Experimentalvortrag zum Thema Schwefel

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1 Philipps-Universität Marburg Experimentalvortrag Dozenten: Prof. Dr. Bernhard Neumüller Dr. Philipp Reiß Wintersemester 2009/2010 Experimentalvortrag zum Thema Schwefel Autor: Martin Stolze Matrikelnummer: Marburg, den

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Zustandsformen fester Schwefel (Demonstrationsversuch 1: monokliner Schwefel) flüssiger Zustand (Versuch 2: plastischer Schwefel) gasförmiger Schwefel Vorkommen elementares Vorkommen anorganisch gebundener Schwefel (Demonstrationsversuch 2: Mineralien) organisch gebundener Schwefel (Versuch 3: Schwefelverbindungen im Knoblauch) Darstellung Frasch-Verfahren Claus-Verfahren (Versuch 4: Darstellung von Schwefel - Claus-Verfahren) Chemische Reaktion (Versuch 4: chemische Reaktion des Schwefels mit Eisen) Verwendung Darstellung von Schwefelsäure Versuch 5: Herstellung und Reaktion von Schwarzpulver Demonstrationsversuch 3: Herstellung und Zündung von Streichhölzern weitere Verwendungsmöglichkeiten Behandlung anderer Themen zum Schwefel nach dem hessischen Lehrplan Quellen

3 1. Einleitung Schwefel ist ein Element der 6. Hauptgruppe bzw. der 16. Gruppe des Periodensystems. Zusammen mit dem Elementen Sauerstoff, Selen, Tellur und Polonium bilden sie die Gruppe der Chalkogene bzw. Erzbildner (chalkos (griech.) = Erz; gennan (griech.) = erzeugen), da diese häufig in der Erdkruste in Verbindung mit verschiedenen Metallen vorkommen. Sauerstoff und Schwefel sind dabei klassische Nichtmetalle. Selen und Tellur weisen bereits Halbleitereigenschaften auf. Polonium ist ein Metall. Diese Verschriftlichung arbeitet das Element Schwefel auf, indem zunächst die Zustandsformen erklärt und anschließend die Frage nach dem Vorkommen beantwortet werden. Darüber hinaus werden zwei Verfahren zur Gewinnung bzw. Darstellung von elementarem Schwefel vorgestellt. Des Weiteren werden die Reaktionen von Schwefel mit Metallen zu Metallsulfiden näher erläutert. Zum Schluss werden verschiedene Verwendungsmöglichkeiten angesprochen. Zu jedem dieser Themen werden Versuche vorgestellt, welche im Unterricht mehr oder weniger durchführbar sind. Wie sich diese in dem hessischen Lehrplan einbringen lassen, lesen Sie in der methodisch-didaktischen Analyse zu den jeweiligen Versuchen. Im letzten Gliederungspunkt werden weitere thematische Behandlungen zum Schwefel in Anlehnung an den hessischen Lehrplan gesucht, auf welche in dieser Verschriftlichung nicht eingegangen werden. 3

4 2. Zustandsformen Schwefel kommt in verschiedenen festen, flüssigen und gasförmigen Zustandsformen (Modifikationen) vor: 2.1 fester Schwefel Unter Normalbedingungen liegt der Schwefel als feste Modifikation vor, welcher auch als orthorhombischer Schwefel oder α-schwefel-s 8 bezeichnet wird. Seine Schmelztemperatur liegt bei 112,8 C, seine Dichte beträgt 2,06 g/cm 3. Bei näherer Betrachtung der Struktur ist festzustellen, dass die S 8 -Moleküle zu einer Krone ringförmig miteinander gebunden sind (Abb. 1 und 2). Abb. 1 und 2: kronenförmig, ringförmige S 8 -Moleküle (Quelle: Anonymus 2009, Wird der α-schwefel auf eine Temperatur von 95,6 C erhitzt, wandelt sich dieser in eine zweite, weniger dichte Modifikation um, den sogenannten monoklinen Schwefel oder β- Schwefel (Schmelztemperatur: 119,6 C, Dichte: 2,00 g/cm 3 ). 4

5 Demonstrationsversuch 1: monokliner Schwefel Chemikalien: Chemikalien: Gefahrensymbole R-Sätze S-Sätze Menge Verwendbar nach HessGiss Schwefel (S) g SI Geräte: - Bunsenbrenner - 2 Porzellanschalen - Glasstab - Dreifuß - Drahtgitter Versuchsaufbau: Porzellanschale Drahtnetz Dreifuß Bunsenbrenner Abb. 3: Versuchsaufbau: monokliner Schwefel Versuchsdurchführung: In eine Porzellanschale werden 40 g Schwefelpulver gegeben. Diese wird auf das Drahtnetz gestellt. Anschließend wird das feste Pulver unter geringer Wärmezufuhr geschmolzen. Für ein gleichmäßiges Schmelzen kann mit einem Glasstab ein wenig gerührt werden. Damit sich monokline Kristalle bilden können, muss nun die Schmelze langsam bei Raumtemperatur abgekühlt werden. Sobald sich lange, kristallförmige Nadeln an der Wand der Porzellanschale bilden, wird die überschüssige Schmelze in eine weitere Porzellanschale gegossen. Beobachtung: Beim langsamen Erhitzen des Schwefelpulvers schmolz dieser allmählich in der Porzellanschale. Nach einiger Zeit bildeten sich beim Abkühlen an der Wand der Porzellanschale lange Nadeln, welche immer weiter wuchsen. Nachdem die überschüssige Schmelze abgegossen wurde, blieben die Nadeln in der Porzellanschale erhalten (Abb. 4). Abb. 4: monokliner Schwefel (Quelle: eigenes Foto) 5

6 Entsorgung: Der Schwefel kann für weitere Experimente genutzt werden oder in die Feststofftonne entsorgt werden. Auswertung und theoretischer Hintergrund: Bei einer Temperatur von 95,6 C verwandelt sich der α-schwefel in eine zweite, etwas weniger dichte, feste Modifikation, dem sogenannten monoklinen Schwefel oder auch β- Schwefel. Dieser ist wie der α-schwefel aus kronenförmig/ringförmigen S 8 -Molekülen aufgebaut. Oberhalb der Temperatur von 95,6 C (Umwandlungstemperatur) bleibt der monokline Schwefel beständig. Unterhalb dieser geht er wieder in die thermodynamisch stabile Form des orthorhombischen Schwefels über, die Kristalle zerfallen. Dies geschieht jedoch sehr langsam, weil die Moleküle im Feststoff recht große Wege zurücklegen müssen um von der einen in eine andere Modifikation überzuwechseln. Die Nadeln bleiben jedoch erhalten. Methodisch-didaktische Analyse: Einordnung in den Lehrplan: Da nach dem hessischen Lehrplan das Thema Schwefel nicht direkt im Unterricht behandelt wird, muss dieser Versuch den Schülerinnen und Schülern nicht vorgeführt werden. Jedoch kann dieser als Exkurs zu Themen wie Herstellung und Eigenschaften von Säuren, Reaktionen von Säuren mit Wasser sowie Fossile Brennstoffe als Rohstoffe und Energieträger dienen. Da all diese Themen nach dem Lehrplan behandelt werden müssen und der Schwefel in Verbindungen wie Schwefelsäure und Schwefeloxiden vorkommt, kann ein Exkurs auf den Schwefel als Element geschaffen werden. Aufwand: Dieser Versuch benötigt wenig Vorbereitung. Lediglich der Schwefel und die Gerätschaften müssen besorgt werden. Die Durchführung dauert circa 15 Minuten, da die Schmelze langsam abgekühlt werden muss, sodass sich kristallförmige Nadeln bilden können. 6

7 Durchführung: Dieser Versuch benötigt ein wenig Geschick. Beim Abkühlen der Schmelze muss auf den richtigen Zeitpunkt des Abgießens geachtet werden. Wartet man nämlich zu lange, so erstarrt die Schmelze, überschüssiger Schwefel kann nicht abgegossen und somit die kristallinen Nadeln nicht erhalten werden. Der festgewordene Schwefel kann jedoch wieder geschmolzen werden, sodass eine weitere Möglichkeit besteht, monoklinen Schwefel zu bekommen. Dieser Versuch kann sowohl vom Lehrer als auch von den Schülerinnen und Schülern durchgeführt werden. Zu empfehlen ist jedoch die Durchführung von den Schülerinnen und Schülern, da sie zum einen das Experimentieren üben und zum anderen das Entstehen der Nadeln besser beobachten können. 2.2 flüssiger Zustand Wird fester, monokliner Schwefel auf eine Temperatur von 119,6 C und darüber hinaus erhitzt, schmilzt dieser zu einer dünnen, durchsichtigen, gelben Flüssigkeit, dem sogenannten λ-schwefel. Je nach Temperaturgleichgewicht liegen im flüssigen Zustand mehrere Modifikationen des Schwefels vor. Mit zunehmender Temperatur nimmt die Viskosität zu und die Farbe verändert sich von gelb über dunkelorange bis hin zu dunkelrotbraun. Die Ursache für die zunehmende Viskosität bei höheren Temperaturen liegt an dem Aufbrechen der ringförmigen S 8 -Moleküle zu Schwefelketten. Je höher dabei die Temperatur beim Erhitzen ist, desto mehr verknüpfen sich kurzkettige zu langkettige Molekülen (π-schwefel), was zu einer Zunahme der Viskosität führt. Erst ab einer Temperatur von 243 C zerbrechen diese allmählich wieder zu kurzkettigen Molekülen und die Viskosität nimmt ab (μ- Schwefel). Erstarrt man den wieder leicht dünnflüssig gewordenen Schwefel im kalten Wasser, so wird dieser abgeschreckt. Das Produkt nennt sich dann plastischer Schwefel. Versuch 1: plastischer Schwefel Chemikalien: Chemikalien: Gefahrensymbole R-Sätze S-Sätze Menge Verwendbar nach HessGiss Schwefel (S (s) ) SI Wasser (H 2 O (l) ) ml SI 7

8 Geräte: - Bunsenbrenner - Reagenzglas - Reagenzglasständer - Reagenzglashalter ml Becherglas - Reagenzglasklammer Versuchsaufbau: Reagenzglas Bunsenbrenner Becherglas mit H 2 O gefüllt Abb. 5: Versuchsaufbau: plastischer Schwefel Versuchsdurchführung: In einem Reagenzglas wird so viel Schwefelpulver gegeben, dass dieses etwa zu 2/3 gefüllt ist. Anschließend wird vorsichtig in der Bunsenbrennerflamme der Schwefel zum Schmelzen gebracht. Nachdem ab einer Temperatur von 243 C die Viskosität wieder abnimmt, wird die wieder flüssige Schmelze in ein Becherglas, welches mit Wasser gefüllt ist, gegossen. Beobachtung: Bei Erhitzen des Schwefels schmolz der Feststoff zu einer dünngelben Schmelze. Bei weiterer Temperaturerhöhung wurde die Schmelze zähflüssiger. Nach kurzer Zeit wurde diese so fest, dass man die Schmelze aus der Öffnung des Reagenzglases nicht herausgießen konnte. Die Farbe der Schmelze wurde mit zunehmendem Erhitzen erst dunkelorange und ging nach kurzer Zeit in einen dunkelroten Farbton über. Nach weiterem Erhitzen Abb. 6: plastischer Schwefel (links: abgekühlte Schmelze des λ-schwefels; rechts: abgekühlte Schmelze des μ-schwefels) 8

9 nahm die Viskosität wird ab und die Schmelze konnte aus dem Reagenzglas in das Wasser gegossen werden. Es bildete sich ein langer, dunkelrotbrauner Faden, welcher zäh-elastisch war (Abb. 6, rechts). Entsorgung: Plastischer Schwefel kann in die Feststofftonne entsorgt werden. Auswertung und theoretischer Hintergrund: Aufgrund der Schmelztemperatur des Schwefels von 119,6 C schmilzt der feste Schwefel zu einer dünnen und gelben Schmelze. Mit zunehmender Temperatur verändert sich die Farbe von gelb über dunkelorange zu dunkelrotbraun. Der Grund für die Farbänderung ist die beim Erhitzen in unterschiedlichen Anteilen gebildeten flüssigen Modifikationen (S λ -, S π -, S μ - Schwefel) sowie eine geringe Konzentration von Schwefelmolekülen S <6. Die zunehmende Viskosität ab einer Temperatur vom 149 C ist auf die mit zunehmender Temperatur gebildeten langen Kettenmolekülen zurückzuführen. Schreckt man die Schmelze von einer Temperatur oberhalb des Viskositätsmaximums ab, in dem man sie in kaltes Wasser gießt, erhält man die Flüssigkeit als unterkühlte Schmelze. Aufgrund ihrer zäh-elastischen Eigenschaft wird diese auch als plastischer Schwefel bezeichnet. Da dieser jedoch unter Normalbedingungen nicht beständig ist, wandelt sich dieser nach einiger Zeit in die thermodynamisch stabile Form des orthorhombischen Schwefels um. Methodisch-didaktische Analyse: Einordung in den Lehrplan: Da im hessischen Lehrplan das Thema Schwefel ausgelassen wird, ist die Durchführung des Versuches in der Unterrichtsstunde nicht von Nöten. Aufwand: Dieser Versuch ist innerhalb weniger Minuten durchführbar. Er benötigt wenig an Vorbereitung und ist auch schnell in seiner Durchführung. 9

10 Durchführung: Die Herstellung von plastischem Schwefel ist sowohl vom Lehrer als auch von den Schülerinnen und Schülern durchführbar. Einziger Hinweis: Es ist auf die zu Beginn zunehmende, bei höheren Temperaturen abnehmende Viskosität zu achten. Dieser Versuch veranschaulicht sehr schön die verschiedenen Modifikationen, welcher der Schwefel aufweist. 2.3 gasförmiger Schwefel Bei einer Temperatur von 444,6 C (Siedepunkt) geht die Schwefelschmelze in die Gasphase über. Dieser besteht zu mindestens 90 % aus S 8, S 7 sowie S 6. Mit steigender Temperatur entstehen hauptsächlich S 2-5 aus S >5 in temperatur- und druckabhängigen Gleichgewichten. 3. Vorkommen Schwefel kommt in der Natur sowohl in freiem wie gebundenem Zustand vor. 3.1 elementares Vorkommen Elementar befindet sich der Schwefel in mächtigen Lagerstätten. Vor allem in Japan (Hokkaido), Italien (Sizilien), Mittelamerika (Mexiko), Nordamerika (Texas und Louisiana) sowie in Südamerika (Peru, Chile) werden große Mengen abgebaut. Nun stellt sich die Frage, weshalb ausgerechnet in diesen Regionen auf der Erde das Element Schwefel am häufigsten vorkommt? Eine Antwort auf diese Frage zu finden ist jedoch nicht schwer, wenn man sich in den tektonischen Vorgängen der Erde ein wenig auskennt. Bei genauerer Betrachtung der Karte (Abb. 7) ist festzustellen, dass ausgerechnet in den Regionen Schwefel elementar vorkommt, in welchen zwei Erdplatten aufeinandertreffen. 10

11 Abb. 7: Erdbeben und Vulkanismus/Plattentektonik (Quelle: Michael et al. 2008, S. 224f.) Hierbei konvergiert beispielsweise eine ozeanische mit einer kontinentalen Platte, bei welchem sich die ozeanische unter die kontinentale schiebt. Durch diesen Vorgang geht gleichzeitig eine Auffaltung eines Gebirges sowie die Ausbildung von Vulkanketten einher, aus welchen heiße Magma aus dem Erdinneren an in Oberfläche aufsteigt (Abb. 8). Abb. 8: Schnitt durch die Erdkruste (Quelle: Michael et al. 2008, S. 222f.) Aufgrund dieser vulkanischen Aktivitäten werden große Mengen Schwefel freigesetzt, welche sich an Vulkankratern und Schloten u.a. absetzen. 11

12 Aber auch Fumarolen und Solfataren können sehr schwefelträchtig sein. Fumarolen sind vulkanische Gasexhalationen, bei welchen kontinuierlich Gase aus Spalten mit Temperaturen zwischen 200 C und 900 C ausbrechen. Solfataren sind Fumarolen, aus welchen Gase austreten, welche Schwefelwasserstoff (H 2 S), Kohlenstoffdioxid (CO 2 ), elementaren Schwefel (S) und Wasserdampf enthalten. Dabei setzt sich der Schwefel elementar aus der Oxidation des Schwefelwasserstoffes an der Öffnung des Spaltes ab (Abb.9) H 2 S (g) + 1/2 O 2(g) H 2 O (aq) + 1/8 S 8 Abb. 9: Fumarolen mit starker Schwefelabscheidung (Quelle: Nockemann 2010, neralienportrait/schwefel) Aus der Oxidation von gasförmigem Schwefel mit Sauerstoff entsteht Schwefeldioxid (SO 2 ), welches sich mit dem Wasserdampf zu schwefeliger Säure (H 2 SO 3 ) verbindet. Durch die entstandene Säure werden mineralischen Bestandteile des Bodens zersetzt und es entstehen schlammartige Kessel und Seen mit hohem Säuregehalt (Abb. 10) SO 2(g) S (g) + O 2(g) SO 2(g) + H 2 O (l) H 2 SO 3(aq) Abb. 10: Sulfur Springs, Hot Springs; Bildung von gashaltigen Schwefelblasen (Quelle: Nockemann 2010, neralienportrait/schwefel) 3.2 anorganisch gebundener Schwefel (Demonstrationsversuch 2: Mineralien) Anorganisch gebundener Schwefel liegt vorwiegend in Form von Sulfiden und Sulfaten vor. Die Sulfide werden ihrem Aussehen nach als Kiese, Glanze und Blenden bezeichnet. Die meistverbreiteten unter ihnen sind der Kupferkies (Chalkopyrit; CuFeS 2 ), Eisenkies (Pyrit; FeS 2 ), Bleiglanz (Galenit; PbS), Zinkblende (Sphalerit; ZnS) sowie der Realgar (Rauschrot; As 4 S 4 ) (Abb ). 12

13 Eisenkies (Pyrit, FeS 2 ) Bleiglanz (Galenit, PbS) Kupferkies (Chalkopyrit, CuFeS 2 ) Zinkblende (Sphalerit, ZnS) Realgar (Rauschrot, As 4 S 4 ) Abb : (Quelle: Nockemann 2010, Wichtige Sulfate sind Calciumsulfat (Gips; CaSO 4 2H 2 O), Bariumsulfat (Schwerspat; BaSO 4 ), Strontiumsulfat (Cölestin; SrSO 4 ) und Natriumsulfat (Glaubersalz; Na 2 SO 4 10H 2 O) (Abb ). Calciumsulfat Schwerspat Strontiumsulfat (Selenit, CaSO 4 2H 2 O) (Bariumsulfat, BaSO 4 ) (Cölestin, SrSO 4 ) Abb : (Quelle: Nockemann 2010, ) Abb. 19: Natriumsulfat (Glaubersalz, Na 2 SO 4 10H 2 O) (Quelle: Seilnacht 2009, 13

14 3.3 organisch gebundener Schwefel Schwefel befindet sich in organisch gebundener Form als Bestandteil der Eiweißstoffe in der Biosphäre (Pflanzen- und Tierreich). Zudem wird Schwefel auch organisch in den Aminosäuren Cystein und Methionin gebunden (Abb. 20 und 21). So entsteht er beispielsweise bei der Verwesung von Tierleichen oder beim Faulen von Eiern in Form von Schwefelverbindungen (Schwefelwasserstoff (H 2 S) und Mercaptanen (RSH)), welche wir durch unseren Geruchssinn wahrnehmen können. Abb. 20: Cystein Abb. 21: Methionin Weiterhin kommen Schwefel oder Schwefelverbindungen auch in allen fossilen Brennstoffen wie Kohle, Erdöl und Erdgas vor. Der folgende Versuch überprüft das Vorhandensein von Schwefelverbindungen im Knoblauch. Versuch 2: Schwefelverbindungen im Knoblauch Chemikalien: Chemikalien: Gefahrensymbole R-Sätze S-Sätze Menge Verwendbar Knoblauchpulver Zwei gehäuft e Spatel Bleiacetat-Trihydrat (Pb(CH 3 COO) 2 3 H 2 O (s) ) entionisiertes Wasser (H 2 O (l) ) Geräte: 50/ ml 14 T, N 61-20/ einen Spatel nach HessGiss - Reagenzglas - Reagenzglashalter - Reagenzglasklammer - Bunsenbrenner - Filterpapier ml Becherglas - Spatel - Glasstab SI LV

15 Versuchsaufbau: Bleiacetatpapier Reagenzglas Bunsenbrenner Becherglas mit Bleiacetat-Lösung Abb. 22: Versuchsaufbau: Schwefelverbindungen im Knoblauch Versuchsdurchführung: Zunächst wird eine Bleiacetat-Lösung hergestellt. Dazu wird ein Spatel Bleiacetat in 50 ml entionisiertem Wasser gelöst. Danach wird ein Filterpapier in die Bleiacetat-Lösung getränkt. In ein Reagenzglas werden zwei gehäufte Spatel Knoblauchpulver gegeben und man erhitzt dieses mit Hilfe des Bunsenbrenners. Gleichzeitig hält man das in Bleiacetat-Lösung getränkte Filterpapier an die Öffnung des Reagenzglases und beobachtet. Beobachtung: Beim Erhitzen des Knoblauchpulvers im Reagenzglas entstand ein gelb-brauner Nebel. Das Pulver färbte sich schwarz, das in Bleiacetat-Lösung getränkte Filterpapier braunschwarz. Zudem wurde ein verbrannter Knoblauchgeruch wahrgenommen. Entsorgung: Der Rückstand an verbrannten Knoblauchpulver sowie das Bleiacetatpapier wurden in die Feststofftonne entsorgt. Die Bleiacetat-Lösung wurde neutral in den Schwermetallbehälter gegeben. Auswertung und theoretischer Hintergrund: Beim Erhitzen des Knoblauchpulvers entsteht Schwefelwasserstoff, welcher als Gas das feuchte Bleiacetatpapier braunschwarz färbt. H 2 S (g) + Pb 2+ (aq) PbS (s) + 2 H + (aq) braunschwarz 15

16 Somit ist nachgewiesen, dass im Knoblauch Schwefel organisch gebunden ist. Knoblauch (Allium sativum) gehört zur Gattung Allium, der Lauchgewächse, an. Sein typischer Duft, welcher beim Schneiden oder Pressen wahrgenommen wird, basiert auf dem Element Schwefel. Die Knoblauchknolle an sich riecht dagegen überhaupt nicht. Erst wenn Knoblauch zerschnitten oder gepresst wird, wird das im Knoblauch enthaltene Alliin von Allinase-Enzymen über mehrere Stufen zu Allicin abgebaut und somit der Geruchstoff freigesetzt. C H 2 O NH 2 S O Allinaseenyzme C H 2 O S S CH 2 OH Alliin Allicin Zu den negativen Auswirkungen bei dem Verzehr von Knoblauch zählt der schlechte Atem. Dieser ist jedoch nicht auf Knoblauchspuren im Mund zurückzuführen, sondern auf Schwefelverbindungen, welche über das Blut zu den Lungen transportiert und letztendlich ausgeatmet werden. Methodisch-didaktische Analyse: Einordnung in den Lehrplan: Der Nachweis von Schwefelverbindungen wird nach dem hessischen Lehrplan im Unterricht nicht behandelt. Besteht die Möglichkeit (zeitlich gesehen) einen Exkurs zum Thema Schwefel und seinen Verbindungen zu realisieren, ist dieser Versuch in seiner Durchführung geeignet. Aufwand: Zeitlich gesehen ist der Versuch in seiner Vor- und Nachbereitung sowie Durchführung für den Unterricht bestens geeignet. Lediglich 5 Minuten werden maximal benötigt, um alle Geräte und Chemikalien zu besorgen sowie den Versuch durchzuführen. Bleiacetat sollte in der Schule als Chemikalie vorliegen. 16

17 Durchführung: Dieser Versuch ist aufgrund des Bleiacetats nur von einem/r Lehrer/in durchführbar und somit nicht für die Schülerinnen und Schüler geeignet. Er sollte trotzdem, wenn möglich, den Schülerinnen und Schülern gezeigt werden. Der Versuch zeigt nämlich sehr schön das Vorkommen des Schwefels in organisch gebundener Form, wie beispielsweise in dem alltäglichen Lebensmittel Knoblauch. Statt Knoblauch kann jedoch auch ein anderes Lauchgewächs wie die Zwiebel genommen werden. 4. Darstellung Technisch erfolgt die Gewinnung von Schwefel durch Oxidation von Schwefelwasserstoff bzw. der Reduktion von Schwefeldioxid. Zwei bedeutsame Verfahren, aus welchen Schwefel aus natürlichen Vorkommen gewonnen werden kann, stellen das Frasch-Verfahren und das Claus-Verfahren dar. 4.1 Frasch-Verfahren Große Ablagerungen von Schwefel finden sich in einer Tiefe von m in gigantischen m mächtigen Schichten von Gips (CaSO 4 2 H 2 O), welche unter Schichten aus Lockersedimenten und Geröll von m Mächtigkeit liegen. Da sich hier der bergmännische Abbau als sehr schwierig erweist, wendet man hier das sogenannte Frasch-Verfahren an, welches Ende des 19. Jahrhunderts vom deutsch-amerikanischen Chemiker Hermann Frasch entwickelt wurde (Abb. 23). Mit Hilfe dieses Verfahrens wird elementarer Schwefel aus schwefelhaltigen Gesteinsschichten in den Regionen an die Oberfläche befördert, in welchen der herkömmliche Bergbau entweder nicht möglich oder wirtschaftlich nicht sinnvoll ist. Solche Länder, in denen dieses Verfahren von großem Nutzen ist, sind die USA (Texas, Louisiana) und Mexiko. Abb. 23: Hermann Frasch (Quelle: Botsch 2001, Frasch.pdf) 17

18 Hierbei wird überhitztes Wasser bei 155 C und 25 bar in den Boden geleitet. Aufgrund der Schmelztemperatur von 119 C schmilzt der Schwefel unter Tage und löst sich so vom dem Kalk-Schwefel-Gemisch. Um den bis zu 99,5 % reinen Schwefel an die Oberfläche befördern zu können, wird heiße Pressluft mit bis zu 40 bar in den Untergrund geleitet. In einer letzten Reinigung durch Destillation wird eine Reinheit von 99,8 % erreicht (Abb. 24). 4.2 Claus-Verfahren Abb. 24: Schwefelextraktion durch das Frasch- Verfahren (Quelle: Seroka 2008, lexikon/index.php/bildanzeige?pict= ) In neuerer Zeit hat die technische Gewinnung von elementarem Schwefel aus Schwefelwasserstoff immer mehr an Bedeutung gewonnen, welcher in den bei der Gewinnung oder Aufbereitung fossiler Brennstoffe (Kohle, Erdöl) anfallenden Gasen oder in Erdgasen enthalten ist bzw. bei der Entschwefelung von Erdöl anfällt. Versuch 3: Darstellung von Schwefel: Claus-Verfahren Chemikalien: Chemikalien: Gefahrensymbole R-Sätze S-Sätze Menge Verwendbar Eisensulfid (FeS (s) ) ein SI kleines Stück konz. Salzsäure C ml SI (HCl (aq) ; w = 0,35) Schwefelwasserstoff (H 2 S (g) ) Natriumhydrogensulfit (NaHSO 3(s) ) T+, F+, N / LV Xn ein SI gehäuft er Spatel 18 nach HessGiss

19 konz. Schwefelsäure C ml SI (H 2 SO 4(l) ; w = 0,96) 45 Schwefeldioxid (SO 2(g) ) T /2-9- SI 26-36/37/ Kaliumiodid (KI (s) ) SI gehäuft e Spatel Iod (I (s) ) Xn, N 20/ wenige Kristall e SI entionisiertes Wasser SI Kaliumpermanganat O, Xn, N SI (KMnO 4(s) ) 50/ eine Spatels pitze Geräte: - 2 * 100 ml Kolbenprober mit Dreiwegehahn und Haltevorrichtung - 2 Reagenzgläser mit Einleitungsrohr - U-Rohr - 2 Einwegspritzen mit Kanülen - 2 Gummistopfen NS 19 - Reagenzgläser - 2 Gummistopfen NS 14 - PVC-Schlauch - Stativmaterial Versuchsaufbau: Abb. 25: Versuchsaufbau: Darstellung von Schwefel - Claus-Verfahren Versuchsdurchführung: Bevor die eigentliche Reaktion zwischen Schwefelwasserstoff (H 2 S) und Schwefeldioxid (SO 2 ) erfolgt, müssen zunächst die beiden Gase hergestellt werden. Herstellung von Schwefelwasserstoff (im Abzug arbeiten!): Zu Beginn wird mittels eines PVC-Stückes eine Verbindung zwischen dem Reagenzglas mit Einleitungsrohr und dem Kolbenprober hergestellt. Anschließend wird ein kleines Stück Eisensulfid (FeS) in das Reagenzglas gegeben. Mittels einer Einwegspritze mit Kanüle werden nun 3 ml konz. Salzsäure aufgezogen. Die Kanüle wird vorher jedoch durch den 19

20 Gummistopfen gedrückt. Nun kann dieser zusammen mit der Spritze auf die Öffnung des Reagenzglases gedrückt werden, sodass die Apparatur dicht ist. Jetzt ist auf die Einstellung des T-Stückes am Kolbenprober zu achten, sodass das im Reagenzglas entwickelte Gas auch in den Kolbenprober eingeleitet werden kann. Bei falscher Einstellung würde der durch das Gas entstehende Druck den Gummistopfen aus der Öffnung des Reagenzglases katapultieren! Sind alle Anschlüsse überprüft worden, kann die konz. Salzsäure in das Reagenzglas gegeben werden. Damit die Gasentwicklung schneller erfolgt, wird vorsichtig mit dem Bunsenbrenner das Reagenzglas erhitzt. 100 ml werden so in den Kolbenprober eingeleitet. Herstellung von Schwefeldioxid (im Abzug arbeiten!): Die Versuchsvorschrift erfolgt analog für die der Entwicklung des Schwefelwasserstoffgases. Nur wird hierbei statt Eisensulfid (FeS) ein gehäufter Spatel Natriumhydrogensulfit (NaHSO 3 ) in das Reagenzglas gegeben und mit 2 ml konz. Schwefelsäure versetzt. Hierbei werden 60 ml Schwefeldioxidgas in den Kolbenprober eingeleitet. Erhitzen mit dem Bunsenbrenner ist hier nicht notwendig. Reaktionsapparatur: Bevor die Gase miteinander im U-Rohr reagieren können, wird zuvor die Oberfläche des U- Rohres mit einem Wasser-Spüli-Gemisch benetzt und die beiden Öffnungen mit den Stopfen verschlossen (Nicht zu viel Lösung in das U-Rohr geben. Ansonsten werden die Gase voneinander abgetrennt und können somit nicht miteinander reagieren.). Nun können die Gase eingeleitet werden. Dazu drückt man je ein Gas langsam vom Kolbenprober durch das U-Rohr (immer abwechselnd). Beobachtung: Herstellung von Schwefelwasserstoff: Bei der Reaktion von Eisensulfid und konz. Salzsäure entstanden langsam kleine Bläschen. Wurde das Reagenzglas vorsichtig erhitzt, lief die Reaktion deutlich schneller ab. Im Kolbenprober wurde das entstandene Gas aufgefangen. 20

21 Herstellung von Schwefeldioxid: Bei der Zugabe von konz. Schwefelsäure zu Natriumhydrogensulfit war eine heftige Reaktion zu erkennen. Ein Gas entstand, welches im Kolbenprober aufgefangen wurde. Reaktionsapparatur: Nachdem die beiden Gase abwechselnd durch das U-Rohr gedrückt wurden, entstand ein weiß-gelblicher Nebel. An der benetzten Oberfläche des Rohres setzte sich ein gelber Feststoff ab. Entsorgung: Überschüssig gebildetes Schwefeldioxid-Gas wurde in eine wässrige Kaliumiod-Iod-Lösung eingeleitet. Dabei wird Schwefeldioxid zu Sulfat oxidiert. SO 2(g) + I 2(s) + 2 H 2 O (l) SO 4 2- (aq) + 2 I - (aq) + 2 H + (aq) Reste im Reagenzglas wurden vorsichtig mit Wasser verdünnt und mittels Kaliumpermanganat oxidiert und die Lösung neutralisiert. 2 MnO 4 - (aq) + 5 SO 2(aq) + 2 H 2 O (l) 2 Mn 2+ (aq) + 5 SO 4 2- (aq) + 4 H + (aq) Reste aus dem Schwefelwasserstoff-Entwickler wurde vorsichtig mit Wasser verdünnt und mit neutralisiert. Alle neutralieserten Lösungen wurden zum Schluss in den Behälter für Schwermetallabfälle gegeben. Auswertung und theoretsischen Hintergrund Unter Verwendung des Claus-Verfahrens kann Schwefel elementar aus Schwefelwasserstoff gewonnen werden. Dieses Gas erhält man aus der Gewinnung oder Aufbereitung fossiler Brennstoffe anfallenden Gasen, in Erdgasen oder bei der Entschwefelung von Erdöl. Dabei wird der Schwefelwasserstoff durch Verbrennen mit Sauerstoff in Gegenwart von Katalysatoren (Co/Mo-Kat.) in zwei Stufen zu Schwefel umgewandelt. In der ersten Reaktion (1) regieren ein Drittel des Schwefelwasserstoffes mit Sauerstoff zu Schwefeldioxid und Wasser. Schwefelwasserstoff wird dabei oxidiert (Oxidationszahl erhöht 21

22 sich) und Sauerstoff reduziert (Oxidationszahl verringert sich). In einer zweiten Reaktion (2) disproportionieren nun die übrigen zwei Drittel des Schwefelwasserstoffes mit dem aus der ersten Reaktion gebildeten Schwefeldioxid zu elementaren Schwefel und Wasser. Schwefelwasserstoff wird dabei wieder oxidiert und Schwefeldioxid reduziert. (1) (2) (3) In diesem Versuch reagierten Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid nach Gleichung (2). Der an der benetzten Oberfläche des U-Rohres gebildete gelbe Feststoff war Schwefel. Die beiden Gase Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid wurden nach folgenden zwei Reaktionsgleichungen hergestellt. FeS (s) + 2 HCl (l) FeCl 2(s) + H 2 S (g) 2 NaHSO 3(s) + H 2 SO 4(l) Na 2 SO 4(s) + 2 H 2 O (aq) + 2 SO 2(g) Methodisch-didaktische Analyse: Einordnung in den Lehrplan: In der Klassenstufe 9 wird verpflichtend das Thema Erdöl und Erdgas als Energieträger und Rohstoffe im Unterricht behandelt. Unter anderem sollen hierbei auf die Bildung, Verarbeitung und Verwendung dieser fossilen Brennstoffe eingegangen werden. Als eine mögliche Art der Verarbeitung und Verwendung dieser, kann das Claus-Verfahren angesprochen werden, bei der aus der Entschwefelung von Erdöl elementarer Schwefel gewonnen werden kann. Zudem ist ein Bezug zum Fach Geographie möglich, bei dem beispielsweise über die Emission bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe gesprochen werden kann. Aufwand: Die Durchführung dieses Versuches erfolgt sehr schnell, da lediglich die beiden Gase abwechselnd durch das U-Rohr gedrückt werden müssen. Die Bildung des Schwefels erfolgt 22

23 recht zügig und ist gut zu erkennen. An Vorbereitung benötigt es jedoch etwas mehr Zeit (20-30 Minuten), da zuallererst die Apparatur aufgebaut sowie die Gase in das Rohr eingeleitet werden müssen. In der Nachbereitung müssen die Lösungen neutralisiert werden. Dies nimmt etwa 15 Minuten in Anspruch. Durchführung: Dieser Versuch muss im Abzug durchgeführt werden! Um die Bildung des elementaren Schwefels deutlich zu erkennen, kann hinter das U-Rohr ein Stück dunkle (blaue oder schwarze) Pappe gehalten werden. Lediglich der/die Lehrer/in kann bzw. darf seinen/ihren Schülerinnen und Schülern den Versuch vorführen, da mit giftigen Gasen gearbeitet wird. Insgesamt gesehen ist es jedoch ein guter und anschaulicher Versuch. 5. chemische Reaktionen Schwefel kann mit vielen Elementen des Periodensystems unter Ausbildung neuer Verbindungen reagieren. In dieser Verschriftlichung wird auf die Reaktionen dieses Nichtmetalls mit Metallen eingegangen. Schwefel kann mit vielen Metallen reagieren. Dabei wird das Metall durch den Schwefel als Oxidationsmittel in einer exothermen Reaktion oxidiert. Schwefel selbst wird reduziert. Auf diese Art und Weise entstehen Metallsulfide wie beispielsweise Kupfersulfid, Zinksulfid oder wie in Versuch 4 Eisensulfid. Da die beiden Stoffe (Metall und Schwefel) unter Normalbedingungen nicht spontan miteinander reagieren, muss Aktivierungsenergie für das Ablaufen einer Rektion hinzugefügt werden. Je nach Metall ist die zu hinzufügende Energie unterschiedlich groß. So muss beispielsweise Kupfer mit Schwefel sehr stark erhitzt werden, bis eine Reaktion einsetzt. Hingegen reichen für die Reaktion von Magnesium oder Zink mit Schwefel bereits wenige Funken aus, um die Reaktion in Gang bringen. Der Grund für das unterschiedlich starke Hinzufügen von Energie für das Ablaufen einer Reaktion liegt an der Stellung der jeweils an der Reaktion beteiligten Metalle im Periodensystem und dem damit verbundenen edlen oder unedlen Charakter. Je edler dabei das Metall ist, desto mehr Aktivierungsenergie muss hinzugefügt werden und umgekehrt. Im nachfolgenden Versuch wurde die Reaktion von Eisen und Schwefel ausgewählt. 23

24 Versuch 4: chemische Reaktion des Schwefels mit Eisen Chemikalien: Chemikalien: Gefahrensymbole R-Sätze S-Sätze Menge Verwendbar Eisenpulver (Fe (s) ) ,4 g SI Schwefelpulver (S (s) ) ,8 g SI nach HessGiss Geräte: - Spatel - Mörser mit Pistill - Plattenstativ - Waage - Eisennagel - Tiegelzange - Bunsenbrenner Versuchsaufbau: Tiegelzange Mörser mit Pistill glühender Eisennagel Plattenstativ Abb. 26: Versuchsaufbau: chemische Reaktion des Schwefels mit Eisen Versuchsdurchführung: 22,4 g Eisenpulver und 12,8 g Schwefelpulver werden abgewogen und in den Mörser gegeben. Anschließend werden vorsichtig die beiden Chemikalien miteinander vermengt. Die Eisen-Schwefel-Mischung wird zum Schluss auf dem Plattenstativ zu einem kleinen Haufen geformt und mit Hilfe eines glühenden Eisennagelns zur Reaktion gebracht. Beobachtung: Nachdem der glühende Eisennagel in die Mitte des Haufens gesteckt wurde, reagierte der Schwefel mit dem Eisen. Während der Reaktion glühte die Mischung von der Mitte zum Rand aus. Entsorgung: Das Reaktionsprodukt Eisensulfid kann abgekühlt in die Feststofftonne entsorgt oder für weitere Versuche verwendet werden. 24

25 Auswertung und theoretischer Hintergrund: Unter Normalbedingungen läuft die Reaktion von Eisen und Schwefel nicht spontan ab. Deshalb wird Aktivierungsenergie, hier in Form eines glühenden Eisennagels, hinzugefügt. Bei der Reaktion von Eisen und Schwefel handelt sich um eine exotherme Reaktion, d.h. Energie wird in Form von Wärme und Licht freigegeben. In diesem Versuch konnte man dies durch das rote Glühen gut beobachten. Des Weiteren handelt es sich hierbei auch um eine Redoxreaktion, bei welcher Eisen als Metall oxidiert (zwei Elektronen werden abgegeben; Oxidationszahlzunahme um +2) und Schwefel reduziert wird (zwei Elektronen werden aufgenommen, Oxidationszahlabnahme um -2). Abb. 27: Redoxreaktion (eigene Darstellung) Aus einem Stoff Eisen und einem Stoff Schwefel mit je unterschiedlichen Eigenschaften entsteht ein neuer Stoff mit neuen Eigenschaften. Methodisch-didaktische Analyse: Einordung in den Lehrplan: Dieser klassische Versuch wird den Schülerinnen und Schülern in der Klassenstufe 7 einleitend zum Thema Chemische Reaktionen vorgeführt. Hierbei sollen sie verstehen, dass bei einer chemischen Reaktion aus zwei Stoffen mit je unterschiedlichen Eigenschaften ein neuer Stoff mit neuen Eigenschaften entsteht. In diesem Versuch kann man dies sehr gut an den verschiedenen Farben des Eisen und des Schwefels sowie an dem Reaktionsprodukt Eisensulfid zeigen. Zudem ist es sinnvoll, alle Edukte und das Produkt auf Magnetismus hin zu überprüfen. 25

26 Aufwand: Dieser Versuch ist sehr einfach und ohne großen Aufwand vorführbar. In der Vorbereitung müssen lediglich die beiden Chemikalien miteinander vermischt werden. Vor der Klasse wird dann das Gemisch zum Reagieren gebracht. Eine Nachbereitungsphase gibt es nicht, höchstens durch das Wegräumen der Geräte. Durchführung: Da keine Gefahren von den Edukten Eisen und Schwefel ausgehen, können sowohl der/die Lehrer/in als auch die Schülerinnen und Schüler den Versuch durchführen. Nur sollte man sich als Lehrer/in überlegen, ob es zwingend notwendig ist, den Versuch von jedem/r Schüler/in einzeln oder in Gruppen experimentieren zu lassen. Erstens ist die Reaktion von weitem sehr gut zu erkennen und zweitens wäre es unnötige Verschwendung von Chemikalien. Natürlich kann auch ein anderes, vielleicht unedleres Metall für die Reaktion genommen werden. Nur sollte hier aufgrund der heftigen Reaktion von einer Durchführung seitens der Schülerinnen und Schüler abgeraten werden. 6. Verwendung Schwefel wird in verschiedenen Bereichen unterschiedlich eingesetzt. 6.1 Darstellung von Schwefelsäure Die Hauptmenge an gewonnenen elementaren Schwefel wird zur Herstellung von Schwefelsäure verwendet, deren Darstellung nach dem sogenannten Kontaktverfahren erfolgt. Dabei wird im ersten Schritt elementaren Schwefel verbrannt, welcher zu Schwefeldioxid oxidiert. Bei der anschließenden Reaktion von Schwefeldioxid mit Sauerstoff entsteht Schwefeltrioxid, bei welcher Wärme frei wird, d.h. die Reaktion verläuft exotherm. 26

27 Das Gleichgewicht verschiebt sich mit zunehmender Temperatur zugunsten der Edukte. Das bedeutet, dass Schwefeltrioxid beim Erhitzen zu Schwefeldioxid und Sauerstoff zerfällt. Um dieses Gleichgewicht auf die Seite des Produkts verschieben zu können, sodass die Ausbeute an Schwefeltrioxid möglichst groß ist, muss bei tiefen Temperaturen gearbeitet werden. Da jedoch bei geringen Temperaturen die Reaktionsgeschwindigkeit zu gering ist, wird ein Katalysator verwendet, welcher die Reaktion beschleunigt. Bei dem Kontaktverfahren wird Vanadiumpentaoxid als solcher eingesetzt. Mit Hilfe dieses Katalysators oxidiert das Schwefeldioxid schneller zu Schwefeltrioxid. Das entstandene Vanadiumtetraoxid wird mit Sauerstoff zu Vanadiumpentaoxid wieder regeneriert. Um Schwefelsäure darzustellen, könnte man jetzt das Schwefeltrioxidgas in Wasser einleiten. Dies wird jedoch in der Industrie nicht getan, weil das Gas nur sehr langsam vom Wasser aufgenommen wird und so große Mengen unumgesetzt verloren gingen würden. Deshalb leitet man Schwefeltrioxid in konz. Schwefelsäure ein, sodass in einem ersten Schritt zunächst Dischwefelsäure, in einer anschließenden Reaktion mit Wasser Schwefelsäure gebildet wird. Schwefel wird jedoch nicht nur für die Herstellung von Schwefelsäure verwendet. Beispielsweise findet dieser Stoff auch in der Zündholzindustrie, in Schwarzpulver sowie in Feuerwerkskörpern Anwendung. 27

28 6.2 Versuch 5: Herstellung und Reaktion von Schwarzpulver Chemikalien: Chemikalien: Gefahrensymbole R-Sätze S-Sätze Menge Verwendbar Kaliumnitrat (KNO 3(s) O g SI Schwefelpulver (S (s) ) g SI Kohle (C (s) ) g SI nach HessGiss Geräte: - Spatel - Waage - Mörser mit Pistill - Plattenstativ - Streichholz Versuchsaufbau: Mörser mit Pistill Versuchsdurchführung: Abb. 28: Versuchsaufbau: Herstellung und Reaktion von Schwarzpulver Plattenstativ 75 g Kaliumnitrat, 15 g Kohlenstoff und 10 g Schwefel werden in einem Mörser vorsichtig verrieben und anschließend zu einem Hügel auf das Plattenstativ gegeben. Um das Gemisch reagieren zu lassen, wird dieses mit einem brennenden Streichholz (im Abzug!) entzündet. Versuchsbeobachtung: Bei Zündung des Gemisches verbannte dieses sehr schnell. Eine große Menge an Rauch entwickelte sich. Entsorgung: Übrig gebliebenes Schwarzpulver wurde kontrolliert entzündet. Auswertung und theoretischer Hintergrund: Bei Schwarzpulver handelt es sich aus einem Gemisch aus etwa 75 % Kaliumnitrat (KNO 3 ), 10 % reinem Schwefel (S) und 15 % Holzkohle (C), welches sich bei 270 C entzündet und 28

29 unter großer Volumenzunahme explodiert. Eine eindeutige Reaktionsgleichung für diese exotherme Reaktion kann nicht formuliert werden, da je nach Bedingung (z.b. sauerstoffarme oder -reiche Umgebung) unterschiedliche Reaktionsprodukte entstehen. Gase: Stickstoff (N 2 ), Kohlenstoffdioxid (CO 2 ), Kohlenstoffmonoxid (CO), Methan (CH 4 ), Schwefelwasserstoff (H 2 S), Wasserstoff (H 2 ) Rauch: Kaliumcarbonat (K 2 CO 3 ), Kaliumsulfat (K 2 SO 4 ), Kaliumthiosulfat (K 2 S 2 O 3 ), Kalium- thiocyanat (KSCN), Ammoniumcarbonat ((NH 4 ) 2 CO 3 ) Schwarzpulver wird heutzutage unterschiedlich eingesetzt. In gekörnter Form wird es vor allem für Feuerwerkskörper verwendet, welches als Antriebsmittel für Raketen oder als Ladung von Böllern dient. Früher wurde es auch im Schießsport zum Laden von Gewehren benutzt. Auch in Form von Sprengpulver wird Schwarzpulver als Explosivstoff in Steinbrüchen zur Gewinnung von Marmor oder Granit eingesetzt. Aufgrund seiner schiebenden Wirkung wird das Gestein so relativ schonend losgebrochen. Methodisch-didaktische Analyse: Einordnung in den Lehrplan: Schwarzpulver kann als Sprengmittel in der Klassenstufe 11 zum Thema Sprengstoffe hergestellt und entzündet werden. Aufwand: Dieser Versuch ist sehr gut im Rahmen einer Unterrichtsstunde durchführbar. Es müssen lediglich die Chemikalien besorgt, abgewogen und miteinander vermischt werden. Insgesamt sind maximal Minuten an Zeit notwendig. Durchführung: Alle Chemikalien können von den Schülerinnen und Schülern verwendet werden. Somit ist dieser Versuch als Schülerversuch geeignet. Nur sollte man sich als Lehrer/in die Frage stellen, inwiefern es Sinn macht, mittels dieser einfachen Vorschrift den Schülerinnen und Schüler die Herstellung von Schwarzpulver zu zeigen, da viele von ihnen auch privat nicht 29

30 abgeneigt sind, selbst diesen explosiven Stoff herzustellen. Daher ist er ratsam diesen Versuch als Demonstrationsversuch zu zeigen. 6.3 Demonstration 3: Herstellung und Zündung von Streichhölzern Chemikalien: Chemikalien: Gefahrensymbole R-Sätze S-Sätze Menge Verwendbar Kaliumchlorat O, Xn, N g SI Schwefelpulver (S (s) ) g SI Uhu-Flüssigkleber SI Kaminhölzer SI nach HessGiss Geräte: - Spatel - Waage - 50 ml Becherglas Versuchsdurchführung: Bevor man eigene Streichhölzer herstellt, müssen die Zündköpfe von den Kaminhölzern entfernt werden. Anschließend werden 10 g Kaliumchlorat und 3 g Schwefelpulver zusammen mit so viel Klebstoff miteinander vermengt, bis eine zähe Masse entsteht. Nun wird versucht eine kleine Menge des Zündkopfgemisches auf die Kaminhölzer aufzutragen. Nachdem die fertigen Streichhölzer zwei bis drei Tage getrocknet wurden, können diese an die Reibefläche einer Streichholzschachtel entzündet werden. Versuchsbeobachtung: Beim Vermengen von Kaliumchlorat, Schwefel und Klebstoff nahm diese Zündkopfmischung die gelbe Farbe des Schwefels an. Nachdem die Streichhölzer mehrere Tage trockneten, war der Zündkopf ausgehärtet. Nachdem nun ein Streichholz an der Reibefläche der Streichholzschachtel gerieben wurde, entzündete sich das Gemisch unter heller Lichterscheinung und das Streichholz brannte. Entsorgung: Übrig gebliebene Streichhölzer können entweder entzündet oder in die Feststofftonne gegeben werden. 30

31 Auswertung und theoretischer Hintergrund: In diesem Versuch wurden Streichhölzer (genauer: Sicherheitsstreichhölzer) hergestellt. Diese lassen sich nur an bestimmten Reibeflächen entzünden. Ein Selbstentzünden ist deshalb auszuschließen bzw. nicht möglich. Was passiert beim Entzünden eines Streichholzes? Durch Reiben des Streichholzes bzw. des Zündkopfes an der Reibefläche einer Streichholzschachtel wird der dort enthaltene rote Phosphor entzündet, es entsteht Reibewärme. Diese reicht schon aus um das in den Zündkopf enthaltene Kaliumchlorat zu entzünden. Dabei disproportioniert Kaliumchlorat zu Kaliumperchlorat und Kaliumchlorid, bei dem das Perchlorat in einer weiteren Reaktion zu Chlorid reagiert KClO 3(s) KClO 4(s) + KCl (s) + O 2(g) +7 KClO 4(s) KCl (s) + 2 O 2(g) +5 2 KClO 3(s) 2 KCl (s) + 3 O 2(g) -1-1 Der bei diesen beiden Reaktionen freiwerdende Sauerstoff reagiert zusammen mit dem Schwefel, welcher zu Schwefeldioxid oxidiert. Das Streichholz brennt KClO 3(s) 2 KCl (s) + 3 O 2(g) S (s) + 3 O 2(g) 3 SO 2(g) KClO 3(s) + 3 S (s) 3 SO 2(g) + 2 KCl (s) Im Handel gibt es für den Verbraucher nur noch die Sicherheitsstreichhölzer zu kaufen. Früher, als es diese noch nicht gab, bestand die Zündkopfmischung eines Streichholzes aus weißem Phosphor, welche mit Wachs überzogen war. Da weißer Phosphor an der Luft brennt, braucht man das Streichholz nur entlang einer rauen Fläche ziehen, sodass der mit Wachs überzogene Phosphor mit dem Sauerstoff reagieren kann. Diese Art von Streichhölzern werden jedoch heute nicht mehr hergestellt, da die Gefahr der Selbstentzündung zu groß ist. 31

32 Methodisch-didaktische Analyse: Einordnung in den Lehrplan: Die Herstellung und Zündung von Streichhölzern ist im hessischen Lehrplan unter dem Thema Redoxreaktionen realisiert worden. Da die Reaktion von Kaliumchlorat und Schwefel eine Redoxreaktion ist, bei dem der Schwefel oxidiert und Kaliumchlorat reduziert wird, kann dieser Versuch als Übung und Festigung zum Thema Redoxreaktion in fester Phase unter Verwendung der Begriffe Oxidation, Reduktion, Oxidationsmittel, Reduktionsmittel etc. in der Klassenstufe 10 eingesetzt werden. Aufwand: Die Vorbereitung des Versuches nimmt ein wenig Zeit in Anspruch. Die Mischung muss angesetzt und auf die Hölzer aufgetragen werden. Die eigentliche Durchführung, also das Zünden des Streichholzes, dauert keine 10 Sekunden. Durchführung: Beim Herstellen der Zündkopfmischung muss darauf geachtet werden, dass die Mischung die richtige Konsistenz hat. Ansonsten hält diese nicht richtig an dem Holz. Zudem sollten die fertigen Zündhölzer über mehrere Tage getrocknet werden, sodass die Mischung vollständig aushärtet und sie sich gut entzünden lassen. Bei diesem Versuch empfiehlt es sich, die Schülerinnen und Schüler die Streichhölzer selber herstellen zu lassen. Hierbei ist ein wenig Fingerfertigkeit von Nöten. Zudem wird das Experimentieren durch das selbstständige Arbeiten geübt. 6.4 weitere Verwendungsmöglichkeiten Weiterhin wird Schwefel als Halogenidverbindung Schwefelhexafluorid aufgrund seiner thermischen und elektrischen Isolatoreigenschaften als Füllgas in Isolierglasscheiben oder als Isoliergas bei Hochspannungsanlagen eingesetzt. Auch bei der Vulkanisation von Kautschuk spielt Schwefel eine bedeutsame Rolle. Dies ist ein nach Charles Goodwear 1839 entwickeltes chemisch-technisches Verfahren, bei dem Kautschuk unter Einfluss von Druck und Temperatur gegen atmosphärische Einflüsse und mechanische Beanspruchung widerstandsfähig gemacht wird. Dabei werden langkettige 32

33 Kautschukmoleküle durch Schwefelbrücken vernetzt. Je mehr Schwefel bei der Vulkanisation eingesetzt wird, desto mehr Kautschukmoleküle werden miteinander vernetzt und umso härter wird das Gummi. 7. Behandlung anderer Themen zum Schwefel nach dem hessischen Lehrplan Neben all dieses beschriebenen Versuchen sowie Demonstrationsversuchen und deren Inhalte ist das Thema Schwefel darüber hinaus ausbaufähig. So wird beispielsweise in der Klassenstufe 12 zum Wahlthema Elektrochemie die Natrium-Schwefel-Zelle als eine mögliche Art der elektrochemischen Stromerzeugung behandelt. Auch bei dem Thema Prinzip vom Zwang kann anhand des in dieser Verschriftlichung vorgestellten Kontaktverfahrens sehr gut veranschaulicht werden, auf welche Seite sich das Gleichgewicht bei der Reaktion von Schwefeldioxid und Sauerstoff befindet und wie sich dieses verschieben lässt. Insgesamt gesehen ist es schwierig, Schwefel als Element nach dem hessischen Lehrplan zu unterrichten, da er nicht direkt als Thema dort beschrieben wird. Vereinzelt jedoch lassen sich einzelne Ansätze finden, sodass die Schülerinnen und Schüler zumindest ein wenig von diesem Element im Periodensystem erfahren bzw. erhalten. 33

34 8. Quellen Anonymus (2009): kronenförmige S8-Moleküle. Online im Internet: [Stand: ]. Arnold, W. (2007): Knoblauch. Online im Internet: [Stand: ]. Benkert, D. (2007): physische Weltkarte. Online im Internet: [Stand: ]. Botsch, W. (2001): Hermann Frasch. Online im Internet: [Stand: ]. Chemgapedia (2010): Zinkblendestruktur. Online im Internet: os.html. [Stand: ]. Krüger, E. (1946): Vulkanisierungswerkstatt. Online im Internet: [Stand: ]. 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: GALENA&lang=DEU&product=BGD-025. [Stand: ]. Nockemann, R. (2010): Calciumsulfat (Selenit, CaSO4 2 H2O). Online im Internet: AUSTRALIEN&lang=DEU&product=SEA-004. [Stand: ]. Nockemann, R. (2010): Eisenkies (Pyrit, FeS2). Online im Internet: [Stand: ]. Nockemann, R. (2010): Kupferkies (Chalkopyrit, CuFeS2). Online im Internet: MISSOURI&lang=DEU&product=CPS-009. [Stand: ]. Nockemann, R. (2010): Realgar (Rauschrot, As4S4). Online im Internet: [Stand: ]. 34

35 Nockemann, R. (2010): Schwefel. Online im Internet: [Stand: ]. Nockemann, R. (2010): Schwerspat (Bariumsulfat, BaSO4). Online im Internet: [Stand: ]. Nockemann, R. (2010): Strontiumsulfat (Cölestin, SrSO4). Online im Internet: [Stand: ]. Nockemann, R. (2010): Zinkblende (Sphalerit, ZnS). Online im Internet: [Stand: ]. Schmidt, M. (2009): orthorhombischer Schwefel. Online im Internet: [Stand: ]. Seilnacht, T. (2009): Erhitzen von Schwefel im Reagenzglas. Online im Internet: [Stand: ]. Seilnacht, T. (2009): Lapislazuli. Online im Internet: [Stand ]. Seilnacht, T. (2009): monokliner Schwefel. Online im Internet: [Stand: ]. Seilnacht, T. (2009): Natriumsulfat (Glaubersalz, Na2SO4 10 H2O). Online im Internet: [Stand: ]. Seroka, P. (2008): : Schwefelextraktion durch das Frasch-Verfahren. Online im Internet: [Stand: ]. 35