Schwefel (S) – Eigenschaften, Vorkommen und Verwendung

Schwefel ist eines der auffälligsten chemischen Elemente: In seiner elementaren Form leuchtet er kräftig gelb, in vulkanischen Gebieten bildet er eindrucksvolle Ablagerungen und bei seiner Verbrennung entsteht ein stechend riechendes Gas. Doch Schwefel ist weit mehr als ein Stoff aus der Welt der Vulkane. Er ist Bestandteil lebenswichtiger Proteine, spielt eine zentrale Rolle bei der Herstellung von Schwefelsäure und wird unter anderem für Düngemittel, die Vulkanisation von Kautschuk und zahlreiche chemische Produkte benötigt. Seine Verbindungen zeigen, wie eng Chemie, Geologie, Biologie und Technik miteinander verbunden sind.

Schwefel im Periodensystem – die wichtigsten Elementdaten

Die physikalischen Angaben beziehen sich auf gewöhnlichen kristallinen Schwefel bei Normaldruck. Da Schwefel in verschiedenen Strukturformen vorkommt, können einzelne Eigenschaften je nach Modifikation abweichen.

Was ist Schwefel?

Schwefel ist ein chemisches Element aus der Gruppe der Nichtmetalle. Im Periodensystem steht er direkt unter Sauerstoff (O) und gehört wie dieser zur 16. Hauptgruppe, den Chalkogenen.

Schwefel besitzt sechs Außenelektronen. Dadurch kann er vielfältige chemische Bindungen eingehen und Verbindungen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften bilden. Besonders wichtig sind seine Reaktionen mit Sauerstoff, Wasserstoff und Metallen.

Elementarer Schwefel ist bei Raumtemperatur ein gelber, spröder Feststoff. Er leitet elektrischen Strom schlecht und ist in Wasser praktisch unlöslich. Anders als viele Metalle lässt er sich nicht zu Drähten ziehen oder zu dünnen Blechen verformen.

Eine Besonderheit ist die Vielfalt seiner Molekül- und Kristallstrukturen. Schwefel kann in unterschiedlichen Modifikationen auftreten, deren Eigenschaften sich teilweise deutlich unterscheiden.

Warum ist Schwefel gelb?

Die charakteristische gelbe Farbe des Schwefels entsteht durch die Wechselwirkung seiner Elektronen mit sichtbarem Licht. Bestimmte Wellenlängen werden absorbiert, während das zurückgeworfene beziehungsweise durchgelassene Licht gelb erscheint.

Der bei Raumtemperatur stabile kristalline Schwefel besteht überwiegend aus ringförmigen S₈-Molekülen. Acht Schwefelatome bilden dabei einen räumlich gewinkelten Ring, der häufig mit einer Krone verglichen wird.

Diese Molekülstruktur ist eine Ursache dafür, dass Schwefel bei gewöhnlichen Bedingungen als relativ beständiger Feststoff vorliegt. Beim Erwärmen verändert sich jedoch sein Verhalten auf bemerkenswerte Weise.

Die verschiedenen Erscheinungsformen des Schwefels

Schwefel ist ein klassisches Beispiel für Allotropie. Darunter versteht man das Auftreten eines chemischen Elements in unterschiedlichen Strukturformen innerhalb desselben Aggregatzustands.

Rhombischer Schwefel

Rhombischer Schwefel, auch α-Schwefel genannt, ist bei Raumtemperatur die thermodynamisch stabile Modifikation. Seine Kristalle bestehen aus S₈-Molekülen, die in einer charakteristischen Kristallstruktur angeordnet sind.

Diese Form ist der gewöhnliche gelbe Schwefel, wie er in vielen Sammlungen und Laboren zu finden ist.

Monokliner Schwefel

Wird Schwefel auf Temperaturen oberhalb von etwa 95,5 °C erwärmt, ist unter Normaldruck die monokline Modifikation thermodynamisch stabiler. Auch sie enthält überwiegend S₈-Moleküle, besitzt jedoch eine andere Kristallstruktur.

Beim langsamen Abkühlen wandelt sich monokliner Schwefel wieder in rhombischen Schwefel um. Die Umwandlung kann allerdings verzögert ablaufen.

Plastischer Schwefel

Wird geschmolzener, ausreichend stark erhitzter Schwefel rasch abgekühlt, kann eine zunächst elastische, dunklere Masse entstehen. Man bezeichnet sie als plastischen Schwefel.

Sie enthält längere Schwefelketten, die beim Erhitzen durch das Aufbrechen von S₈-Ringen entstehen können. Plastischer Schwefel ist unter gewöhnlichen Bedingungen nicht dauerhaft stabil und verändert mit der Zeit seine Struktur.

Diese Erscheinungsformen zeigen, wie stark die Eigenschaften eines Elements von der Anordnung seiner Atome abhängen.

Was geschieht beim Erhitzen von Schwefel?

Schwefel zeigt beim Erwärmen ein ungewöhnliches Verhalten. Zunächst schmilzt er zu einer gelblichen, relativ dünnflüssigen Schmelze.

Bei weiter steigender Temperatur werden zunehmend S₈-Ringe geöffnet. Die entstehenden Schwefelketten können sich miteinander verschlingen. Dadurch nimmt die Zähigkeit der Schmelze stark zu, und ihre Farbe wird dunkler.

Bei noch höheren Temperaturen sinkt die Viskosität wieder, weil lange Schwefelketten zunehmend in kürzere Einheiten zerfallen.

Dieses Verhalten macht Schwefel zu einem anschaulichen Beispiel für den Zusammenhang zwischen Molekülstruktur und Stoffeigenschaften.

Wie reagiert Schwefel mit anderen Elementen?

Schwefel ist chemisch vielseitig. Je nach Reaktionspartner und Bedingungen kann er Elektronen aufnehmen oder in Verbindungen unterschiedliche positive Oxidationszahlen aufweisen.

Reaktion mit Sauerstoff

Beim Verbrennen reagiert Schwefel mit Sauerstoff (O) überwiegend zu Schwefeldioxid:

S + O₂ → SO₂

Schwefel brennt dabei mit einer charakteristischen blauen Flamme. Das entstehende Schwefeldioxid ist ein farbloses, stechend riechendes und gesundheitsschädliches Gas.

Unter geeigneten industriellen Bedingungen kann Schwefeldioxid weiter zu Schwefeltrioxid oxidiert werden:

2 SO₂ + O₂ ⇌ 2 SO₃

Schwefeltrioxid ist ein wichtiger Zwischenstoff bei der Herstellung von Schwefelsäure.

Reaktion mit Metallen

Mit zahlreichen Metallen bildet Schwefel sogenannte Sulfide. Ein einfaches Beispiel ist die Reaktion von Eisen mit Schwefel:

Fe + S → FeS

Dabei entsteht Eisensulfid. Die Reaktion zeigt, dass sich aus zwei Elementen eine Verbindung mit völlig neuen Eigenschaften bilden kann.

Auch in der Natur sind Sulfide verbreitet. Zu den bekannten Mineralen gehören Pyrit (FeS₂), Zinkblende (ZnS) und Bleiglanz (PbS).

Reaktion mit Wasserstoff

Schwefel bildet mit Wasserstoff (H) die Verbindung Schwefelwasserstoff:

H₂S

Schwefelwasserstoff ist ein hochgiftiges Gas, das bereits in geringen Konzentrationen nach faulen Eiern riechen kann. Bei höheren Konzentrationen kann der Geruchssinn ausfallen. Der Geruch ist daher kein verlässliches Warnsignal.

Wo kommt Schwefel in der Natur vor?

Schwefel ist in der Erdkruste weitverbreitet. Er kommt sowohl elementar als auch in zahlreichen chemischen Verbindungen vor.

Besonders eindrucksvoll sind natürliche Schwefelablagerungen in vulkanisch aktiven Gebieten. Dort können schwefelhaltige Gase aus dem Erdinneren austreten und unter geeigneten Bedingungen gelbe Schwefelkristalle bilden.

Bedeutende Mengen Schwefel befinden sich außerdem in Mineralen und Sedimentgesteinen. Besonders wichtig sind Sulfide und Sulfate.

Zu den verbreiteten schwefelhaltigen Mineralen gehören:

• Pyrit (FeS₂): ein häufiges Eisensulfid mit metallischem Glanz.

• Gips (CaSO₄ · 2 H₂O): ein wasserhaltiges Calciumsulfat.

• Anhydrit (CaSO₄): ein wasserfreies Calciumsulfat.

• Baryt (BaSO₄): ein Bariumsulfat.

• Zinkblende (ZnS): ein wichtiges Zinkerz.

Schwefelverbindungen kommen darüber hinaus in Erdöl, Erdgas, Böden, Gewässern und lebenden Organismen vor.

Schwefel in Vulkanen und heißen Quellen

Vulkanische Gebiete gehören zu den bekanntesten natürlichen Fundorten von Schwefel. Aus Fumarolen und anderen Austrittsstellen können schwefelhaltige Gase entweichen, insbesondere Schwefeldioxid und Schwefelwasserstoff.

Durch chemische Reaktionen und Abkühlung kann daraus elementarer Schwefel abgeschieden werden. Die entstehenden gelben Krusten und Kristalle sind oft weithin sichtbar.

Der typische Geruch vieler vulkanischer Gasquellen stammt allerdings nicht vom elementaren Schwefel selbst. Reiner Schwefel ist bei Raumtemperatur nahezu geruchlos. Der häufig als Schwefelgeruch bezeichnete Geruch wird vor allem durch bestimmte Schwefelverbindungen verursacht.

Schwefelhaltige Gase können in vulkanischen Gebieten gefährliche Konzentrationen erreichen. Deshalb sind solche Orte trotz ihrer eindrucksvollen Erscheinung nicht ungefährlich.

Der Schwefelkreislauf in der Natur

Schwefel bewegt sich zwischen Gesteinen, Böden, Gewässern, Atmosphäre und Lebewesen. Diese natürlichen Austauschprozesse werden als Schwefelkreislauf bezeichnet.

Durch die Verwitterung schwefelhaltiger Minerale gelangen Sulfate in Böden und Gewässer. Pflanzen nehmen Schwefel überwiegend als Sulfat über ihre Wurzeln auf und bauen ihn in organische Verbindungen ein.

Über die Nahrungskette gelangt Schwefel in Tiere und Menschen. Beim Abbau abgestorbener Organismen werden schwefelhaltige Stoffe wieder freigesetzt.

Mikroorganismen übernehmen dabei eine besonders wichtige Rolle. Einige Bakterien können Sulfat unter sauerstoffarmen Bedingungen zu Schwefelwasserstoff reduzieren. Andere Mikroorganismen oxidieren reduzierte Schwefelverbindungen wieder zu elementarem Schwefel oder Sulfat.

Auch Vulkane, Meeresorganismen und menschliche Aktivitäten beeinflussen den atmosphärischen Schwefelkreislauf.

Warum ist Schwefel für das Leben unverzichtbar?

Schwefel gehört zu den lebensnotwendigen chemischen Elementen. Seine Bedeutung beruht vor allem darauf, dass er Bestandteil bestimmter Aminosäuren und zahlreicher biologisch aktiver Moleküle ist.

Schwefel in Proteinen

Die Aminosäuren Cystein und Methionin enthalten Schwefel. Beide sind wichtige Bausteine von Proteinen.

Besonders interessant ist Cystein: Zwei Cysteinreste können über eine sogenannte Disulfidbrücke miteinander verbunden werden.

Solche Schwefel-Schwefel-Bindungen stabilisieren die räumliche Struktur vieler Proteine. Sie sind beispielsweise für die Eigenschaften von Keratin bedeutsam, einem wichtigen Strukturprotein von Haaren, Nägeln und anderen Geweben.

Schwefel in Enzymen und Vitaminen

Schwefel kommt auch in verschiedenen Enzymen, Coenzymen und Vitaminen vor. Beispiele sind Thiamin (Vitamin B₁), Biotin (Vitamin B₇) und Coenzym A.

In zahlreichen Enzymen befinden sich außerdem Eisen-Schwefel-Cluster. Diese Strukturen spielen unter anderem bei Elektronenübertragungen im Stoffwechsel eine Rolle.

Schwefel ist damit an grundlegenden biochemischen Vorgängen beteiligt.

Schwefel in Pflanzen

Pflanzen benötigen Schwefel für die Bildung schwefelhaltiger Aminosäuren und anderer Stoffwechselprodukte.

Bei unzureichender Schwefelversorgung können Wachstumsstörungen und Blattaufhellungen auftreten. In der Landwirtschaft wird Schwefel deshalb als wichtiger Pflanzennährstoff berücksichtigt.

Besonders schwefelbedürftig sind unter anderem bestimmte Kreuzblütengewächse wie Raps.

Warum riechen manche Schwefelverbindungen so stark?

Viele Menschen verbinden Schwefel mit unangenehmen Gerüchen. Tatsächlich ist jedoch nicht elementarer Schwefel dafür verantwortlich, sondern eine Reihe seiner Verbindungen.

Schwefelwasserstoff besitzt den bekannten Geruch nach faulen Eiern. Bestimmte organische Schwefelverbindungen tragen zum Geruch von Zwiebeln, Knoblauch und einigen Käsesorten bei.

Beim Schneiden einer Zwiebel werden enzymatische Reaktionen ausgelöst, bei denen schwefelhaltige Stoffe umgewandelt werden. Dabei entsteht unter anderem ein flüchtiger Reizstoff, der die Augen zum Tränen bringt.

Auch der intensive Geruch von Knoblauch beruht wesentlich auf schwefelhaltigen Verbindungen, die beim Zerkleinern des Pflanzengewebes entstehen.

Schwefelverbindungen sind somit nicht nur in der technischen Chemie wichtig, sondern prägen auch zahlreiche alltägliche Geruchs- und Geschmackseindrücke.

Wie wird Schwefel industriell gewonnen?

Ein großer Teil des heute industriell gewonnenen elementaren Schwefels stammt aus der Aufbereitung von Erdgas und Erdöl.

Viele fossile Rohstoffe enthalten Schwefelverbindungen, die aus technischen und ökologischen Gründen entfernt werden müssen. Dabei fällt unter anderem Schwefelwasserstoff an.

Im Claus-Verfahren wird Schwefelwasserstoff in mehreren Reaktionsschritten zu elementarem Schwefel umgesetzt.

Die vereinfachte Gesamtreaktion lautet:

2 H₂S + O₂ → 2 S + 2 H₂O

In der Praxis erfolgt die Umsetzung über eine kontrollierte Teilverbrennung und anschließende katalytische Reaktionen.

Historisch wurde Schwefel auch direkt aus natürlichen Lagerstätten gewonnen. Ein bekanntes Verfahren war das Frasch-Verfahren, bei dem unterirdische Schwefelvorkommen mit heißem Wasser aufgeschmolzen und an die Oberfläche gefördert wurden.

Heute ist die Schwefelgewinnung aus der Verarbeitung fossiler Rohstoffe von besonderer wirtschaftlicher Bedeutung.

Wofür wird Schwefel verwendet?

Schwefel ist ein wichtiger Grundstoff der chemischen Industrie. Ein großer Teil wird zur Herstellung von Schwefelsäure eingesetzt.

Herstellung von Schwefelsäure

Schwefelsäure (H₂SO₄) gehört zu den bedeutendsten industriell hergestellten Chemikalien.

Sie wird unter anderem für die Herstellung von Düngemitteln, die Verarbeitung von Rohstoffen und zahlreiche chemische Produktionsverfahren benötigt.

Die großtechnische Herstellung erfolgt überwiegend über das Kontaktverfahren, bei dem Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid oxidiert und anschließend zu Schwefelsäure weiterverarbeitet wird.

Vulkanisation von Kautschuk

Eine besonders bekannte Anwendung von Schwefel ist die Vulkanisation.

Dabei entstehen unter geeigneten Bedingungen Schwefelbrücken zwischen Polymerketten des Kautschuks. Diese Vernetzungen verändern die mechanischen Eigenschaften des Materials.

Vulkanisierter Kautschuk ist im Vergleich zum unvernetzten Ausgangsmaterial unter anderem formbeständiger und für viele technische Anwendungen besser geeignet.

Das Verfahren ist für die Herstellung zahlreicher Gummiprodukte wichtig, beispielsweise Reifen, Dichtungen und elastischer technischer Bauteile.

Landwirtschaft und Pflanzenschutz

Schwefel ist ein essenzieller Pflanzennährstoff. Schwefelhaltige Düngemittel werden eingesetzt, wenn die Versorgung über Boden und andere Quellen nicht ausreicht.

Elementarer Schwefel wird außerdem in bestimmten zugelassenen Pflanzenschutzmitteln verwendet, insbesondere gegen verschiedene Pilzkrankheiten.

Chemische Industrie

Schwefel und seine Verbindungen dienen als Ausgangsstoffe für zahlreiche Produkte. Dazu gehören bestimmte Chemikalien, Farbstoffe, Kunststoffe und weitere industrielle Materialien.

Batterietechnik

Schwefel wird als aktives Material für neuartige Lithium-Schwefel-Batterien erforscht.

Solche Batterien versprechen aufgrund der hohen theoretischen spezifischen Energie interessante Anwendungsmöglichkeiten. Allerdings bestehen noch technische Herausforderungen, beispielsweise hinsichtlich Lebensdauer und Stabilität.

Die Geschichte des Schwefels

Schwefel ist seit der Antike bekannt. Seine auffällige Farbe, seine Brennbarkeit und sein Vorkommen in vulkanischen Regionen machten ihn bereits früh zu einem besonderen Stoff.

In historischen Kulturen wurde Schwefel unter anderem für Räucherungen und verschiedene technische Zwecke genutzt. Später spielte er auch bei der Herstellung von Schwarzpulver eine wichtige Rolle.

Im Mittelalter beschäftigten sich Alchemisten intensiv mit Schwefel. Gemeinsam mit Quecksilber galt er in bestimmten alchemistischen Vorstellungen als grundlegendes Prinzip der Stoffwelt.

Die moderne Chemie entwickelte schließlich ein wissenschaftlich fundiertes Verständnis des Elements und seiner Verbindungen.

Eine wichtige Rolle spielte dabei Antoine Laurent de Lavoisier, der Schwefel im späten 18. Jahrhundert als chemisches Element einordnete.

Mit der Industrialisierung gewann Schwefel zunehmend an Bedeutung, insbesondere durch die großtechnische Herstellung von Schwefelsäure und die Entwicklung der Kautschukvulkanisation.

Welche Gefahren gehen von Schwefel aus?

Bei der Bewertung von Schwefel müssen elementarer Schwefel und seine verschiedenen Verbindungen klar unterschieden werden.

Elementarer Schwefel besitzt unter gewöhnlichen Bedingungen eine vergleichsweise geringe akute Giftigkeit. Schwefelstaub kann jedoch Augen und Atemwege reizen. Feiner Schwefelstaub kann zudem brennbare beziehungsweise explosionsfähige Staub-Luft-Gemische bilden.

Beim Verbrennen von Schwefel entsteht gesundheitsschädliches Schwefeldioxid. Es reizt insbesondere die Atemwege und kann bei höheren Konzentrationen schwere Gesundheitsschäden verursachen.

Schwefelwasserstoff ist bereits in vergleichsweise geringen Konzentrationen gefährlich und kann in höheren Konzentrationen lebensbedrohlich sein.

Schwefelsäure wiederum ist stark ätzend und erfordert geeignete Schutzmaßnahmen.

Die Eigenschaften und Gefahren hängen somit entscheidend davon ab, in welcher chemischen Form Schwefel vorliegt.

Fünf interessante Fakten über Schwefel

1. Schwefel kann seine Fließeigenschaften beim Erwärmen stark verändern. Seine Schmelze wird zunächst dünnflüssig, dann zähflüssiger und bei weiterem Erhitzen wieder leichter fließend.

2. Reiner Schwefel riecht kaum. Der bekannte Geruch nach faulen Eiern stammt von Schwefelwasserstoff, nicht von elementarem Schwefel.

3. Schwefel hält Proteine zusammen. Disulfidbrücken können die räumliche Struktur bestimmter Proteine stabilisieren.

4. Schwefel macht Kautschuk technisch vielseitiger. Bei der Vulkanisation entstehen Vernetzungen, die seine mechanischen Eigenschaften gezielt verändern.

5. Schwefel verbindet Vulkane und Industrie. Er kommt in vulkanischen Gebieten natürlich vor und wird heute in großen Mengen bei der Aufbereitung von Erdöl und Erdgas gewonnen.

Schwefel und andere Elemente im Periodensystem

Schwefel steht in der 16. Gruppe des Periodensystems und besitzt sechs Valenzelektronen. Besonders interessant ist der Vergleich mit verwandten und häufig gemeinsam vorkommenden Elementen.

Sauerstoff (O) steht direkt über Schwefel und gehört ebenfalls zu den Chalkogenen. Beide Elemente bilden zahlreiche wichtige Verbindungen, unterscheiden sich jedoch deutlich in ihren physikalischen Eigenschaften.

Wasserstoff (H) bildet mit Schwefel den giftigen Schwefelwasserstoff (H₂S), während die Verbindung mit Sauerstoff und Wasserstoff zur Schwefelsäure führt.

Eisen (Fe) bildet verschiedene Sulfide. Besonders bekannt ist Pyrit (FeS₂), ein häufig vorkommendes Mineral.

Calcium (Ca) bildet mit Sulfat den mineralischen Grundbestandteil von Gips und Anhydrit.

Phosphor (P) steht unmittelbar links von Schwefel im Periodensystem. Beide Elemente sind für Lebewesen unverzichtbar, erfüllen jedoch unterschiedliche biochemische Aufgaben.

Silicium (Si) ist wie Schwefel Bestandteil zahlreicher mineralischer Stoffsysteme. Während Silicium besonders häufig in Silikaten vorkommt, findet man Schwefel unter anderem in Sulfiden und Sulfaten.

Weitere Informationen zur Stellung dieser Elemente und zu ihren Eigenschaften bietet das Online-Periodensystem von blume.

Fazit: Ein vielseitiges Element zwischen Natur und Technik

Schwefel gehört zu den chemischen Elementen, deren Bedeutung weit über ihre auffälligen Eigenschaften hinausgeht. Als gelber Feststoff ist er leicht erkennbar, doch erst seine zahlreichen Verbindungen zeigen seine große chemische Vielfalt.

Schwefel ist Bestandteil lebenswichtiger Proteine, beteiligt sich an natürlichen Stoffkreisläufen und wird in großen Mengen für industrielle Prozesse benötigt. Besonders die Herstellung von Schwefelsäure und die Vulkanisation von Kautschuk verdeutlichen seine technische Bedeutung.

Gleichzeitig zeigen Schwefeldioxid und Schwefelwasserstoff, dass einzelne Schwefelverbindungen erhebliche Gefahren mit sich bringen können. Schwefel ist damit ein anschauliches Beispiel dafür, wie unterschiedlich die Eigenschaften eines Elements und seiner Verbindungen sein können.

Literatur und wissenschaftliche Quellen

Buchquellen

Gray, Theodore (2013): Die Elemente. Bausteine unserer Welt. Köln: Komet Verlag. ISBN 978-3-86941-000-5. Insbesondere die Darstellung zu Schwefel.

Quadbeck-Seeger, Hans-Jürgen (2006): Die Welt der Elemente – Die Elemente der Welt. 1. Auflage. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31789-9. Ergänzende elementkundliche Einordnung.

Wissenschaftliche Referenzquellen

International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC): Periodic Table of the Elements und Standardatomgewichte. https://iupac.org/

National Institute of Standards and Technology (NIST): Chemische und atomphysikalische Referenzdaten. https://www.nist.gov/

Royal Society of Chemistry: Periodic Table – Sulfur. https://www.rsc.org/periodic-table/element/16/sulfur

Encyclopaedia Britannica: Sulfur – Chemical Element. https://www.britannica.com/science/sulfur

United States Geological Survey (USGS): Mineral Commodity Summaries – Sulfur. https://www.usgs.gov/