- Geschichte des Schwefels
- In der Bibel
- Antike
- Moderne Zeiten
- Eigenschaften
- Aussehen
- Flüssiges Aussehen
- Molmasse
- Schmelzpunkt
- Siedepunkt
- Zündpunkt
- Selbstentzündungstemperatur
- Dichte
- Molare Wärmekapazität
- Kovalenter Radius
- Elektronegativität
- Polarität
- Ion
- Struktur und elektronische Konfiguration
- Die Schwefelkrone
- Polymorphe
- Andere cyclische Allotrope
- Schwefelketten
- Kleine Allotrope
- Elektronische Konfiguration
- Erhalten
- Mineralogisch
- Öl
- Anwendungen
- Risiken und Vorsichtsmaßnahmen
- Verweise
Der Schwefel ist ein nichtmetallisches Element, das unter Sauerstoff die Gruppe der Chalkogene des Periodensystems führt. Es befindet sich spezifisch in Gruppe 16 mit Periode 3 und wird durch das chemische Symbol S dargestellt. Von seinen natürlichen Isotopen ist 32 S bei weitem das am häufigsten vorkommende (etwa 94% aller Schwefelatome).
Es ist eines der am häufigsten vorkommenden Elemente auf der Erde und macht etwa 3% seiner Gesamtmasse aus. Mit anderen Worten, wenn der gesamte Schwefel auf dem Planeten entnommen würde, könnten zwei gelbe Monde gebaut werden. Es würde drei Satelliten anstelle von einem geben. Es kann verschiedene Oxidationsstufen annehmen (+2, -2, +4 und +6), daher sind seine Salze zahlreich und bereichern die Erdkruste und den Erdkern.
Schwefelkristalle. Quelle: Pixabay.
Schwefel ist gleichbedeutend mit Gelb, schlechten Gerüchen und der Hölle. Der Hauptgrund für seine schlechten Gerüche liegt in seinen abgeleiteten Verbindungen; vor allem Limonaden und Bio. Im Übrigen sind die Mineralien fest und haben Farben wie Gelb, Grau, Schwarz und Weiß (unter anderem).
Es ist eines der Elemente, das am meisten eine große Anzahl von Allotropen aufweist. Es kann als kleine, diskrete Moleküle von S 2 oder S 3 gefunden werden ; als Ringe oder Zyklen, wobei der orthorhombische und monokline Schwefel S 8 der stabilste und am häufigsten vorkommende von allen ist; und als helikale Ketten.
Es kommt nicht nur in Form von Mineralien in der Erdkruste vor, sondern auch in den biologischen Matrices unseres Körpers. Zum Beispiel ist es in den Aminosäuren Cystin, Cystein und Methionin, in Eisenproteinen, Keratin und in einigen Vitaminen. Es ist auch in Knoblauch, Grapefruit, Zwiebeln, Kohl, Brokkoli und Blumenkohl enthalten.
Chemisch ist es ein weiches Element und bildet in Abwesenheit von Sauerstoff schwefelhaltige Mineralien und Sulfate. Es brennt mit einer bläulichen Flamme und kann als amorpher oder kristalliner Feststoff erscheinen.
Obwohl es für die Synthese von Schwefelsäure, einer stark ätzenden Substanz, essentiell ist und unangenehme Gerüche aufweist, ist es tatsächlich ein gutartiges Element. Schwefel kann ohne größere Vorsichtsmaßnahmen an jedem Ort gelagert werden, solange Brände vermieden werden.
Geschichte des Schwefels
In der Bibel
Schwefel ist eines der ältesten Elemente in der Geschichte der Menschheit; so sehr, dass seine Entdeckung ungewiss ist und nicht bekannt ist, welche der alten Zivilisationen es zum ersten Mal (4000 Jahre vor Christus) benutzte. Auf den Seiten der Bibel ist er zu finden, der Höllenfeuer und Hölle begleitet.
Es wird angenommen, dass der angebliche Geruch von Schwefel aus der Hölle mit Vulkanausbrüchen zu tun hat. Sein erster Entdecker muss sicherlich auf Minen dieses Elements wie Staubland oder gelbe Kristalle in der Nähe eines Vulkans gestoßen sein.
Antike
Dieser gelbliche Feststoff zeigte bald bemerkenswerte Heilwirkungen. Zum Beispiel verwendeten die Ägypter Schwefel, um Entzündungen der Augenlider zu behandeln. Es linderte auch Krätze und Akne, eine Anwendung, die heute in Schwefelseifen und anderen dermatologischen Gegenständen zu sehen ist.
Die Römer verwendeten dieses Element in ihren Ritualen als Begasungsmittel und Bleichmittel. Wenn es brennt, setzt es SO 2 frei , ein Gas, das die Räume überflutet, sich mit der Feuchtigkeit vermischt und eine antibakterielle Umgebung bietet, in der Insekten getötet werden können.
Die Römer entdeckten wie die Griechen die hohe Brennbarkeit von Schwefel, weshalb er zum Synonym für Feuer wurde. Die Farbe seiner bläulichen Flammen muss die römischen Zirkusse beleuchtet haben. Es wird angenommen, dass die Griechen ihrerseits dieses Element zur Herstellung von Brandwaffen verwendeten.
Die Chinesen ihrerseits erfuhren, dass sie durch Mischen von Schwefel mit Salpeter (KNO 3 ) und Kohle das Material Schwarzpulver schufen, das eine historische Wende einleitete und in den damaligen Ländern große Nachfrage und großes Interesse an diesem Mineral weckte.
Moderne Zeiten
Als ob Schießpulver nicht Grund genug wäre, Schwefel zu begehren, tauchten bald Schwefelsäure und ihre industriellen Anwendungen auf. Und mit dem Schwefelsäurestab wurde die Menge an Wohlstand oder Wohlstand eines Landes im Verhältnis zu seinem Verbrauch dieser Verbindung gemessen.
Erst 1789 konnte der brillante Chemiker Antoine Lavoisier Schwefel erkennen und als Element klassifizieren. 1823 entdeckte der deutsche Chemiker Eilhard Mitscherlich, dass Schwefel vorwiegend auf zwei Arten kristallisieren kann: rhomboedrisch und monoklin.
Die Geschichte des Schwefels folgte dem gleichen Verlauf seiner Verbindungen und Anwendungen. Mit der enormen industriellen Bedeutung von Schwefelsäure ging die Vulkanisation von Kautschuken, die Synthese von Penicillin, die Ausbeutung von Minen, die Raffination von schwefelreichem Rohöl, die Ernährung von Böden usw. einher.
Eigenschaften
Aussehen
Spröder Feststoff in Pulver- oder Kristallform. Seine Farbe ist matt zitronengelb, es ist geschmacklos und hat keinen Geruch.
Flüssiges Aussehen
Flüssiger Schwefel ist insofern einzigartig, als seine anfängliche gelbe Farbe rötlich wird und sich bei hohen Temperaturen verstärkt und verdunkelt. Wenn es brennt, strahlt es hellblaue Flammen aus.
Molmasse
32 g / mol.
Schmelzpunkt
115,21 ° C.
Siedepunkt
445 ° C.
Zündpunkt
160 ° C.
Selbstentzündungstemperatur
232 ° C.
Dichte
2,1 g / ml. Andere Allotrope können jedoch weniger dicht sein.
Molare Wärmekapazität
22,75 J / mol K.
Kovalenter Radius
105 ± 15 Uhr.
Elektronegativität
2,58 auf der Pauling-Skala.
Polarität
SS-Bindungen sind unpolar, da beide Schwefelatome die gleiche Elektronegativität aufweisen. Dies macht alle seine Allotrope, zyklisch oder kettenförmig, unpolar; und deshalb sind seine Wechselwirkungen mit Wasser ineffizient und es kann darin nicht solubilisiert werden.
Schwefel kann jedoch in unpolaren Lösungsmitteln wie Schwefelkohlenstoff, CS 2 und Aromaten (Benzol, Toluol, Xylol usw.) gelöst werden .
Ion
Schwefel kann verschiedene Ionen bilden, normalerweise Anionen. Der bekannteste von allen ist Schwefel, S 2- . S 2- zeichnet sich durch Sperrigkeit aus und hat eine weiche Lewis-Basis.
Da es sich um eine weiche Base handelt, geht die Theorie davon aus, dass sie dazu neigt, Verbindungen mit weichen Säuren zu bilden. wie Übergangsmetallkationen, einschließlich Fe 2+ , Pb 2+ und Cu 2+ .
Struktur und elektronische Konfiguration
Die Schwefelkrone
S8-Molekül, das stabilste und am häufigsten vorkommende Allotrop von Schwefel. Quelle: Benjah-bmm27.
Schwefel kann in einer Vielzahl von Allotropen vorkommen; und diese haben wiederum kristalline Strukturen, die unter verschiedenen Drücken und / oder Temperaturen modifiziert werden. Schwefel ist daher ein Element, das reich an Allotropen und Polymorphen ist, und die Untersuchung seiner festen Strukturen stellt eine endlose Quelle theoretisch-experimenteller Arbeit dar.
Warum so strukturelle Komplexität? Zunächst sind die kovalenten Bindungen in Schwefel (SS) sehr stark und werden nur von denen von Kohlenstoff CC und von Wasserstoff HH übertroffen.
Schwefel neigt im Gegensatz zu Kohlenstoff nicht zur Bildung von Tetraedern, sondern zu Bumerangs. das mit ihren Winkeln falten und klingeln, um die Schwefelketten zu stabilisieren. Der bekannteste Ring von allen, der auch das stabilste Allotrop von Schwefel darstellt, ist S 8 , die „Schwefelkrone“ (oberes Bild).
Beachten Sie, dass alle SS-Glieder im S 8 wie einzelne Bumerangs aussehen, was zu einem Ring mit Falten führt, der überhaupt nicht flach ist. Diese S 8 -Kronen interagieren durch Londoner Kräfte und orientieren sich so, dass sie Strukturmuster erzeugen, die einen orthorhombischen Kristall definieren. genannt S 8 α (S-α oder einfach orthorhombischer Schwefel).
Polymorphe
Die Schwefelkrone ist eines der vielen Allotrope für dieses Element. S 8 α ist ein Polymorph dieser Krone. Es gibt zwei andere (unter den wichtigsten), die als S 8 β und S 8 γ bezeichnet werden (S-β bzw. S-γ). Beide Polymorphe kristallisieren zu monoklinen Strukturen, wobei S 8 γ dichter ist (Gammaschwefel).
Alle drei sind gelbe Feststoffe. Aber wie bekommt man jedes Polymorph einzeln?
S 8 & bgr; wird hergestellt, indem S 8 & agr; auf 93 ° C erhitzt wird und dann durch langsames Abkühlen der Übergang zurück in die orthorhombische Phase (das & agr;) verlangsamt wird. Und S 8 & ggr; wird andererseits erhalten, wenn S 8 & agr; bei 150 ° C schmilzt , wodurch es wieder langsam abkühlen kann; es ist das dichteste der Schwefelkronenpolymorphe.
Andere cyclische Allotrope
Die Krone S 8 ist nicht das einzige cyclische Allotrop. Es gibt andere wie S 4 , S 5 (analog zu Cyclopentan), S 6 (dargestellt durch ein Sechseck wie Cyclohexan), S 7 , S 9 und S 10-20 ; Letzteres bedeutet, dass es Ringe oder Zyklen geben kann, die zehn bis zwanzig Schwefelatome enthalten.
Jedes von ihnen repräsentiert verschiedene cyclische Allotrope von Schwefel; und um es zu betonen, haben sie wiederum verschiedene polymorphe oder polymorphe Strukturen, die von Druck und Temperatur abhängen.
Zum Beispiel hat S 7 bis zu vier bekannte Polymorphe: α, β, γ und δ. Die Glieder oder Kronen höherer Molekularmassen sind Produkte der organischen Synthese und überwiegen in der Natur nicht.
Schwefelketten
Schwefelkette. Quelle: OpenStax
Wenn mehr Schwefelatome in die Struktur eingebaut werden, nimmt ihre Neigung zum Ring ab und die Schwefelketten bleiben offen und nehmen helikale Konformationen an (als wären sie Spiralen oder Schrauben).
Und so entsteht eine weitere voluminöse Familie von Schwefel-Allotropen, die nicht aus Ringen oder Zyklen besteht, sondern aus Ketten (wie im obigen Bild).
Wenn diese SS-Ketten im Kristall parallel ausgerichtet sind, fangen sie Verunreinigungen ein und definieren einen faserigen Feststoff, der als faseriger Schwefel oder S-ψ bezeichnet wird. Wenn zwischen diesen parallelen Ketten kovalente Bindungen bestehen, die sie miteinander verbinden (wie dies bei der Vulkanisation von Kautschuk der Fall ist), haben wir laminaren Schwefel.
Wenn Schwefel S 8 schmilzt, wird eine gelbliche flüssige Phase erhalten, die dunkel werden kann, wenn die Temperatur erhöht wird. Dies liegt daran, dass SS-Bindungen aufgebrochen werden und daher ein thermischer Depolymerisationsprozess auftritt.
Diese Flüssigkeit zeigt beim Abkühlen plastische und dann glasartige Eigenschaften; das heißt, es wird ein glasartiger und amorpher Schwefel (S-χ) erhalten. Seine Zusammensetzung besteht sowohl aus Ringen als auch aus Schwefelketten.
Und wenn eine Mischung aus faserigem und lamellarem Allotrop aus amorphem Schwefel erhalten wird, entsteht Crystex, ein kommerzielles Produkt, das für die Kautschukvulkanisation verwendet wird.
Kleine Allotrope
Obwohl sie zuletzt belassen werden, sind sie nicht weniger wichtig (oder interessant) als die Allotrope höherer Molekularmassen. Die S 2 - und S 3 -Moleküle sind die schwefelhaltigen Versionen von O 2 und O 3 . Im ersten Fall sind zwei Schwefelatome mit einer Doppelbindung verbunden, S = S, und im zweiten Fall gibt es drei Atome mit Resonanzstrukturen, S = SS.
Sowohl S 2 als auch S 3 sind gasförmig. S 3 zeigt eine kirschrote Farbe. Beide haben genug bibliografisches Material, um jeweils einen einzelnen Artikel zu behandeln.
Elektronische Konfiguration
Die Elektronenkonfiguration für das Schwefelatom ist:
3s 2 3p 4
Es kann zwei Elektronen gewinnen, um sein Valenzoktett zu vervollständigen, und hat somit eine Oxidationsstufe von -2. Ebenso kann es Elektronen verlieren, beginnend mit zwei in seinen 3p-Orbitalen, wobei seine Oxidationsstufe +2 beträgt; Wenn Sie zwei weitere Elektronen verlieren, deren 3p-Orbitale leer sind, beträgt Ihre Oxidationsstufe +4. und wenn Sie alle Elektronen verlieren, ist es +6.
Erhalten
Mineralogisch
Schwefel ist Teil vieler Mineralien. Unter diesen befinden sich Pyrit (FeS 2 ), Bleiglanz (PbS), Covellit (CuS) und andere Sulfat- und Sulfidmineralien. Durch ihre Verarbeitung können nach einer Reihe von Reduktionsreaktionen nicht nur die Metalle, sondern auch der Schwefel extrahiert werden.
Es kann auch auf reine Weise in Vulkanschloten gewonnen werden, wo es bei steigender Temperatur schmilzt und bergab verschüttet wird. Und wenn es Feuer fängt, sieht es nachts wie bläuliche Lava aus. Durch mühsame Arbeit und anstrengende körperliche Arbeit kann Schwefel genauso geerntet werden, wie es in Sizilien ziemlich oft getan wurde.
Schwefel kann auch in unterirdischen Minen gefunden werden, die dazu gebracht werden, überhitztes Wasser zu pumpen, um es zu schmelzen und an die Oberfläche zu befördern. Dieses Verfahren zum Erhalten ist als das Frasch-Verfahren bekannt, das derzeit wenig verwendet wird.
Öl
Heute stammt der größte Teil des Schwefels aus der Ölindustrie, da seine organischen Verbindungen Teil der Zusammensetzung von Rohöl und seinen raffinierten Derivaten sind.
Wenn ein rohes oder raffiniertes Produkt reich an Schwefel ist und einer Hydrodesulfurierung unterzogen wird, werden große Mengen an H 2 S (stinkendes Gas, das nach faulen Eiern riecht) freigesetzt:
RSR + 2 H 2 → 2 RH + H 2 S.
Das H 2 S wird dann im Clauss-Verfahren chemisch behandelt, zusammengefasst mit den folgenden chemischen Gleichungen:
3 O 2 + 2 H 2 S → 2 SO 2 + 2 H 2 O.
SO 2 + 2 H 2 S → 3 S + 2 H 2 O.
Anwendungen
Einige der Verwendungen von Schwefel werden nachstehend und allgemein erwähnt:
- Es ist ein wesentliches Element für Pflanzen und Tiere. Es ist sogar in zwei Aminosäuren vorhanden: Cystein und Methionin.
- Es ist der Rohstoff für Schwefelsäure, eine Verbindung, die bei der Herstellung unzähliger kommerzieller Produkte eine Rolle spielt.
- In der pharmazeutischen Industrie wird es zur Synthese von Schwefelderivaten verwendet, wobei Penicillin das bekannteste der Beispiele ist.
- Ermöglicht die Vulkanisation von Kautschuken durch Verbindung der Polymerketten mit SS-Bindungen.
- Seine gelbe Farbe und seine Mischungen mit anderen Metallen machen es in der Pigmentindustrie wünschenswert.
- Gemischt mit einer anorganischen Matrix wie Sand und Gestein werden Beton und Schwefelasphalt hergestellt, um Bitumen zu ersetzen.
Risiken und Vorsichtsmaßnahmen
Schwefel an sich ist eine harmlose, ungiftige Substanz und birgt auch keine potenziellen Risiken, es sei denn, er reagiert unter Bildung anderer Verbindungen. Seine Sulfatsalze sind nicht gefährlich und können ohne größere Vorsichtsmaßnahmen gehandhabt werden. Dies ist jedoch bei den gasförmigen Derivaten SO 2 und H 2 S, beide hochtoxisch, nicht der Fall .
Wenn es sich in der flüssigen Phase befindet, kann es schwere Verbrennungen verursachen. Wenn es in großen Mengen verschluckt wird, kann es die Produktion von H 2 S im Darm auslösen . Andernfalls stellt es kein Risiko für diejenigen dar, die es kauen.
Im Allgemeinen ist Schwefel ein sicheres Element, das nicht zu viele Vorsichtsmaßnahmen erfordert, außer um es vor Feuer und starken Oxidationsmitteln zu schützen.
Verweise
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