Schwefel und seine Oxide

Schwefel und seine Oxide Übung

• Ergänze den Steckbrief des Schwefels.

  Tipps

  In den Nebengruppen sind nur Metalle enthalten.

  Lösung

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

• Beschreibe den Schwefelabbau mit dem Frasch-Verfahren.

  Tipps

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

  Lösung

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

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

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

• Erkläre die Entstehung von saurem Regen.

  Tipps

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

  Lösung

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

• Bestimme die Summenformeln der Schwefeloxide.

  Tipps

  Bei Oxiden wird in der Summenformel der Sauerstoff zuletzt angegeben.

  Lösung

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

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

  Tipps

  Viele Metallerze, die verhüttet werden, sind schwefelhaltig.

  Lösung

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

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

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

• Analysiere den Prozess der Rauchgasentschwefelung.

  Tipps

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

  Lösung

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

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

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

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

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