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Philipps Universität Marburg Fachbereich 15: Chemie Experimentalvortrag Dozenten: Dr. Philipp Reiß Prof. Dr. Bernhard Neumüller Referent: Martin Stolze 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung Inhaltsverzeichnis 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung 2 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung 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.unimuenchen.de/ac/kluefers/homepage/L_ac1.html) - gelbes, geruchsloses Nichtmetall 3 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung Demonstrationsversuch 1: monokliner Schwefel 4 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung 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 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung Versuch 1: plastischer Schwefel 6 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung Flüssiger Zustand: 95,6°C Sα Sβ 119,6°C Smp. Sλ rhombisch monoklin dünn- hellgelb hellgelb gelb fester Schwefel Sπ / Sμ zäh- / dünnflüssig dunkelrotbraun flüssiger Schwefel (abgeschreckt; plastischer Schwefel) Abb. 4: Erhitzen von Schwefel im Reagenzglas (Quelle: Seilnacht 2009, http://www.seilnacht.com/Lexikon/16Schwef.htm ) 7 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung Gasförmiger Zustand: Sλ Sπ Sμ 444,6°C Sdp. dünn- / zäh- / dünnflüssig gelb dunkelrotbraun flüssiger Schwefel S8 S7 … S2 S1 (445°C – 2200°C) dunkelrotbraun gasförmiger Schwefel Abb. 5: Erhitzen von Schwefel im Reagenzglas (Quelle: Seilnacht 2009, http://www.seilnacht.com/Lexikon/16Schwef.htm ) 8 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung 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 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung Vorkommen Abb. 7: Erdbeben und Vulkanismus/Plattentektonik (Quelle: Michael et al. 2008, S. 224f.) 10 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung 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.) 11 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung 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 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung Demonstrationsversuch 2: schwefelhaltige Mineralien 13 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung 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 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung Vorkommen - Sulfide: Eisenkies (Pyrit, FeS2) Bleiglanz (Galenit, PbS) Zinkblende (Sphalerit, ZnS) Kupferkies (Chalkopyrit, CuFeS2) Realgar (Rauschrot, As4S4) Abb. 16 – 20: (Quelle: Nockemann 2010, http://www.mineralium.com ) 15 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung Vorkommen - Zinkblendestruktur: nach ihrem Hauptvertreter der Zinkblende (Zinksulfid, ZnS) benannte Kristallstruktur (AB-Typ) kubisch flächenzentrierte Elementarzelle Zink- und Schwefel-Atome bilden abwechselnd 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 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung Vorkommen - organisch gebundener Schwefel als Bestandteil der Eiweißstoffe in der Biosphäre (z.B. Aminosäuren Cystein und Methionin) O O S HS OH H3C OH NH2 Cystein NH2 Methionin in Form von Schwefelwasserstoff (H2S) (Verwesung, Faulen von Eiern) in fossilen Brennstoffen (Kohle, Erdöl, Erdgas) 17 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung Versuch 2: Schwefelverbindungen im Knoblauch 18 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung Vorkommen Nachweis schwefelhaltiger Verbindungen im Knoblauch Abb. 18: Knoblauch (Quelle: Arnold 2007, http://www.awl.ch/heilpflanzen/allium_sativum/index.htm ) H2S(g) + Schwefelwasserstoff Pb2+(aq) PbS(s) + 2 H+(aq) Bleisulfid (braunschwarz) 19 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung Vorkommen - im Knoblauch: Alliin + Enzyme u.a. - Durch Verletzung der Zellen kommen diese Enzyme in Kontakt mit Alliin. - Abbau dieser Verbindung O Allicin wird gebildet NH2 O S O H2C Allinaseenyzme S H2C CH2 S OH Alliin Allicin 20 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung 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 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung Versuch 3: Darstellung von Schwefel (Claus-Verfahren) 22 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung 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 -2 H2S(g) + 3 0 2 +4 O2(g) -2 +4 -2 SO2(g) + H2O(g) 0 SO2(g) + 2 H2S(g) 8 S8(s) + 2 H2O(g) ___________________________________________________ -2 3 H2S(g) + 3 0 2 O2(g) 3 3 0 8 -2 S8(s) + 3 H2O(g) 23 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung Versuch 4: Chemische Reaktion des Schwefels mit Eisen 24 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung chemische Reaktionen - Reaktion zwischen Metall und Schwefel (Nichtmetall) + Eisen + Schwefel Eisensulfid Reaktionsgleichung: Oxidation (Elektronenabgabe): + 2 e0 Fe(s) 0 + +2 -2 S(s) FeS(s) Reduktion (Elektronenaufnahme): - 2 e0 Oxidation: +2 Fe Fe2+ 0 Reduktion: S -2 + 2 e- S2- + 2 eRedoxreaktion 25 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung 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 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung Verwendung: - Herstellung von Schwefelsäure Darstellung nach den Kontaktverfahren 0 +4 -2 0 S8(s) + O2(g) SO2(g) ______________________________________ V2O5(s) + +4 SO2(g) +6 -2 V2O4(s) + SO3(g) 0 V2O4(s) + O2(g) V2O5(s) ______________________________________ +4 0 SO2(g) + O2(g) +6 -2 SO3(g) 27 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung 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) - Kunstdünger: H2SO4(l) + 2 NH3(g) H2SO4(l) (NH4)2SO4(s) 28 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung 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 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung Versuch 5: Herstellung und Reaktion von Schwarzpulver 30 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung 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 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung Demonstrationsversuch 3: Herstellung und Zündung von Streichhölzern 32 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung Verwendung: - Zündholzindustrie: Herstellung von Streichhölzern eigentliche Zündung erfolgt an der Reibfläche (Glaspulver + roter Phosphor) +5 2 KClO3(s) ∆ +7 +7 -1 KClO4(s) + KCl(s) + O2(g) -1 KClO4(s) KCl(s) + 2 O2(g) _____________________________________ +5 2 KClO3(s) ∆ -1 2 KCl(s) + 3 O2(g) 0 +4 3 S(s) + 3 O2(g) 3 SO2(g) ______________________________________ +5 0 2 KClO3(s) + 3 S(s) +4 -1 3 SO2(g) + 2 KCl(s) (Gesamtreaktion) 33 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung Verwendung: Vulkanisation von Kautschuk Farbstoffe (Lapislazuli, Ultramarin) Abb. 20: Vulkanisierungswerkstatt (Quelle: Krüger, http://de.academic.ru/pictures/d ewiki/98/8f2310cc75db67de02dfe4 3052c09714.jpg) Abb. 21: Lapislazuli (Quelle: Seilnacht 2009, http://www.seilnacht.com/Lexikon /Lapis.htm ) - in der Medizin als Pharmazeutika (Salben, Cremes) - Insektizide 34 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung 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 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung 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) 36 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung 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=GALENITGALENA&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=SELENITAUSTRALIEN&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=CHALKOPYRITMISSOURI&lang=DEU&product=CPS-009 . [Stand: 15.01.2010]. 37 1. Zustandsformen 2. Vorkommen 3. Gewinnung und Darstellung 4. Chemische Reaktionen 5. Verwendung Quellen: Nockemann, R. (2010): Realgar (Rauschrot, As4S4). Online im Internet: http://www.mineralium.com/index.php?cat=REA&lang=DEU&product=REA004. [Stand: 15.01.2010]. 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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, Na 2SO4∙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
