Technische Prozesse  

1. Zusammenfassung
2. Untersuchung von Schwefel beim Erwärmen
3. Untersuchung der Reaktion von Schwefel mit Luft
4. Untersuchung von Schwefeldioxid
5. Untersuchung von Schwefeldioxid im teilgeschlossenen System
6. Bildung und Eigenschaften der Sulfide
7. Darstellung von Schwefelwasserstoff aus "Sulfidogen" (MERCK)

8. Entschwefelung von Erdgas

Literatur

1 Zusammenfassung

Schwefel hat auf Grund seines Vorkommens in der Biochemie des Lebens, bei der Deckung der Wärme-Energie in den gemäßigten Breiten der Erde, in der Industrie als Grundchemikalie und in der Didaktik der Chemie eine bedeutsame Rolle. Als unverzichtbares Element bietet es genügend Anlass, sich mit ihm und seinen Verbindungen unter Beachtung des Sicherheitsaspektes im Chemieunterricht zu beschäftigen.

Schwefel bildet als Element Lagerstätten und zusammen mit Metallen Erz-Lagerstätten. In der Industrie ist die Verbindung Schwefelsäure  von derart großer Bedeutung, dass die Produktion von Schwefelsäure als ein Bewertungsmaßstab für den Grad der Industrialisierung eines Landes bildet.

Schwefel und seine Verbindungen sind für die Existenz von Leben auf unserem Planeten notwendig. Schwefel kommt als Cystein und Cystin in den lebenswichtigen Aminosäuren vor. Eine Reihe von Duftstoffen enthalten Schwefel.

Im Chemie-Unterricht war Schwefel und seine Verbindung mit Eisen oft der Einstieg in die Welt der Chemie mit seinen chemischen Reaktionen und der Bildung neuer Stoffe. Die Tatsache, dass die beiden wichtigen gasförmigen Verbindungen zu der giftigen Stoffen zählen, kann mit als Ursache für das Ausbleiben der Wiederaufnahme der Schwefelverbindungen in den Chemieunterricht der Sekundarstufe I (Gymnasium) gelten. Das ist muss aber nicht sein, lässt sich doch gerade durch sorgfältige Planung von Experimenten und Apparaturen der sichere und sachgerechte Umgang mit Gefahrstoffen lehren und für Schülerinnen und Schüler wertvolle Denkansätze für den verantwortungsvollen Umgang mit Chemikalien und chemischer Industrie erkennen.

2  Untersuchung von Schwefel beim Erwärmen

Wie bei vielen anderen Stoffe beginnt man mit einem ungefährlichen Stoff, der bereits in der Natur vorkommt mit der Untersuchung. Beim Schwefel kommen dafür das Element, ein Metallsulfid,  ein -sulfit oder -sulfat in Betracht. Alle bilden Lagerstätten, das heißt, diese Stoffe sind  mit ihrer unmittelbaren Umgebung und den dort herrschenden Bedingungen wie Druck, Temperatur, Feuchtigkeit im thermodynamischen Gleichgewicht, sie reagieren nicht weiter. Um eine Reaktion zu erzwingen ist daher die Zufuhr von Energie notwendig oder das In-Kontakt-bringen mit anderen Stoffen notwendig, die sich nicht an der ursprünglichen Lagerstätte befinden.

Beginnt man die Untersuchung mit dem Erhitzen von elementarem Schwefel, so sollte man unter Luftabschluss arbeiten, um die Bildung und das Freiwerden giftiger Dämpfe zu vermeiden.

Dabei lernt man die verschiedenen Modifikationen und Aggregatzustände kennen. Hier kann auch die Bildung von Schwefelblume und plastischem Schwefel gezeigt werden, indem man den geschmolzenen Schwefel in kaltem Wasser abschreckt.

Schwefel hat auf Grund seines Vorkommens in der Biochemie des Lebens, bei der Deckung der Wärme-Energie in den gemäßigten Breiten der Erde, in der Industrie als Grundchemikalie und in der Didaktik der Chemie eine bedeutsame Rolle. Als unverzichtbares Element bietet es genügend Anlass, sich mit ihm und seinen Verbindungen unter Beachtung des Sicherheitsaspektes im Chemieunterricht zu beschäftigen.

3 Untersuchung der Reaktion von Schwefel mit Luft (-sauerstoff)

Versucht man jedoch den Schwefel an der Luft zu erhitzen, tritt sehr häufig die Verbrennung mit dem Sauerstoff der Luft ein, die zur Bildung des giftigen Schwefeldioxids führt und dessen Freisetzung daher unbedingt vermieden werden. muss (sichere Apparatur).

Man beginnt zweckmäßig in einer halboffenen Apparatur:

Im Reaktionsrohr A wird eine kleine Portion (ca. 50 mg) Schwefel langsam mit der Sparflamme des Gasbrenners erhitzt. Man alle Phasenumwandlungen erkennen, ohne dass die im Reaktionsrohr vorhandene Luft zum Zünden ausreicht. Wenn man jedoch am Kolbenprober zieht, zündet der heiße, dunkelbraune, dünnflüssige Schwefel und das Verbrennungsprodukt Schwefeldioxid sammelt sich im  Kolbenprober. Dieses Gas kann jetzt zur Untersuchung der Wirkung auf Pflanzen (Kresse auf Löschpapier in Einweckgläsern oder ähnlichen dicht schließenden Gefäßen) dosiert eingesetzt werden.

4  Untersuchung von Schwefeldioxid

Man kann jedoch auch die verschiedenen Eigenschaften des  Schwefeldioxids nacheinander mit Reagenzien in einer Gaswaschflasche untersuchen.

Geeignet sind die folgenden Reagenzien:

• Fuchsin als Reagenz für die Komplexbildung
• Kaliumpermanganat als Reagenz für die Redox- Eigenschaft
• Bromthymolblau (BTB) als Reagenz für die Säure-Basen-Eigenschaften

Anmerkung: bei Schwefeldioxid entfällt das Abbrennen des Gases in D

5  Untersuchung von Schwefeldioxid im teilgeschlossenen System

Man kann aber auch die Verbrennung und die Untersuchung mit BTB in einer Apparatur durchführen.

Das Ergebnis, Schwefeldioxid bildet mit Wasser eine Säure, kann in weiteren Versuchen zur Konstruktion sicherer Apparaturen eingesetzt werden.

Eine sichere Apparatur zur Untersuchung giftiger Gase sollte aus drei Komponenten bestehen:

1. der Darstellungseinheit zur Herstellung des giftigen Gases (A)

2. der Untersuchungseinheit auf die chemischen Eigenschaften und (D)

3. der Entsorgungseinheit zum Unschädlich-machen des giftigen Gases (E).

Daran anschließen sollten sich Reservevolumen, die im Störfall zur Aufnahme von Chemikalien dienen und das Austreten verhindert wird.

Weisen die einzelnen Komponenten stark unterschiedliche Reaktionsbedingungen auf, so sind sie durch Puffervolumen (C, F) zu trennen, damit die Chemikalien nicht zusammenkommen können. Eine Apparatur, mit der man die Eigenschaften von Schwefeldioxid untersuchen kann und die diesen Konstruktionsbedingungen genügt, ist die folgende:

Im Reaktionsrohr (A) wird Schwefel mit Luft verbrannt, die Wasserfalle (C) trennt die Gaswaschflasche (D), die das Nachweismittel enthält, von heißen Reaktionsrohr ab. In der Gaswaschflasche (D) findet die Entsorgung vom überschüssigen Schwefeldioxid statt. Da es sich mit Wasser zu Schwefliger Säure umsetzt (Ergebnis der Vorversuches), kann es durch den Antagonisten Natronlauge neutralisiert und damit absorbiert werden. Das gebildete Salz Natriumsulfit ist stark wasserlöslich. Natriumsulfit selbst ist wie Schwefelsäure ein starkes Reduktionsmittel, daher muss es noch durch ein mildes Oxidationsmittel (Wasserstoffperoxid, Kaliumpermanganat) oxidiert werden, bevor es als Natriumsulfat ins Abwasser gegeben werden kann. Natrium-Ionen und Sulfat-Ionen sind in Form der Mineralsalze in Trinkwasser vorhanden.

Die so erkannte Eigenschaften können nun wissenschaftlich und technisch genutzt werden.

So dient die Komplexbildung von Schwefeldioxid mit Fuchsin zur Herstellung von farbloser Fuchsinschwefliger Säure, die wiederum zum Nachweis von Aldehyden benutzt wird, wobei die rote Farbe des freiwerdenden Fuchsin als Indikator wirkt.

Die reduzierende Eigenschaft kann zum Aufschluss eingesetzt werden (Papier-Herstellung Uni-Bielefeld). Die reduzierenden Eigenschaften werden auch bei der Weinherstellung zum Abtöten der Hefen eingesetzt.

Die sauren Eigenschaften dienen hauptsächlich zur Absorption von Schwefeldioxid in Laugen z.B. bei der Rauchgasentschwefelung.

Ein großer Teil der Erzlagerstätten sind sulfidische Erze, da die meisten Schwermetallsulfide wenig bis äußerst wenig wasserlöslich sind. Bei der Gewinnung der Schwermetalle fällt ebenfalls Schwefeldioxid an, da der erste Schritt bei der Gewinnung der Metalle die Umsetzung der Sulfid mit Luft zu den Oxiden ist ("Rösten" genannt).

6  Bildung und Eigenschaften der Sulfide

Im Chemieunterricht hat man früher gern die Bildung von Eisensulfid aus Eisen und Schwefel zur Herstellung einer Verbindung mit neuen, von den Ausgangsstoffen abweichenden Eigenschaften herangezogen. Bringt man die Elemente Eisen und Schwefel in einem offenen System zur Reaktion, so lässt es sich nicht vermeiden, dass Schwefeldioxid freigesetzt wird.

Reaktion von Eisen mit Schwefel; Uni-Siegen als htm ;

Daher muss bereit zur Synthese von Eisensulfid eine Apparatur verwendet werden, die eventuell gebildetes Schwefeldioxid aufnimmt und entsorgt. Das dann gebildete Eisensulfid kann weiter untersucht werden.

Versetzt man die Metallsulfide mit einer starken Mineralsäure, so bilden sich dei entsprechenden Salze und Schwefelwasserstoff (di-Hydrogensulfid) wird frei. Der Grund ist Verschiebung des Gleichgewichtes wegen der Flüchtigkeit des Schwefelwasserstoffs. Schwefelwasserstoff ist ein sehr giftiges, schon in kleinsten Mengen nach "faulen Eiern" riechendes giftiges Gas (T+). Eine Giftigkeit liegt etwa bei einem Fünftel der als besonders giftig bekannten Blausäure. Im Gegensatz zur Blausäure ist der Mensch in der Lage, wegen des intensiven Geruches weit vor der Gefahr der Vergiftung der Gefährdung  auszuweichen. Das Freisetzen von Schwefelwasserstoff (T+) mit den Vorschriften der SiNTU nicht mehr vereinbar.

Statt dessen kann man jedoch das freiwerdende Gas Schwefelwasserstoff zur Fällung von Kupfersulfid aus Kupfersulfat-Lösungen heranziehen. Dieses Verfahren wird tatsächlich bei der Klärung von Abwasser aus Sondermülldeponien verwendet. Dort fällt man mit Carbonaten und Sulfiden im alkalischen die Schwerlöslichen Schwermetalle aus und filtriert diese ab, bevor man das Abwasser weiterbehandelt.

Eine Apparatur, die das leistet ist die folgende:

7  Darstellung von Schwefelwasserstoff aus "Sulfidogen" (MERCK)

Kommt es auf die Bildung von Schwefelwasserstoff zur Weiterverwendung an z.B. im Kationen- Trennungsgang , ist die Thermolyse von festem Paraffin mit Schwefel nach F. Seel zu empfehlen.

Man mischt dazu 25 Gewichtsteile Paraffin mit 15 Teilen Schwefelblüte , indem man mit es auf dem Wasserbad schmilzt. In die homogene Schmelze rührt man 7 Teile Kieselgur. Die Masse ist bei Zimmertemperatur spröde, bei ca. 40°C jedoch plastisch verformbar. Mit dem Korkbohrer lassen sich kleine Portionen anstechen. Bei 170 °C zersetzen sich 0,5 Gramm des Gemisches unter Bildung von ca. 120 mg Schwefelwasserstoff. Die Reaktion ist durch unterschiedliches Heizen zu steuern. Das Gemisch ist u.a. unter dem Namen "Sulfidogen" (MERCK) in Chemikalienhandel erhältlich.

8 Entschwefelung von Erdgas

Von besonderer Entschwefelung von Erdgas durch das CLAUS-Verfahren. Dazu lässt man den im natürliche Erdgas vorkommende Schwefelwasserstoff in Waschtürmen mit Schwefliger Säure reagieren. wobei sich Schwefel und Wasser bildet. Ein teil des Schwefel wird dann mit Luft verbrannt und erneut in die Waschtürme eingeleitet, wodurch wieder Schwefel ausfällt. Aus diese Weise erhält man ein Erdgas mit niedrigen Schwefelgehalt, das problemlos auch in Feuerungsanlagen der Ballungszentren eingesetzt werden kann, ohne das sich der berüchtigte Smog bildet.

Zur Demonstration der Entsorgung eines giftigen Gases (SO₂) mit einem Gas der Kategorie sehr giftig (H₂S) entwickelt man die beiden Gase aus ihren Salzen und füllt damit je einen Kolbenprober. Anschließend spült man die beiden Gase abwechselnd durch eine angesäuerte wässrige Lösung, wobei Schwefel ausfällt.

lit Literatur

Hinweise auf  die gesetzlichen Bestimmungen

Chemikaliengesetz ChemG
Gefahrstoffverordnung GefStoffV
Richtlinie "Sicherheit im naturwissenschaftlich-technischen Unterricht" SiNTU 

Viktor Obendrauf: Pyrotechnik

© 1997-2003 HMTC - Halbmikrotechnik Chemie GmbH;
Klaus-G. Häusler uiw. at .halbmikrotechnik-chemie.de