Schwefel - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 9-10, G-Niveau

Einleitung

Schwefel ist ein gelbes, festes Element mit dem Symbol S und der Ordnungszahl 16. Du begegnest Schwefel in Mineralen, Vulkanen, Lebewesen, Düngemitteln, Autoreifen und vielen Industrieprodukten. Elementarer Schwefel ist geruchlos. Der bekannte Geruch nach faulen Eiern stammt dagegen meist von Schwefelwasserstoff.

Dieser aiMOOC richtet sich an Lernende der Schule im Fach Chemie. Du untersuchst den Aufbau des Schwefelatoms, typische Eigenschaften, wichtige Reaktionen, Schwefelverbindungen, Gewinnung, Verwendung und Umweltwirkungen. Versuche mit brennendem Schwefel oder giftigen Schwefelverbindungen dürfen nur fachgerecht im Chemieunterricht durchgeführt werden.

Video laden

YouTube

YouTube sammelt möglicherweise persönliche Daten. Datenschutzrichtlinie

Fortfahren Ausblenden

Lernziele

Nach der Bearbeitung kannst Du Schwefel im Periodensystem einordnen, Stoffeigenschaften beschreiben, Reaktionsgleichungen deuten und zwischen elementarem Schwefel, Sulfiden, Sulfiten und Sulfaten unterscheiden. Du kannst außerdem erklären, weshalb Schwefel für Lebewesen und Industrie wichtig ist und warum einige Schwefelverbindungen Umwelt und Gesundheit gefährden.

Input

Steckbrief des Elements

Merkmal	Angabe
Name	Schwefel
Elementsymbol	S
Ordnungszahl	16
Stellung	3. Periode, 16. Gruppe, Chalkogene
Elektronenkonfiguration	$\mathrm{[}\mathrm{N}\mathrm{e}\mathrm{]}\mathrm{3}{\mathrm{s}}^{\mathrm{2}}\mathrm{3}{\mathrm{p}}^{\mathrm{4}}$
Valenzelektronen	6
Aggregatzustand bei Raumtemperatur	fest
Farbe	gelb
Schmelzpunkt	etwa 115 °C
Siedepunkt	etwa 445 °C

Die Ordnungszahl 16 bedeutet: Ein neutrales Schwefelatom besitzt 16 Protonen im Kern und 16 Elektronen in der Hülle. In der Außenschale befinden sich sechs Elektronen. Deshalb kann Schwefel unterschiedliche Bindungen eingehen und mehrere Oxidationszahlen annehmen. Besonders häufig sind −II, 0, +IV und +VI.

Stoffeigenschaften

Reiner Schwefel ist bei Raumtemperatur ein gelber, spröder Nichtmetall-Feststoff. Er leitet elektrischen Strom und Wärme schlecht und ist in Wasser praktisch unlöslich. Schwefelpulver kann sich entzünden; beim Verbrennen entsteht überwiegend giftiges Schwefeldioxid. Staub-Luft-Gemische können gefährlich sein.

Wichtig ist die Unterscheidung: Elementarer Schwefel ist geruchlos. Viele unangenehme Gerüche werden von Schwefelverbindungen verursacht. Schwefelwasserstoff riecht in sehr kleiner Konzentration nach faulen Eiern, ist aber hochgiftig. Auf den Geruch darf man sich als Warnsignal nicht verlassen.

Teilchenbau und Modifikationen

Elementarer Schwefel besteht häufig aus ringförmigen ${\mathrm{S}}_{\mathrm{8}}$-Molekülen. Acht Schwefelatome bilden dabei einen gewellten Ring. Derselbe Stoff kann unterschiedliche Kristallstrukturen besitzen. Diese Erscheinung heißt Allotropie.

1. Rhombischer Schwefel: bei Raumtemperatur stabile gelbe Kristallform
2. Monokliner Schwefel: bei höheren Temperaturen stabile, nadelförmige Kristallform
3. Plastischer Schwefel: beim schnellen Abkühlen einer heißen Schwefelschmelze entstehende, zunächst elastische Form

Die verschiedenen Modifikationen bestehen nur aus Schwefelatomen, unterscheiden sich aber in Anordnung und Struktur. Dadurch ändern sich einige physikalische Eigenschaften.

Vorkommen in der Natur

Schwefel kommt elementar vor, besonders in vulkanisch aktiven Gebieten. Häufiger ist er chemisch gebunden.

1. Sulfide: zum Beispiel Pyrit $\mathrm{F}\mathrm{e}{\mathrm{S}}_{\mathrm{2}}$, Zinkblende $\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{S}$ und Bleiglanz $\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{S}$
2. Sulfate: zum Beispiel Gips $\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}\mathrm{\cdot }\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$ und Baryt $\mathrm{B}\mathrm{a}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}$
3. Fossile Rohstoffe: Erdöl, Erdgas und Kohle enthalten verschiedene Schwefelverbindungen
4. Lebewesen: Schwefel steckt unter anderem in den Aminosäuren Cystein und Methionin

Gewinnung von Schwefel

Früher wurde elementarer Schwefel in Lagerstätten häufig mit dem Frasch-Verfahren gewonnen. Sehr heißes Wasser schmolz den Schwefel unter Tage; Druckluft beförderte die Schmelze nach oben.

Heute stammt ein großer Teil des Schwefels aus der Entschwefelung von Erdöl und Erdgas. Dabei wird giftiger Schwefelwasserstoff in technischen Anlagen, unter anderem im Claus-Verfahren, zu elementarem Schwefel umgesetzt. So wird ein Schadstoff entfernt und zugleich ein wichtiger Rohstoff gewonnen.

Vereinfacht lässt sich ein Teil des Claus-Verfahrens so darstellen:

$\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}\mathrm{+}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{3}\mathrm{S}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Verbrennung von Schwefel

Beim Erhitzen entzündet sich Schwefel und brennt mit blauer Flamme. Es entsteht vor allem Schwefeldioxid. Die vereinfachte Reaktionsgleichung lautet:

$\mathrm{S}\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$

Berücksichtigt man die häufigen ${\mathrm{S}}_{\mathrm{8}}$-Moleküle, kann man schreiben:

${\mathrm{S}}_{\mathrm{8}}\mathrm{+}\mathrm{8}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{8}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$

Video laden

YouTube

YouTube sammelt möglicherweise persönliche Daten. Datenschutzrichtlinie

Fortfahren Ausblenden

Schwefeldioxid ist farblos, stechend riechend und giftig. Das Molekül ist gewinkelt aufgebaut.

In Wasser stellt sich ein Gleichgewicht ein, das im Schulmodell häufig als Bildung schwefliger Säure beschrieben wird:

$\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\rightleftharpoons }{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}$

Die Lösung reagiert sauer. Deshalb kann ein Indikator seine Farbe ändern. Der Versuch gehört wegen des giftigen Gases ausschließlich in fachkundige Hände und in den Abzug.

Reaktion mit Metallen

Schwefel reagiert mit vielen Metallen zu Sulfiden. Beim Erhitzen eines Gemischs aus Eisen und Schwefel entsteht Eisensulfid:

$\mathrm{F}\mathrm{e}\mathrm{+}\mathrm{S}\mathrm{\to }\mathrm{F}\mathrm{e}\mathrm{S}$

Vor der Reaktion lassen sich Eisen und Schwefel als Stoffgemisch teilweise mit einem Magneten trennen. Nach der Reaktion liegt ein neuer Stoff mit neuen Eigenschaften vor. Das zeigt ein zentrales Merkmal einer chemischen Reaktion.

Video laden

YouTube

YouTube sammelt möglicherweise persönliche Daten. Datenschutzrichtlinie

Fortfahren Ausblenden

Wichtige Schwefelverbindungen

Verbindung oder Stoffgruppe	Formel oder Beispiel	Bedeutung
Schwefelwasserstoff	${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}$	hochgiftiges Gas; entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen
Schwefeldioxid	$\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$	Zwischenprodukt der Schwefelsäureherstellung; Luftschadstoff
Schwefeltrioxid	$\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}$	wichtig für die Herstellung von Schwefelsäure
Schwefelsäure	${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}$	technisch sehr wichtige starke Säure
Sulfide	${\mathrm{S}}^{\mathrm{2}\mathrm{-}}$	Salze und Mineralbestandteile mit Schwefel in niedriger Oxidationsstufe
Sulfite	$\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{\mathrm{2}\mathrm{-}}$	Salze der schwefligen Säure
Sulfate	$\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{2}\mathrm{-}}$	Salze der Schwefelsäure; Bestandteile vieler Minerale

Schwefelsäure und Kontaktverfahren

Schwefelsäure gehört zu den wichtigsten Grundchemikalien. Sie wird unter anderem für Düngemittel, chemische Synthesen, Metallverarbeitung und Bleiakkumulatoren gebraucht.

Bei der technischen Herstellung wird Schwefeldioxid katalytisch zu Schwefeltrioxid oxidiert:

$\mathrm{2}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\rightleftharpoons }\mathrm{2}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}$

Formal ergibt die Reaktion von Schwefeltrioxid mit Wasser Schwefelsäure:

$\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\to }{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}$

Technisch wird Schwefeltrioxid jedoch zunächst in konzentrierter Schwefelsäure aufgenommen. So vermeidet man schwer kontrollierbaren Säurenebel. Konzentrierte Schwefelsäure ist stark ätzend und reagiert beim Verdünnen heftig unter Wärmeentwicklung. Im Unterricht gilt: Erst das Wasser, dann die Säure, sonst geschieht das Ungeheure. Das Ansetzen konzentrierter Lösungen ist Aufgabe fachkundiger Personen.

Video laden

YouTube

YouTube sammelt möglicherweise persönliche Daten. Datenschutzrichtlinie

Fortfahren Ausblenden

Schwefel in Lebewesen

Schwefel ist ein lebensnotwendiges Element. Die schwefelhaltigen Aminosäuren Cystein und Methionin sind Bausteine von Proteinen. Zwischen zwei Cysteinresten können Disulfidbrücken entstehen. Diese Bindungen stabilisieren die räumliche Struktur vieler Proteine, zum Beispiel in Haaren, Nägeln und Wolle.

Pflanzen nehmen Schwefel überwiegend als Sulfat aus dem Boden auf. Über Nahrungsketten gelangt er in Tiere und Menschen. Mikroorganismen wandeln Schwefelverbindungen um und tragen damit zum globalen Schwefelkreislauf bei.

Schwefelkreislauf

Im Schwefelkreislauf wird Schwefel zwischen Gesteinen, Böden, Gewässern, Luft und Lebewesen ausgetauscht. Verwitterung setzt Sulfate frei. Pflanzen nehmen Sulfat auf und bauen es in organische Stoffe ein. Zersetzung und mikrobielle Prozesse führen Schwefel wieder in anorganische Formen zurück. Vulkane und Verbrennung setzen Schwefelverbindungen in die Atmosphäre frei.

Umweltwirkungen

Schwefeldioxid aus Verbrennungsprozessen kann in der Atmosphäre weiter oxidiert werden. Zusammen mit Wasser entstehen saure Bestandteile. Diese tragen zu saurem Regen bei. Folgen können versauerte Böden und Gewässer sowie Schäden an Pflanzen, Bauwerken und Denkmälern sein.

Durch Rauchgasentschwefelung, schwefelärmere Brennstoffe und strengere Emissionsgrenzen wurden Schwefeldioxidemissionen in vielen Regionen deutlich reduziert. Das Thema bleibt jedoch dort wichtig, wo schwefelreiche Brennstoffe ohne ausreichende Abgasreinigung verbrannt werden.

Video laden

YouTube

YouTube sammelt möglicherweise persönliche Daten. Datenschutzrichtlinie

Fortfahren Ausblenden

Verwendung

Der größte Teil des Schwefels wird zu Schwefelsäure weiterverarbeitet. Weitere Anwendungen sind die Herstellung von Düngemitteln, Pflanzenschutzmitteln und Farbstoffen. Bei der Vulkanisation verbindet Schwefel Kautschukketten. Dadurch wird Gummi elastischer, formstabiler und temperaturbeständiger. Schwefelverbindungen werden außerdem in Akkumulatoren, Papierherstellung, Arzneimitteln und zahlreichen chemischen Synthesen eingesetzt.

Sicherheit

Elementarer Schwefel gilt im Vergleich zu vielen seiner Verbindungen als weniger gefährlich, ist aber brennbar. Schwefelstaub kann mit Luft explosionsfähige Gemische bilden. Schwefeldioxid reizt die Atemwege, Schwefelwasserstoff ist hochgiftig und konzentrierte Schwefelsäure stark ätzend. Experimente dürfen nur nach Gefährdungsbeurteilung, mit geeigneter Schutzausrüstung und unter fachkundiger Aufsicht stattfinden.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Ordnungszahl hat Schwefel? (16) (!8) (!32) (!64)

In welcher Gruppe des Periodensystems steht Schwefel? (Chalkogene) (!Alkalimetalle) (!Halogene) (!Edelgase)

Welche Aussage beschreibt elementaren Schwefel bei Raumtemperatur richtig? (Gelber spröder Feststoff) (!Farbloses Gas) (!Silberglänzendes Metall) (!Blaue Flüssigkeit)

Welche Formel hat Schwefeldioxid? (SO2) (!SO3) (!H2S) (!H2SO4)

Welches Produkt entsteht bei der Reaktion von Eisen und Schwefel? (Eisensulfid) (!Eisenoxid) (!Schwefelsäure) (!Wasserstoff)

Welche Schwefelform ist bei Raumtemperatur stabil? (Rhombischer Schwefel) (!Monokliner Schwefel) (!Flüssiger Schwefel) (!Gasförmiger Schwefel)

Welche Verbindung verursacht häufig den Geruch nach faulen Eiern? (Schwefelwasserstoff) (!Elementarer Schwefel) (!Sauerstoff) (!Stickstoff)

Welche Ionen sind die Salze der Schwefelsäure? (Sulfate) (!Chloride) (!Nitrate) (!Carbonate)

Wofür wird der größte Teil des Schwefels verwendet? (Herstellung von Schwefelsäure) (!Herstellung von Kochsalz) (!Gewinnung von Sauerstoff) (!Herstellung von Glasfasern)

Warum zeigt die Reaktion von Eisen und Schwefel eine chemische Reaktion? (Es entsteht ein Stoff mit neuen Eigenschaften) (!Die Stoffe werden nur kleiner) (!Das Gemisch wird lediglich sortiert) (!Die Masse verschwindet vollständig)

Memory

Schwefel	Elementsymbol S
Schwefeldioxid	Verbrennungsprodukt SO2
Eisensulfid	Produkt aus Eisen und Schwefel
Sulfat	Ion SO4
Cystein	Schwefelhaltige Aminosäure
Frasch-Verfahren	Historische Gewinnung aus Lagerstätten
Vulkanisation	Vernetzung von Kautschuk

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Gelber Feststoff	Elementarer Schwefel
Stechend riechendes Gas	Schwefeldioxid
Geruch nach faulen Eiern	Schwefelwasserstoff
Starke technische Säure	Schwefelsäure
Salz der Schwefelsäure	Sulfat
Verbindung aus Metall und Schwefel	Sulfid

Kreuzworträtsel

Schwefel	Welches gelbe Nichtmetall trägt das Symbol S?
Chalkogene	Wie heißt die Elementgruppe, zu der Schwefel gehört?
Pyrit	Welches Eisensulfid wird auch Katzengold genannt?
Sulfat	Wie heißt das Ion der Schwefelsäure?
Sulfid	Wie heißt eine Verbindung eines Metalls mit Schwefel?
Allotropie	Wie heißt das Auftreten eines Elements in mehreren Strukturformen?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Schwefel besitzt die Ordnungszahl . Das Elementsymbol lautet . Bei Raumtemperatur ist elementarer Schwefel ein gelber . In vielen Kristallformen liegen ringförmige vor. Die Erscheinung verschiedener Strukturformen eines Elements heißt . Bei der Verbrennung entsteht überwiegend . Eisen reagiert mit Schwefel zu . Schwefelwasserstoff ist ein hochgiftiges . Die Salze der Schwefelsäure heißen . Pflanzen nehmen Schwefel überwiegend als auf. Bei der Vulkanisation vernetzt Schwefel die Ketten des . Der größte Teil des gewonnenen Schwefels wird zur Herstellung von genutzt.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Schwefel-Steckbrief: Gestalte eine übersichtliche Karte mit Symbol, Ordnungszahl, Farbe, Aggregatzustand und Stellung im Periodensystem.
2. Stoffeigenschaften von Schwefel: Vergleiche Schwefel mit einem Metall und erkläre drei Unterschiede.
3. Schwefel im Alltag: Fotografiere oder zeichne drei Produkte, bei deren Herstellung Schwefel oder Schwefelverbindungen eine Rolle spielen.
4. Sicherheitsplakat Schwefel: Erstelle ein Plakat zu Gefahren von Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff und Schwefelsäure.

Standard

1. Eisen und Schwefel: Erkläre auf Stoff- und Teilchenebene, warum aus einem Gemisch ein neuer Stoff entsteht.
2. Schwefelverbindungen ordnen: Entwickle eine Tabelle, die Sulfide, Sulfite und Sulfate anhand von Formeln und Beispielen unterscheidet.
3. Saurer Regen: Baue ein Wirkungsdiagramm von der Verbrennung schwefelhaltiger Brennstoffe bis zu Schäden an einem Kalksteingebäude.
4. Schwefelkreislauf-Modell: Gestalte ein Modell oder eine Animation, in der mindestens fünf Stationen des Schwefelkreislaufs vorkommen.

Schwer

1. Kontaktverfahren: Erkläre, wie Temperatur, Druck und Katalysator die Gleichgewichtsreaktion zur Bildung von Schwefeltrioxid beeinflussen.
2. Schwefelgewinnung im Wandel: Vergleiche Frasch- und Claus-Verfahren hinsichtlich Rohstoffquelle, Zweck, Energiebedarf und Umweltwirkung.
3. Interview zur Luftreinhaltung: Befrage eine Fachperson aus Umwelttechnik, Heizungsbau oder Industrie zu Maßnahmen gegen Schwefeldioxidemissionen und werte die Aussagen aus.
4. Nachhaltige Schwefelnutzung: Entwickle ein Konzept, wie überschüssiger Schwefel aus der Entschwefelung sinnvoll und möglichst kreislauforientiert genutzt werden kann.

Lernkontrolle

1. Teilchenebene Schwefelverbrennung: Zeichne ein Teilchenmodell zur Verbrennung eines S8-Moleküls und begründe die benötigte Zahl an Sauerstoffmolekülen.
2. Stoffgemisch oder Verbindung: Entwickle einen Untersuchungsplan, mit dem Du ein Eisen-Schwefel-Gemisch von Eisensulfid unterscheiden kannst, ohne eine Geschmacks- oder Geruchsprobe zu verwenden.
3. Umweltkette Schwefeldioxid: Erkläre eine vollständige Ursache-Wirkungs-Kette von einer industriellen Quelle bis zu einer möglichen Schädigung eines Ökosystems.
4. Oxidationsstufen vergleichen: Ordne Schwefel in H2S, S, SO2 und H2SO4 nach steigender Oxidationszahl und erkläre die Veränderung.
5. Industrieentscheidung Schwefel: Beurteile, warum die Rückgewinnung von Schwefel aus Erdöl und Erdgas zugleich eine Maßnahme des Umweltschutzes und der Rohstoffgewinnung ist.
6. Proteinstruktur: Erkläre, wie Disulfidbrücken die Eigenschaften eines Proteins beeinflussen können, und übertrage dies auf Haare oder Wolle.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du Schwefel sicher im Periodensystem einordnen und seine wichtigsten Stoffeigenschaften erklären können. Du solltest einfache Reaktionsgleichungen zur Verbrennung und Sulfidbildung aufstellen, Formeln wichtiger Schwefelverbindungen zuordnen und die Begriffe Sulfid, Sulfit und Sulfat unterscheiden können. Außerdem solltest Du Zusammenhänge zwischen Schwefelgewinnung, technischer Nutzung, biologischer Bedeutung und Umweltwirkung darstellen. Zu einem guten Lernnachweis gehören eine verständliche Fachsprache, nachvollziehbare Modelle, korrekte Formeln und eine begründete Bewertung von Sicherheits- und Umweltfragen.

OERs zum Thema

Weiterführende frei zugängliche Informationen findest Du im Wikipedia-Artikel Schwefel, im Schwefelkreislauf sowie in den Artikeln zu Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff und Schwefelsäure. Ergänzend bieten die Royal Society of Chemistry und PubChem geprüfte Stoffdaten. Freie Medien stehen in der Wikimedia-Commons-Kategorie Sulfur bereit.

Verknüpfte Lernbereiche

Schwefel - Chemie Periodensystem Atombau Nichtmetalle Chemische Reaktion Redoxreaktion Sulfide Sulfate Säuren und Basen Schwefelsäure Schwefelkreislauf Umweltchemie Chemiesicherheit