Schwefel: Element, Vorkommen und Verwendung

Das Element

Schwefel steht in der 16. Gruppe des Periodensystems und ist ein Nichtmetall. Er zählt zu den wenigen Elementen, die in der Natur gediegen vorkommen, also in reiner Form; deshalb kennen ihn die Menschen seit der Antike. Als chemisches Element erkannt wurde er erst spät: Antoine Lavoisier führte ihn 1789 in seiner Liste der Elemente.

Der reine Stoff riecht nicht. Der Geruch, den viele mit Schwefel verbinden, stammt von seinen Verbindungen. Am bekanntesten ist Schwefelwasserstoff (H₂S)², ein Gas, das nach faulen Eiern riecht.

Chemisch ist Schwefel wandelbar. In Verbindungen reicht seine Oxidationsstufe von minus zwei im Sulfid bis plus sechs im Sulfat. Das erklärt die grosse Zahl an Schwefelmineralen.

Der Achterring und die Modifikationen

Schwefelatome liegen im festen Zustand nicht einzeln vor. Sie schliessen sich zu einem gewellten Ring aus acht Atomen zusammen, dem Cyclooctaschwefel (Summenformel S₈).³ Dieser Ring ist der Baustein aller gewöhnlichen Schwefelkristalle.

Wie sich diese Ringe stapeln, entscheidet über die Modifikation, also über die Kristallform. Unterhalb von 95,3 °C ist der rhombische Alpha-Schwefel stabil, oberhalb davon der monokline Beta-Schwefel. Beide bestehen aus denselben Achterringen, nur anders angeordnet.

Beim Erhitzen verhält sich Schwefel ungewöhnlich. Zunächst schmilzt er gegen 115 °C zu einer hellgelben, dünnflüssigen Masse. Ab etwa 159 °C brechen die Ringe auf und verbinden sich zu langen Ketten. Die Schmelze wird dabei zäh statt flüssiger und färbt sich rotbraun. Bei rund 187 °C ist sie am zähesten. Danach zerfallen die Ketten wieder, die Masse wird dünnflüssig und siedet bei 444,6 °C.

Giesst man die heisse Schmelze in kaltes Wasser, bleiben die Ketten gefangen. Es entsteht plastischer Schwefel, eine gummiartige, dehnbare Masse. Sie geht innerhalb von Tagen in die gewöhnliche Kristallform zurück.

Wo Schwefel vorkommt

Gediegener Schwefel findet sich dort, wo vulkanische Gase abkühlen: An Kraterrändern und Solfataren schlägt er sich als gelbe Kruste nieder. Grössere Lagerstätten liegen im Deckgestein von Salzstöcken, etwa am Golf von Mexiko. Die sizilianischen Vorkommen deckten im 19. Jahrhundert den Weltbedarf.

Weit grössere Mengen stecken gebunden im Gestein. Zwei Mineralgruppen bestimmen das Bild:

• Sulfide, in denen Schwefel mit Metallen verbunden ist — Pyrit (FeS₂), Zinkblende (ZnS), Bleiglanz (PbS) und Zinnober (HgS).
• Sulfate, in denen Schwefel bereits mit Sauerstoff verbunden ist — Gips (CaSO₄ · 2 H₂O) und Schwerspat (BaSO₄).

Auch Meerwasser enthält Schwefel, gelöst als Sulfat. In Erdgas und Erdöl steckt er als Schwefelwasserstoff und in organischen Verbindungen; ein Erdgas mit hohem Anteil daran heisst Sauergas.

Wie Schwefel gewonnen wird

Bis weit ins 20. Jahrhundert prägte das Frasch-Verfahren die Gewinnung. Herman Frasch entwickelte es ab den 1890er-Jahren für Lagerstätten in Salzstöcken. Durch ineinandergeschobene Rohre presst man überhitztes Wasser von rund 165 °C in die Tiefe; der geschmolzene Schwefel wird mit Druckluft nach oben befördert. Das Verfahren ist energieaufwendig und wurde weitgehend aufgegeben.

Heute fällt Schwefel überwiegend als Nebenprodukt an. Erdgas und Erdöl müssen entschwefelt werden, bevor man sie nutzt. Der dabei abgetrennte Schwefelwasserstoff wird im Claus-Prozess in elementaren Schwefel umgewandelt. Die zugrunde liegende Reaktion meldete Carl Friedrich Claus 1883 zum Patent an.

Zuerst verbrennt ein Drittel des Schwefelwasserstoffs zu Schwefeldioxid. Dieses reagiert danach am Katalysator mit dem übrigen Schwefelwasserstoff zu Schwefel und Wasser. Die verfügbare Schwefelmenge hängt damit am Bedarf nach Treibstoffen.

Wozu die Industrie ihn braucht

Der weitaus grösste Teil des Schwefels wird zu Schwefelsäure (H₂SO₄) verarbeitet. Sie gehört zu den meistproduzierten Grundchemikalien der Welt. Im Kontaktverfahren verbrennt Schwefel zu Schwefeldioxid, das an einem Katalysator aus Vanadiumpentoxid zu Schwefeltrioxid weiterreagiert und danach in Wasser aufgenommen wird. Den grössten Teil davon verbraucht der Aufschluss von Phosphaterz zu Düngemitteln.

Ein zweites Feld ist die Vulkanisation. Charles Goodyear beschrieb 1839, dass Naturkautschuk mit Schwefel und Wärme seine klebrige Eigenart verliert. Schwefelbrücken verknüpfen dabei die langen Kautschukmoleküle. Aus dem weichen Rohstoff wird so der elastische Gummi von Reifen und Dichtungen.

Im Pflanzenschutz gehört Netzschwefel zu den ältesten Mitteln überhaupt; im Reb- und Obstbau wird er bis heute gegen Echten Mehltau eingesetzt. Weitere Felder sind die Zellstoffherstellung, die Metallgewinnung und, historisch, das Schwarzpulver.

Schwefel in der belebten Natur

Schwefel ist Bestandteil zweier Aminosäuren: Methionin (C₅H₁₁NO₂S)⁴ und Cystein (C₃H₇NO₂S)⁵. Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine; über diese beiden gelangt Schwefel in einen grossen Teil aller Eiweisse.

Zwei Cystein-Bausteine können sich über ihre Schwefelatome zu einer Disulfidbrücke verbinden. Solche Brücken wirken wie Klammern, die eine Proteinkette in Form halten. Besonders viele davon enthält Keratin, das Faserprotein in Haaren, Nägeln, Hörnern und Federn. Genau darauf beruht der stechende Geruch verbrannter Haare: Beim Verbrennen zerfallen die schwefelhaltigen Bausteine.

In der Natur läuft der Schwefel im Kreis. Bakterien im sauerstoffarmen Schlamm wandeln Sulfat zu Schwefelwasserstoff um. Meeresalgen geben Dimethylsulfid an die Luft ab, wo es unter dem Einfluss von Sonnenlicht weiteroxidiert. Vulkane stossen Schwefeldioxid aus. Mit dem Niederschlag gelangt der Schwefel als Sulfat in Böden und Gewässer zurück.

MSM: Methylsulfonylmethan

MSM ist die gebräuchliche Abkürzung für Methylsulfonylmethan, chemisch auch Dimethylsulfon genannt. Der Stoff trägt die Summenformel C₂H₆O₂S.⁶ An ein zentrales Schwefelatom binden zwei Methylgruppen und zwei Sauerstoffatome.

MSM ist ein farbloser, kristalliner Feststoff. Er schmilzt bei rund 109 °C und löst sich gut in Wasser. Anders als viele organische Schwefelverbindungen riecht er praktisch nicht.

MSM entsteht auch ohne Zutun des Menschen. Es steht am Ende der Oxidationskette, die mit dem Dimethylsulfid der Meeresalgen beginnt und über Dimethylsulfoxid (DMSO) führt. Mit dem Regen gelangt es zurück auf die Erde. In Spuren wurde es unter anderem in Pflanzen, Kuhmilch und Kaffee nachgewiesen.

Technisch stellt man MSM aus Dimethylsulfoxid her: DMSO wird mit Wasserstoffperoxid oxidiert, das Rohprodukt danach umkristallisiert oder destilliert.

Anhang 1 der Verordnung des EDI über Nahrungsergänzungsmittel legt zulässige Stoffe und Höchstmengen fest. Teil B führt Methylsulfonylmethan mit 1000 mg je Tagesdosis auf.

Steckbrief

Häufige Fragen

Riecht Schwefel nach faulen Eiern?

Nein, reiner Schwefel ist geruchlos. Der bekannte Geruch stammt von Schwefelwasserstoff, einem Gas, das bei der Fäulnis von Eiweiss entsteht. Viele Schwefelverbindungen riechen streng, das Element selbst nicht.

Warum wird flüssiger Schwefel beim Erhitzen zäher?

Weil sich die Achterringe ab etwa 159 °C öffnen und zu langen Ketten zusammenlagern. Diese Ketten verhaken sich ineinander. Bei rund 187 °C ist die Schmelze am zähesten; danach zerfallen die Ketten wieder und sie wird erneut dünnflüssig.

Woher stammt der Schwefel, der heute gehandelt wird?

Überwiegend aus der Entschwefelung von Erdgas und Erdöl. Der abgetrennte Schwefelwasserstoff wird im Claus-Prozess in elementaren Schwefel umgewandelt. Das ältere Frasch-Verfahren spielt kaum noch eine Rolle.

Was ist MSM?

MSM ist die Abkürzung für Methylsulfonylmethan, eine organische Schwefelverbindung, die auch Dimethylsulfon heisst. In der Schweiz gilt für Nahrungsergänzungsmittel eine Höchstmenge von 1000 mg je Tagesdosis.

Warum riechen verbrannte Haare so streng?

Weil Haare aus Keratin bestehen, einem Protein mit vielen schwefelhaltigen Cystein-Bausteinen. Beim Verbrennen zerfallen diese Bausteine, und dabei werden flüchtige Schwefelverbindungen frei.

Gibt es für Schwefel eine zugelassene gesundheitsbezogene Angabe?

Nein. Anhang 14 der Verordnung des EDI betreffend die Information über Lebensmittel enthält für Schwefel und für MSM keinen zugelassenen Wortlaut. Werbeaussagen zu einer Wirkung sind damit nicht zulässig.

Quellen

1. PubChem CID 5362487 ↩
2. PubChem CID 402 ↩
3. PubChem CID 66348 ↩
4. PubChem CID 6137 ↩
5. PubChem CID 5862 ↩
6. PubChem CID 6213 ↩
7. VNem Anhang 1 Teil B (SR 817.022.14) ↩
8. Verordnung des EDI betreffend die Information über Lebensmittel (SR 817.022.16) ↩