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Schwefel und seine Oxide

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Chemie-Team
Schwefel und seine Oxide
lernst du in der Unterstufe 4. Klasse - Oberstufe 5. Klasse

Grundlagen zum Thema Schwefel und seine Oxide

Inhalt

Schwefeloxide – Chemie

Schwefel mit dem chemischen Formelsymbol ($\ce{S})$ befindet sich in der VI. Hauptgruppe des Periodensystems unter dem Element Sauerstoff ($\ce{O2})$. Schwefel kommt elementar in großen Mengen in der Natur vor. Es ist ein hellgelbes Pulver – dieses wird als Schwefelblüte bezeichnet.

Schwefel kann mit Sauerstoff reagieren – es entstehen sogenannte Schwefeloxide. Doch woher kommen die Schwefeloxide wie Schwefeldioxid? Das erfährst du auf einfache Weise erklärt in diesem Lerntext.

Was ist Schwefel? – Definition

In dem folgenden Steckbrief sind einige wichtige Eigenschaften des Schwefels aufgelistet.

Schwefel $\ce{S}$
Ordnungszahl: 16
Aussehen: gelb
Atommasse: $\pu{32,06u}$
Aggregatzustand: fest
Dichte: $\pu{2,07 g/cm3}$
Kristallstruktur: orthorhombisch
Schmelzpunkt: $\pu{115 °C}$
Siedepunkt: $\pu{445 °C}$
Elektronegativität: 2,58

Schwefel kommt auch in Gesteinen vor. Das bedeutet, dass es in Verbindung mit anderen Elementen vorliegt. Diese werden als Sulfide und Sulfate bezeichnet und sind wichtige Mineralien. Die bekanntesten schwefelhaltigen Gesteine sind:

  • Calciumsulfat ($\ce{CaSO4}$)
  • Bariumsulfat ($\ce{BaSO4}$)
  • Zinkblende (Zinksulfid) ($\ce{ZnS}$)
  • Bleiglanz (Bleisulfid) ($\ce{PbS}$)

Sulfide bezeichnen in der anorganischen Chemie Verbindungen von Metallen mit Schwefel. Sulfate sind Salze der Schwefelsäure.

Frasch-Verfahren – Gewinnung von Schwefel

Die bekannteste Methode, um Schwefel in einem großen Maßstab abzubauen, ist das Frasch-Verfahren. Dabei macht man sich den geringen Schmelzpunkt des Schwefels zunutze.

Ein Metallrohr mit einem Durchmesser von etwa 25 Zentimetern wird in die Lagerstätte gebracht. Anschließend führt man zwei weitere ineinandergesteckte Rohre, die einen Durchmesser von 15 bzw. 7 Zentimeter haben, durch das Rohr. Danach wird überhitztes Wasser $(\ce{H2O})$ mit einer Temperatur von 155 Grad Celsius in die Zwischenräume der beiden Rohre gepumpt. Der Schwefel schmilzt und kann mit Druckluft nach oben gepresst werden.

Was sind Schwefeloxide? – Definition

Schwefel und Sauerstoff gehen eine Verbindung ein. Dadurch entstehen die sogenannten Schwefeloxide. Die allgemeine Strukturformel für Schwefeloxide ist $\ce{SO_x}$.

Die beiden wichtigsten Oxide des Schwefels sind Schwefeldioxid $\ce{SO2}$ und Schwefeltrioxid $\ce{SO3}$.

Lewis Formel Strukturformel: Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid Molekül

Doch wann entsteht Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid?

Herstellung und Entstehung von Schwefeloxiden

Insbesondere bei Verbrennungsvorgängen von Schwefel reagiert das Element mit Sauerstoff und es kommt zur Entstehung von Schwefeloxiden. Schwefelhaltige Brennstoffe sind beispielsweise Kohle, Benzin, Heizöl oder Dieselkraftstoffe. In der Natur können die Schwefeloxide entstehen, wenn Vulkane ausbrechen. Durch Abgase von Autos gelangen Schwefeldioxide und -trioxide zum Beispiel in die Luft, was Folgen für die Gesundheit des Menschen und die Umwelt hat. Schwefeldioxid ist farblos, stechend riechend und wasserlöslich.

Schwefeldioxid wird auch als Konservierungsstoff in der Lebensmittelindustrie eingesetzt.

Die Herstellung von Schwefeltrioxid findet über die katalytische Oxidation von Schwefeldioxid unter Verwendung von Vanadiumpentoxid $(\ce{V2O5})$ und Sauerstoff statt. Außerdem entsteht Schwefeltrioxid als Zwischenprodukt bei der Herstellung von Schwefelsäure.

In dem Steckbrief der Schwefeloxide sind die wesentlichen Eigenschaften von Schwefeltrioxid und Schwefeldioxid aufgeführt.

Steckbrief Schwefeldioxid Steckbrief Schwefeltrioxid
Andere Namen Schwefel(IV)-oxid, Schwefligsäureanhydrid Schwefelsäureanhydrid, Acidum sulfuricum anhydricum
Summenformel $\ce{SO2}$ $\ce{SO3}$
Kurzbeschreibung farbloses, stechend riechendes, giftiges Gas farblose Kristalle
Molare Masse $\pu{64,06 g//mol}$ $\pu{80,6 g//mol}$
Aggregatzustand gasförmig fest, flüssig
Dichte $\pu{2,73 kg//m3}$ $\pu{1.995 kg//m3}$
Schmelzpunkt $\pu{-75 °C}$ $\pu{62 °C}$
Siedepunkt $\pu{-10 °C}$ $\pu{45 °C}$
Löslichkeit gut in Wasser löslich schlecht wasserlöslich (explosionsartige Umsetzung zu Schwefelsäure), gut in konzentrierter Schwefelsäure löslich
Molekülgestalt gewinkelte Struktur trigonal-planare Struktur

Dieses Video

Dieses Video behandelt Schwefel und seine wichtigsten Oxide. Es wird erklärt, wo und in welcher Form Schwefel vorkommt und wie er mithilfe des Frasch-Verfahrens abgebaut werden kann. Außerdem werden dir die wichtigen Oxide Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid und ihre Anwendungen vorgestellt und du erfährst, woher Schwefeldioxid kommt.

Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!

Transkript Schwefel und seine Oxide

Hallo! Heute wollen wir uns mit dem Element Schwefel und seinen Oxiden beschäftigen. Schwefel kommt in vielen verschiedenen Formen auf der Erde vor. Vielleicht hast du schon einmal von so genannten Schwefelquellen gehört oder solch eine Quelle sogar schon einmal gesehen. Hier findet man schwefelhaltiges Wasser und gelbe Schwefelablagerungen rings um die Quelle. Da Schwefel sehr häufig vorkommt und in der Natur und der Industrie eine wichtige Rolle spielt, wollen wir und heute mit diesem Element etwas genauer befassen. Schwefel ist ein gelber Feststoff und Element der sechsten Hauptgruppe. Er steht unter dem Element Sauerstoff.

Aber wo lässt sich Schwefel in der Natur finden? Schwefel kommt in sehr großen Mengen gediegen vor, das bedeutet elementar. Hierbei handelt es sich um ein hellgelbes Pulver, die so genannte Schwefelblüte. Schwefel kommt aber auch gebunden in vielen Gesteinen vor, also in Verbindung mit anderen Elementen. Hier sind die Sulfide und die Sulfate sehr wichtige Mineralien. Die bekanntesten schwefelhaltigen Gesteine sind Calciumsulfat, Bariumsulfat, Zinkblende und Bleiglanz. Bei Zinkblende handelt es sich um Zinksulfid und bei Bleiglanz um Bleisulfid.

Die großen Vorkommen reinen Schwefels verwendet man zum Abbau.

Hier gibt es eine bekannte Methode, um Schwefel in großen Maßstab abzubauen. Diese nennt sich Frasch-Verfahren.

Beim Frasch-Verfahren wird der relativ geringe Schmelzpunkt des Schwefels von 115,2 °C ausgenutzt um den Schwefel, welcher sich in unterirdischen Lagerstätten befindet, zu verflüssigen.

Um den Schwefel abzubauen wird ein Metallrohr mit einem Durchmesser von ca. 25 cm in die Lagerstätte gebracht. Dann führt man zwei weitere ineinandersteckende Rohre von Durchmessern von 15 cm und 7 cm in das Rohr ein. Nun wird überhitztes Wasser mit einer Temperatur von 155 Grad Celsius in die Zwischenräume der Rohre gepumpt. Dadurch schmilzt der Schwefel und kann nun durch Druckluft, die ebenfalls durch die Schwefel kommt aber auch gebunden in vielen Gesteinen vor, also in Verbindung mit anderen Elementen. Hier sind die Sulfide und die Sulfate sehr wichtige Mineralien. Die bekanntesten schwefelhaltigen Gesteine sind Calciumsulfat, Bariumsulfat, Zinkblende und Bleiglanz. Bei Zinkblende handelt es sich um Zinksulfid und bei Bleiglanz um Bleisulfid.

Die großen Vorkommen reinen Schwefels verwendet man zum Abbau.

Hier gibt es eine bekannte Methode, um Schwefel in großen Maßstab abzubauen.

Diese nennt sich Frasch-Verfahren.

Beim Frasch-Verfahren wird der relativ geringe Schmelzpunkt des Schwefels von 115,2 °C ausgenutzt um den Schwefel, welcher sich in unterirdischen Lagerstätten befindet, zu verflüssigen.

Um den Schwefel abzubauen wird ein Metallrohr mit einem Durchmesser von ca. 25 cm in die Lagerstätte gebracht. Dann führt man zwei weitere ineinandersteckende Rohre von Durchmessern von 15 cm und 7 cm in das Rohr ein. Nun wird überhitztes Wasser mit einer Temperatur von 155 Grad Celsius in die Zwischenräume der Rohre gepumpt. Dadurch schmilzt der Schwefel und kann nun durch Druckluft, die ebenfalls durch die Rohre ins Erdreich gepumpt wird, nach oben gepresst werden. Schwefel ist in der Lage mit Sauerstoff Verbindungen einzugehen. Die dadurch entstehenden Oxide des Schwefels wollen wir uns nun genauer ansehen. Beginnen wir mit Schwefeldioxid. Im Schwefeldioxid ist Schwefel mit zwei Sauerstoffatomen verbunden. Schwefeldioxid besitzt eine gewinkelte Struktur. Es ist ein farbloses, stechend riechendes Gas, welches die Schleimhäute reizt. Schwefeldioxid kann durch Verbrennung von Schwefel hergestellt werden. Hier reagiert der Schwefel mit dem Sauerstoff zu Schwefeldioxid.

Anwendung findet Schwefeldioxid in der Lebensmittelindustrie als Konservierungsmittel. Es kann zum Beispiel dazu dienen, Trockenfrüchte haltbar zu machen. Ein weiteres Oxid des Schwefels ist Schwefeltrioxid. Schwefeltrioxid hat eine trigonal-planare Struktur.

Es bildet nadelförmige Kristalle welche sehr heftig mit Wasser reagieren. Schwefeltrioxid entsteht z.B während des Kontaktverfahrens, welches zur Herstellung von Schwefelsäure verwendet wird. Hier reagiert Schwefeldioxid katalysiert mit Sauerstoff zu Schwefeltrioxid.

Schwefeltrioxid ist also ein wichtiges Zwischenprodukt bei der Herstellung von Schwefelsäure. Da sich Schwefeltrioxid nur sehr schlecht in Wasser löst und daher nur langsam reagiert, wird Schwefeltrioxid in konzentrierte Schwefelsäure eingeleitet.

Die entstehende Dischwefelsäure wird dann mit Wasser zur Schwefelsäure umgesetzt. Du hast heute das Element Schwefel und seine wichtigsten Oxide kennengelernt. Wir haben darüber gesprochen wie Schwefel mithilfe des Frasch-Verfahrens abgebaut wird und welche schwefelhaltigen Mineralien es gibt. Die Verwendung, Darstellung und die Eigenschaften von Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid hast du heute ebenfalls kennengelernt. Tschüs und bis bald!

1 Kommentar

1 Kommentar
  1. Sagt zu viel mal Schwefel.

    Von Drainb4, vor mehr als 2 Jahren

Schwefel und seine Oxide Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Schwefel und seine Oxide kannst du es wiederholen und üben.
  • Ergänze den Steckbrief des Schwefels.

    Tipps

    In den Nebengruppen sind nur Metalle enthalten.

    Lösung

    Schwefel ist mit einem Anteil an der kontinentalen Erdkruste von 0,035% ein relativ häufiges Element. Es hat die Ordnungszahl 16 und eine Molekülmasse von 32 g/mol. Schwefel ist eines der wenigen Elemente, die in gediegener, also elementarer, Form in größeren Mengen vorkommen. Schwefel bildet dabei häufig sehr schöne, gleichmäßig gelbe Kristalle.
    Schwefel ist Bestandteil vieler wichtiger Biomoleküle. Es ist in zwei Aminosäuren enthalten und damit in den meisten Proteinen und Enzymen. Schwefel ist daher eines der Elemente, die für das Leben auf der Erde unverzichtbar sind.
    Schwefel bildet viele organische und anorganische Verbindungen. In salzartigen Verbindungen sind oft schwefelhaltige Anionen, wie Sulfat oder Sulfid, enthalten.

  • Beschreibe den Schwefelabbau mit dem Frasch-Verfahren.

    Tipps

    Erze lassen sich in der Regel nicht schmelzen, beziehungsweise liegen die Schmelzpunkte sehr hoch.

    Lösung

    Mit dem Frasch-Verfahren konnte Anfang des 19. Jahrhunderts auf einfache Weise der Schwefelbedarf der gesamten USA gedeckt werden. Das Verfahren ist gut geeignet, um Schwefel ohne bergmännischen Abbau aus größten Tiefen von bis zu 1000 m zu fördern. Dazu ist nur eine 25 cm durchmessende Bohrung notwendig. Darin werden die drei ineinander geschachtelten Rohre versenkt.

    Der überhitzte Wasserdampf heizt den umgebenden Schwefel bis zum Schmelzpunkt auf, durch kleine Löcher am Ende der Frasch-Sonde strömt zudem der sehr heiße Dampf in das umgebende Gestein und schmilzt dort den Schwefel. Durch den Überdruck, der mittels Druckluft im Bereich um die Frasch-Sonde erzeugt wird, wird der flüssige Schwefel durch das mittlere Rohr an die Erdoberfläche gepresst. Der überhitzte Wasserdampf im äußeren Rohr verhindert, dass der Schwefel auf dem Weg an die Oberfläche kalt wird und erstarrt.

    Mit einer Frasch-Sonde können so bis zu 300 t Schwefel am Tag gefördert werden.

  • Erkläre die Entstehung von saurem Regen.

    Tipps

    Achte darauf, dass die in den Sätzen genannten Verbindungen in einer sinnvollen Reihenfolge erscheinen.

    Lösung

    In Deutschland wurden im Laufe der Industrialisierung viele Anlagen gebaut, bei deren Betrieb sehr große Mengen an Schwefeldioxid freigesetzt werden. Da die Auswirkungen auf die Umwelt unbekannt waren und die Entschwefelung der Abgase teuer ist, gelangten so sehr große Mengen an Schwefeldioxid in die Atmosphäre. Besonders bei der Verhüttung von Eisenerzen und bei der Herstellung von Koks aus Steinkohle sind so riesige Mengen an Schwefeldioxid ausgestoßen worden. Dies führte zu dramatischem Waldsterben in ganz Mitteleuropa.
    Seit 1974 ist bei neu gebauten Anlagen der Einsatz von Rauchgasentschwefelungsanlagen vorgeschrieben, seit 1983 sind diese Anlagen für alle Anlagen Pflicht, die große Mengen an Schwefeldioxid freisetzen können. Das Verfahren ist jedoch schon seit 1879 bekannt. Seitdem diese Anlagen verpflichtend betrieben werden müssen, ist der Säuregehalt des Regens in Deutschland merklich zurückgegangen. Die Böden konnten sich seitdem gut erholen, sodass das Waldsterben heute kein so großes Problem mehr darstellt wie in den 80er Jahren des vergangenen Jahrhunderts.

  • Bestimme die Summenformeln der Schwefeloxide.

    Tipps

    Bei Oxiden wird in der Summenformel der Sauerstoff zuletzt angegeben.

    Lösung

    Die dargestellten Schwefeloxide bestehen ausschließlich aus Schwefel und Sauerstoff. In den Summenformeln wird zuerst das Schwefelatom mit dem entsprechenden Index aufgeführt, dann das Sauerstoffatom mit dem zugehörigen Index.
    Die Verbindung oben links hat daher die Summenformel $S_2O$, die Verbindung rechts daneben wird mit der Summenformel $S_2O_2$ beschrieben. Die Verbindung unten links enthält vier Sauertoffatome und ein Schwefelatom. Es sind zwar eine positive und eine negative Ladung in der Lewis-Formel angegeben, da diese sich jedoch ausgleichen, taucht in der Summenformel keine Ladung auf. Die Summenformel der Verbindung ist daher $SO_4$.
    Die letzte Verbindung enthält einen Ring aus sieben Schwefelatomen. An zwei der Schwefelatome sind Sauerstoffatome gebunden. Die Summenformel der Verbindung ist also $S_7O_2$.

  • Nenne Rohstoffquellen, aus denen industriell Schwefel gewonnen werden kann.

    Tipps

    Viele Metallerze, die verhüttet werden, sind schwefelhaltig.

    Lösung

    Schwefel ist in unterschiedlichen Formen fast überall zu finden. Große Mengen Schwefel sind in Form von wasserlöslichen Sulfaten im Meerwasser enthalten. Die Förderung dieses Schwefels ist jedoch kostspielig, da große Mengen Meerwasser dafür aufwendig gereinigt werden müssen. Auf anderen Planeten ist Schwefel ebenfalls in großen Mengen enthalten. So besteht beispielsweise die Atmosphäre der Venus hauptsächlich aus Schwefeldioxid. Eine Förderung von Schwefel auf der Venus wäre jedoch extrem aufwendig und teuer, daher wird dies nicht durchgeführt.

    Der einfachste und günstigste Weg der Schwefelgewinnung ist der Abbau von gediegenem Schwefel, der in vielen vulkanisch aktiven Gegenden an der Erdoberfläche oder darunter zu finden ist. Der Schwefel kann dort bergmännisch abgebaut werden oder im Frasch-Verfahren gefördert werden. Erze, wie zum Beispiel Eisenerz, enthalten ebenfalls große Mengen an gebundenem Schwefel. Dieser wird bei der Verhüttung als Schwefeldioxid frei und wird anschließend weiter genutzt.

    Eine weitere Schwefelquelle ist das Erdgas, das bis zu 30% aus $H_2S$ besteht. Aus Schwefelwasserstoff lässt sich in einfacher Weise elementarer Schwefel gewinnen.

  • Analysiere den Prozess der Rauchgasentschwefelung.

    Tipps

    Achte darauf, dass die Plus-Zeichen in einer sinnvollen Reihenfolge erscheinen.

    Lösung

    In großen Rauchgasentschwefelungsanlagen können riesige Mengen an Abgasen aus Industrieanlagen gereinigt werden. Dabei entsteht aus dem $SO_2$ der Abgase und Calciumhydroxid Calciumsulfat-Dihydrat, das wahrscheinlich besser bekannt ist unter dem Namen Gips. Der Gips kann im Anschluss weiterverarbeitet oder verkauft werden.

    Die oben dargestellte Reaktion ist die Gesamtreaktion. Eigentlich läuft die Reaktion in zwei Schritten ab. Im ersten Schritt entsteht aus Schwefeldioxid und Calciumhydroxid Calciumsulfit:

    $SO_2\ +\ Ca(OH)_2 \longrightarrow CaSO_3 \cdot {{1} \over {2}} H_2O\ +\ H_2O$

    Im zweiten Schritt wird das Calciumsulfit mit Sauerstoff aus der Luft zu Gips oxidiert:

    $2\ CaSO_3 \cdot {{1} \over {2}} H_2O\ +\ O_2\ +\ 2\ H_2O \longrightarrow 2\ CaSO_4 \cdot 2\ H_2O$

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