλ Sπ Sμ S8 S7 … S2 S1

dünn- / zäh- / dünnflüssig (445°C – 2200°C)

gelb dunkelrotbraun dunkelrotbraun

flüssiger Schwefel gasförmiger Schwefel

444,6°C

Sdp.

Abb. 5: Erhitzen von Schwefel im Reagenzglas

(Quelle: Seilnacht 2009, http://www.seilnacht.com/Lexikon/16Schwef.htm ) 8


Vorkommen

- in der Natur in freier sowie gebundener Form

- Lagerstätten in: Italien (Sizilien)

Nordamerika (Louisana, Texas)

Mittelamerika (Mexiko)

Südamerika (Peru, Chile)

Japan (Hokkaido)

Abb. 6: physische Weltkarte

(Quelle: Benkert 2007,

http://www.mygeo.info/karten/physische_weltkarte_cia_2007.jpg)

9


Vorkommen

Abb. 7: Erdbeben und Vulkanismus/Plattentektonik (Quelle: Michael et al. 2008, S. 224f.) 10


11

Vorkommen

- Gebirgsauffaltung und Bildung von Vulkanketten durch Konvergenz

zwischen der ozeanischen und der südamerikanischen Kontinentalplatte

- Schwefel an Vulkanschloten, -kratern u.a.

Abb. 8: Schnitt durch die Erdkruste (Quelle: Micheal et al. 2008, S. 222f.)


Vorkommen

Sulfur Springs, Hot Springs; Bildung von

gashaltigen Schwefelblasen

Yellowstone Nationalpark

Fumarolen mit starker Schwefelabscheidung

Yellowstone Nationalpark

Ein mit flüssigem Schwefel gefülltes Becken; Yellowstone Nationalpark

Abb. 9 - 11: (Quelle: Nockemann 2010, http://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/Mineralienportrait/Schwefel) 12



schwefelhaltige Mineralien

13


Vorkommen

- Sulfate:

Calciumsulfat (Selenit, CaSO4∙2H2O) Schwerspat (Bariumsulfat, BaSO4) Strontiumsulfat (Cölestin, SrSO4)

Abb. 12 – 14: (Quelle: Nockemann 2010, http://www.mineralium.com )

Abb. 15: Natriumsulfat (Glaubersalz, Na2SO4∙10H2O)

(Quelle: Seilnacht 2009, http://www.seilnacht.com/Lexikon/11Natriu.htm) 14


Vorkommen

- Sulfide:

Zinkblende (Sphalerit, ZnS) Realgar (Rauschrot, As4S4)

Abb. 16 – 20: (Quelle: Nockemann 2010, http://www.mineralium.com )

15

Eisenkies (Pyrit, FeS2) Bleiglanz (Galenit, PbS) Kupferkies (Chalkopyrit, CuFeS2)


Vorkommen

- Zinkblendestruktur:

nach ihrem Hauptvertreter der

Zinkblende (Zinksulfid, ZnS) benannte

Kristallstruktur (AB-Typ)

kubisch flächenzentrierte Elementarzelle

Zink- und Schwefel-Atome bilden ab-

wechselnd dichtest gepackte Ebenen der

Folge ABCABC

Abb. 17: Zinkblendestruktur

(Quelle: Chemgapedia 2010,

http://www.chemgapedia.de/vsengine/popup

/vsc/de/glossar/z/zi/zinkblende_00045strukt

ur.glos.html )

16


Vorkommen

- organisch gebundener Schwefel

als Bestandteil der Eiweißstoffe in der Biosphäre

(z.B. Aminosäuren Cystein und Methionin)

Cystein Methionin

in Form von Schwefelwasserstoff (H2S) (Verwesung, Faulen von Eiern)

in fossilen Brennstoffen (Kohle, Erdöl, Erdgas)

SH

NH2

O

OH CH3

S

NH2

O

OH

17


Versuch 2:

Schwefelverbindungen im

Knoblauch

18


Vorkommen

Nachweis schwefelhaltiger Verbindungen im Knoblauch

H2S(g) + Pb2+(aq) PbS(s) + 2 H+

(aq)

Schwefelwasserstoff Bleisulfid (braunschwarz)

Abb. 18: Knoblauch

(Quelle: Arnold 2007, http://www.awl.ch/heilpflanzen/allium_sativum/index.htm )

19


Vorkommen

- im Knoblauch: Alliin + Enzyme u.a.

- Durch Verletzung der Zellen kommen diese Enzyme in Kontakt mit Alliin.

- Abbau dieser Verbindung Allicin wird gebildet

CH2

S

O NH2

O

OH

CH2

S

S

CH2

O

Alliin Allicin

Allinase-

enyzme

20


Gewinnung und Darstellung:

- Frasch-Verfahren

unterirdisches Aufschmelzen von

Schwefel

Wasser wird bei ca. 170°C unter Druck

in die Lagerstätte gepresst.

Mittels heißer Druckluft wird der

Schwefel zusammen mit dem Wasser

an die Oberfläche gefördert.

Abb. 19: Schwefelextraktion durch das Frasch-Verfahren

(Quelle: Seroka 2008, http://www.mineralienatlas.de/

lexikon/index.php/Bildanzeige?pict=1210394535) 21


Versuch 3:

Darstellung von Schwefel

(Claus-Verfahren)

22


Gewinnung und Darstellung

- Claus-Verfahren

Darstellung aus Schwefelwasserstoff

aus der Gewinnung oder Aufbereitung fossiler Brennstoffe (Kohle, Erdöl)

anfallenden Gasen oder in Erdgas

Entschwefelung von Erdöl

H2S(g) + 3 2 O2(g) SO2(g) + H2O(g)

SO2(g) + 2 H2S(g) 3

8 S8(s) + 2 H2O(g)

___________________________________________________

3 H2S(g) + 3 2 O2(g) 3

8 S8(s) + 3 H2O(g)

23

-2 0 -2 +4

-2 +4 0

-2 0 -2 0


Versuch 4:

Chemische Reaktion des

Schwefels mit Eisen

24


chemische Reaktionen

- Reaktion zwischen Metall und Schwefel (Nichtmetall)

+

Eisen + Schwefel Eisensulfid

Reaktionsgleichung:

Fe(s) + S(s) FeS(s)

Oxidation: Fe Fe2+ + 2 e-

Reduktion: S + 2 e- S2-

Oxidation (Elektronenabgabe): + 2 e-

Reduktion (Elektronenaufnahme): - 2 e-

Redoxreaktion

25

0 0 +2 -2

0

0

+2

-2


Verwendung:

- elementarer Schwefel: hauptsächlich zur Herstellung von Schwefelsäure

Herstellung von Düngemitteln

- Erzeugung anorganischer und organischer Verbindungen:

Schwefeldioxid (SO2): Desinfizieren von Wein- und Bierfässern

(„Ausschwefeln“)

fäulnis- und gärungshindernde Wirkung

Schwefelhexafluorid (SF6): Isoliergas (Hochspannungsanlagen)

Isolierglasscheiben (Füllgas)

Schutzgas (Mg-Schmelze)

26


Verwendung:

- Herstellung von Schwefelsäure

Darstellung nach den Kontaktverfahren

S8(s) + O2(g) SO2(g)

______________________________________

V2O5(s) + SO2(g) V2O4(s) + SO3(g)

V2O4(s) + O2(g) V2O5(s)

______________________________________

SO2(g) + O2(g) SO3(g)

27

0 0 +4 -2

+4 0 -2 +6

+4

0

+6 -2


Verwendung:

- Herstellung von Schwefelsäure

Darstellung nach den Kontaktverfahren

SO3(g) + H2SO4(l) H2S2O7(l)

H2S2O7(l) + H2O(l) 2 H2SO4(l)

__________________________________________

SO3(g) + H2O(l) H2SO4(l)

- Kunstdünger: H2SO4(l) + 2 NH3(g) (NH4)2SO4(s)

28


Verwendung:

- elementarer Schwefel: hauptsächlich zur Herstellung von Schwefelsäure

Herstellung von Düngemitteln

- Erzeugung anorganischer und organischer Verbindungen:

Schwefeldioxid (SO2): Desinfizieren von Wein- und Bierfässern

(„Ausschwefeln“)

fäulnis- und gärungshindernde Wirkung

Schwefelhexafluorid (SF6): Isoliergas (Hochspannungsanlagen)

Isolierglasscheiben (Füllgas)

Schutzgas (Mg-Schmelze)

29


Versuch 5:

Herstellung und Reaktion von

Schwarzpulver

30


Verwendung:

- Zündholzindustrie: Herstellung von Schwarzpulver

Mischung aus Kaliumnitrat (KNO3(s)), Kohle (C(s)) und Schwefel (S(s))

entzündet sich bei einer Temperatur von 270°C

explodiert unter großer Volumenzunahme

als Reaktionsprodukte entstehen:

Gas: N2(g), CO2(g), CO(g), CH4(g), H2S(g), H2(g)

Rauch: K2CO3(s), K2SO4(s), K2S2O3(s), K2S2(s), KSCN(s), (NH4)2CO3(s)

31


Herstellung und Zündung von

Streichhölzern


32


Verwendung:

- Zündholzindustrie: Herstellung von Streichhölzern

eigentliche Zündung erfolgt an der Reibfläche (Glaspulver + roter Phosphor)

2 KClO3(s) KClO4(s) + KCl(s) + O2(g)

KClO4(s) KCl(s) + 2 O2(g)

_____________________________________

2 KClO3(s) 2 KCl(s) + 3 O2(g)

3 S(s) + 3 O2(g) 3 SO2(g)

______________________________________

2 KClO3(s) + 3 S(s) 3 SO2(g) + 2 KCl(s) (Gesamtreaktion)

33

∆

0 +4

-1 +5

+5 0 +4 -1

+5 -1

-1

+7

+7

∆


Verwendung:

Vulkanisation von Kautschuk

Farbstoffe (Lapislazuli, Ultramarin)

- in der Medizin als Pharmazeutika (Salben, Cremes)

- Insektizide

Abb. 21: Lapislazuli

(Quelle: Seilnacht 2009,

http://www.seilnacht.com/Lexikon

/Lapis.htm )

Abb. 20: Vulkanisierungs-

werkstatt

(Quelle: Krüger,

http://de.academic.ru/pictures/d

ewiki/98/8f2310cc75db67de02dfe4

3052c09714.jpg)

34


Erfassung dieses Themas im hessischen Lehrplan (G8)

Klassenstufe 7:

- chemische Reaktionen zwischen Metallen und Schwefel

(Bildung von Sulfiden an Bespielen) (Versuch 4)

Klassenstufe 9:

- Herstellung und Eigenschaften von Säuren

(Gefahren im Umgang mit Säuren (Bsp.: Schwefelsäure))

- Reaktionen von Säuren mit Wasser

(Emission von Schwefeloxiden (saure Niederschläge))

- Erdöl und Erdgas als Energieträger und Rohstoffe (Versuch 3)

35


36

Erfassung dieses Themas im hessischen Lehrplan (G8)

Klassenstufe 11:

- Sprengstoffe (Versuch 5, Demonstration 3)

Klassenstufe 12:

- Wahlthema Elektrochemie

(Galvanische Elemente, elektrochemische Stromerzeugung

(Bsp.: Natrium-Schwefel-Zelle))

- Prinzip vom Zwang

(Anwendungen des Prinzips vom Zwang in Natur, Technik und Industrie

(z.B.: Kontaktverfahren)


Quellen:

Anonymus (2009): kronenförmige S8-Moleküle. Online im Internet: http://www.cup.uni-muenchen.de/ac/kluefers/homepage/L_ac1.html. [Stand:

13.01.2010].

Arnold, W. (2007): Knoblauch. Online im Internet: http://www.awl.ch/heilpflanzen/allium_sativum/index.htm. [Stand: 13.01.2010].

Benkert, D. (2007): physische Weltkarte. Online im Internet: http://www.mygeo.info/karten/physische_weltkarte_cia_2007.jpg. [Stand:

14.01.2010].

Chemgapedia (2010): Zinkblendestruktur. Online im Internet:

http://www.chemgapedia.de/vsengine/popup/vsc/de/glossar/z/zi/zinkblende_00045struktur.glos.html. [Stand: 11.01.2010].

Krüger, E. (1946): Vulkanisierungswerkstatt. Online im Internet:

http://de.academic.ru/pictures/dewiki/98/8f2310cc75db67de02dfe43052c09714.jpg. [Stand: 15.01.2010].

Michael et al. (2008): Erdbeben und Vulkanismus. – 1. Auflage. Westermann-Verlag. Braunschweig. S. 224f.

Michael et al. (2008): Schnitt durch die Erdkruste. – 1. Auflage. Westermann-Verlag. Braunschweig. S. 222f.

Nockemann, R. (2010): Bleiglanz(Galenit, PbS), Online im Internet: http://www.mineralium.com/index.php?cat=GALENIT-

GALENA&lang=DEU&product=BGD-025 . [Stand: 15.01.2010].

Nockemann, R. (2010): Calciumsulfat (Selenit, CaSO4∙2 H2O). Online im Internet: http://www.mineralium.com/index.php?cat=SELENIT-

AUSTRALIEN&lang=DEU&product=SEA-004. [Stand: 15.01.2010].

Nockemann, R. (2010): Eisenkies (Pyrit, FeS2). Online im Internet: http://www.mineralium.com/index.php?cat=WG14&lang=DEU&product=PYR-093.

[Stand: 15.01.2010].

Nockemann, R. (2010): Kupferkies (Chalkopyrit, CuFeS2). Online im Internet: http://www.mineralium.com/index.php?cat=CHALKOPYRIT-

MISSOURI&lang=DEU&product=CPS-009 . [Stand: 15.01.2010].

37

Quellen:

Nockemann, R. (2010): Realgar (Rauschrot, As4S4). Online im Internet: http://www.mineralium.com/index.php?cat=REA&lang=DEU&product=REA-

004. [Stand: 15.01.2010].

Nockemann, R. (2010): Schwefel. Online im Internet: http://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/Mineralienportrait/Schwefel. [Stand:

11.01.2010].

Nockemann, R. (2010): Schwerspat (Bariumsulfat, BaSO4). Online im Internet:

http://www.mineralium.com/index.php?cat=BAR&lang=DEU&product=BAC-00. [Stand: 15.01.2010].

Nockemann, R. (2010): Strontiumsulfat (Cölestin, SrSO4). Online im Internet:

http://www.mineralium.com/index.php?cat=COM&lang=DEU&product=COE-019. [Stand: 15.01.2010].

Nockemann, R. (2010): Zinkblende (Sphalerit, ZnS). Online im Internet: http://www.mineralium.com/index.php?cat=SPH&lang=DEU&product=SPH-

014 . [Stand: 15.01.2010].

Schmidt, M. (2009): orthorhombischer Schwefel. Online im Internet:

http://www.cumschmidt.de/sm_schwefel_krist.htm. [Stand: 14.01.2010].

Seilnacht, T. (2009): Erhitzen von Schwefel im Reagenzglas. Online im Internet: http://www.seilnacht.com/Lexikon/16Schwef.htm. [Stand:

12.01.2010].

Seilnacht, T. (2009): Lapislazuli. Online im Internet: http://www.seilnacht.com/Lexikon/Lapis.htm. [Stand 20.01.2010].

Seilnacht, T. (2009): monokliner Schwefel. Online im Internet: http://www.seilnacht.com/versuche/expschw.html. [Stand: 14.01.2010].

Seilnacht, T. (2009): Natriumsulfat (Glaubersalz, Na2SO4∙10 H2O). Online im Internet: http://www.seilnacht.com/Lexikon/11Natriu.htm. [Stand:

15.01.2010].

Seroka, P. (2008): : Schwefelextraktion durch das Frasch-Verfahren. Online im Internet:

http://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/Bildanzeige?pict=1210394535. [Stand: 12.01.2010].


38

Documents

Prof. Dr. Bernhard Neumüller Referent: Martin Stolze · 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung Erfassung dieses Themas