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 Demonstrationen mit Schwefel
Nur für Lehrkräfte geeignet
 
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Stoffe  Schwefel sublimiert, Schwefelkohlenstoff, Natriumthiosulfat, Salzsäure 20%, destilliertes Wasser, Seifenlösung
Geräte  2 Bechergläser 100ml, Glasstab, 2 Bechergläser 600ml oder 2 Küvetten, Rundkolben 250ml, Faltenfilter mit Trichter, Stativ, Petrischalen, Thermometer, Abdampfschale aus Porzellan, Heizplatte, Spatellöffel, Diaprojektor mit Lochblende, Laserpointer
Sicherheit   Schwefelkohlenstoff ist eine leicht entzündbare Flüssigkeit. Das Arbeiten mit Schwefelkohlenstoff erfolgt stets im Abzug und unter Einhaltung der Sicherheitsvorkehrungen. Schutzbrille, Gesichtsschild, Schutzkleidung und Schutzhandschuhe aus Fluorkautschuk tragen!

Schutzbrille anziehen!  Schutzbrille anziehen! Gesichtsschild tragen!  Schutzhandschuhe anziehen!  Abzug verwenden 
GefährdungsBU  Schwefelkristalle in Schwefelkohlenstoff züchten    pdf
GefährdungsBU  Experimentieren mit Schwefel   pdf

Zum Experimentieren im eigenen Unterricht wird eine editierbare GBU benötigt.
 
 
 
Sicherheitshinweise zum Schwefelkohlenstoff
 
Schwefelkohlenstoff ist im reinen Zustand eine farblose, aromatisch riechende, toxische Flüssigkeit, die sich unter Lichteinwirkung gelb verfärbt. Die Flasche sollte dunkel in einem dauerhaft be- und entlüfteten, separaten Schrank aufbewahrt werden. Das Arbeiten mit Schwefelkohlenstoff findet stets im explosionsgeschützten Abzug mit Schutzbrille, Gesichtsschild, Schutzkleidung und Schutzhandschuhen aus Fluorkautschuk statt. Schwefelkohlenstoff besitzt die niedrigste Zündtemperatur aller Lösungsmittel (95°C), seine Siedetemperatur liegt bei 46°C. Daher kann sich der Stoff bereits beim Umfüllen durch Berührung mit heißen Rohren oder Platten, aber auch durch elektrostatische Aufladung beim Schütteln entzünden. Schwefelkohlenstoff ist ein ausgezeichnetes Lösungsmittel für Schwefel, Phosphor, Selen, aber auch für viele unpolare, organische Flüssigkeiten.
 

Didaktische Bemerkungen
 
Beim Experiment "Zustandformen des Schwefels" entdeckten die Schüler durch das Erhitzen und Abkühlen von Schwefel mehrere Schwefelmodifikationen. Die Demonstration hier ist als Ergänzung dazu gedacht. In der Natur kommt der Schwefel stets in der rhombischen Form vor. Beim Abkühlen einer heißen Schwefelschmelze bilden sich lange, monokline Kristallnadeln (β-Schwefel), die normalerweise aber unterhalb von 95,6°C allmählich wieder in rhombischen Schwefel übergehen. Bei der hier vorgestellten Versuchsanleitung bleiben die Nadeln längere Zeit erhalten, so dass sie den Schülern gezeigt werden können.
 
 
Demonstration 1   Rhombischer und monokliner Schwefel
 
a) Rhombischer Schwefel
Im Abzug werden in einem 100ml-Becherglas 15ml Schwefelkohlenstoff mit 4g gepulvertem Schwefel verrührt, bis der gesamte Schwefel gelöst ist. Dann gießt man die Lösung durch einen Faltenfilter in ein zweites Becherglas. Die klare Lösung wird in eine Petrischale geschüttet, mit der Oberschale abgedeckt und im Abzug stehen gelassen. Wenn sich nach etwa 10 Stunden Kristalle gebildet haben, kann man die Oberschale wegnehmen, so dass der Schwefelkohlenstoff schnell verdampft.
 
 
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Künstlich hergestellter rhombischer Schwefel
Rhombischer Schwefel in der Natur
 
 
Beobachtungen: Nach wenigen Stunden bilden sich in der Petrischale gelbe Kristalle von rhombischem Schwefel. Die Schale kann nach dem vollständigen Abdampfen des Schwefelkohlenstoffs lange Zeit aufbewahrt werden und dient als Anschauungsobjekt im Unterricht.
 
b) Monokliner Schwefel
Eine mit gepulvertem Schwefel zur Hälfte gefüllte Abdampfschale aus Porzellan wird auf einer Heizplatte im Abzug erhitzt, bis der Schwefel schmilzt. Danach gibt man zu der Schmelze weiter Schwefel, bis die Abdampfschale zur Hälfte mit der flüssigen Schmelze gefüllt ist. Man rührt gut um und lässt die Schale langsam abkühlen. Nun besteht die Kunst darin, die überstehende Schmelze im richtigen Moment abzugießen. Man erkennt die Bildung der monoklinen Nadeln am Boden bereits durch die Schmelze hindurch. Ist die Oberfläche wieder fest, ist es zu spät zum Abgießen. Gelingt der Versuch nicht, dann kann der Schwefel erneut eingeschmolzen werden.
 
 
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Beobachtungen: Nach dem Abgießen der überstehenden Schmelze erkennt man deutlich die monoklinen Kristallnadeln, die nach innen zeigen. Wenn man die Schale an einen ruhigen Ort stellt, bleiben die Nadeln längere Zeit erhalten.

Entsorgung: Die Kristalle werden als Anschauungsobjekt in einem verschlossenen Behälter aufbewahrt. So muss man den Versuch nicht mehr vorführen. Der Schwefel in der Porzellanschale kann mehrfach eingeschmolzen und auskristallisiert werden. Abfall-Schwefel sammelt man im Abfallbehälter für anorganische Feststoffe. Es wird generell empfohlen, Abfälle für brennbare Feststoffe in einem brandsicheren Behälter mit Deckel und Sandeinlage zu sammeln. Schwefel darf nicht zusammen mit Metallresten oder oxidierend wirkenden Stoffen gesammelt werden. Zur Entsorgung von Schwefelkohlenstoff siehe Sicherheitsempfehlung.
 
 
Demonstration 2  Kolloider Schwefel (Tyndall-Effekt)
 
Sicherheitshinweise: Es sind Schutzbrille, Schutzhandschuhe und Arbeitskittel zu tragen! 20%ige Salzsäure ist ätzend! Da geringe Mengen Schwefeldioxid frei werden, ist auf eine gute Raumlüftung zu achten! Der größte Teil des Gases löst sich in der Reaktionslösung zu Schwefliger Säure.

Vorversuch: Der Tyndall-Effekt ist nach seinem Entdecker, dem britischen Physiker John Tyndall (1820-1893) benannt. Tyndall erklärte auch als erster, warum der Himmel blau ist. Der Tyndall-Effekt tritt in Flüssigkeiten auf, wenn Licht an kleinen Partikeln gestreut wird, er lässt sich daher gut bei kolloidalen Lösungen zeigen. Dazu stellt man eine klare Kochsalzlösung und eine stark verdünnte Seifenlösung her. Das verwendete Wasser muss vorher abgekocht werden, damit der gelöste Sauerstoff ausgetrieben wird. Ansonsten würde die Wärme der Lampe Sauerstoffbläschen aus dem Wasser austreiben, die das Phänomen verfälschen.
 
 
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Der Raum wird abgedunkelt, dann sendet man mit einem Diaprojektor, vor dessen Objektiv eine Lochlinse geschoben wurde, einen dünnen Lichtstrahl seitlich durch die beiden Lösungen. Alternativ dazu kann auch ein Laserpointer eingesetzt werden. Das Licht geht ungehindert und scheinbar "unsichtbar" durch das Salzwasser, während das Licht bei der kolloidalen Seifenlösung stark gestreut wird. Dies hängt mit der Micellenbildung der Seifen-Moleküle zusammen. Der Tyndall-Effekt kann auch beobachtet werden, wenn man mit einem Laserpointer den Nebel durchleuchtet, der sich oberhalb eines Gefäßes mit kochendem Wasser aus dem sich abkühlenden Wasserdampf bildet. Verdünnt man einen Anisschnaps wie den griechischen Ouzo oder den französischen Pastis mit viel Wasser, lässt sich ebenfalls der bekannte Effekt erzeugen. Verursacht wird er durch das etherische Öl Anethol, das aufgrund seiner schlechten Wasserlöslichkeit beim Verdünnen Clusterstrukturen ausbildet.
 
In der Natur tritt das Phänomen der Lichtstreuung gerne früh am Morgen auf, wenn quer einfallendes Sonnenlicht durch Nebelbänke strahlt. In der Technik benutzen optische Rauchmelder den Effekt: Werden Rauchpartikel in einem Lichtstrahl gestreut, treffen sie auf einen Lichtsensor, der ein elektrisches Signal aussendet. Bei Augenuntersuchungen lassen sich durch Lichtstreuung Schwebeteilchen im Augenkammerwasser nachweisen, die auf einen entzündlichen Prozess hinweisen können.
 
 
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Hauptversuch: Ein 250ml-Rundkolben wird mit 250ml destilliertem Wasser gefüllt. Nach der Zugabe von einem Spatel Natriumthiosulfat rührt man solange, bis eine klare Lösung entsteht. Dann befestigt man den Rundkolben an einem Stativ und stellt ihn direkt vor das Objektiv eines Diaprojektors. Die Entfernung wird so eingestellt, dass sich auf der Projektionsfläche ein runder Kreis abbildet. Dann dunkelt man den Raum ab und gibt 20ml 20%ige Salzsäure hinzu.
 
 
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Momentaufnahme des "Sonnenuntergangs"
 
 
Beobachtungen: Langsam verändert sich die zunächst klare Lösung im Rundkolben. Die Änderung ist zunächst an der immer gelber werdenden Farbe auf der Projektionsfläche zu sehen. Die Lösung trübt sich, und das Licht des Diaprojektors wird im Rundkolben immer mehr gebrochen. Das Projektionsbild erinnert an einen Sonnenuntergang, bei dem das Licht schwindet. Zum Schluss ist kein Projektionsbild mehr sichtbar, stattdessen leuchtet der Rundkolben wie eine helle Glühbirne und ein weißes, fast geisterhaftes Licht macht sich im Raum breit.
  
 
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Ende der Reaktion: Kolloider Schwefel
 
 
Theorie: Bei der Reaktion des Natriumthiosulfats mit der Säure fällt als Reaktionsprodukt feiner, kolloider Schwefel aus, der nicht wasserlöslich ist und eine Suspension bildet. Das entstehende Schwefeldioxid erkennt man am Geruch:

Na2S2O3  +  2 HCl   S  + SO2  +  H2O  +  2 NaCl

Im Durchlicht erscheint die Lösung weiß. Der gelblich-rötliche Effekt auf der Projektionsfläche kommt dadurch zustande, dass das kurzwellige Licht stärker gestreut wird als das langwellige.
  
 
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Durchlaufende Diashow
 

Entsorgung: Da nur mit stark verdünnten Lösungen und geringsten Mengen gearbeitet wird, können die Reste mit viel Wasser verdünnt in den Abguss gegeben werden.

 
Literatur
  • Helmut Boeck: Chemische Schulexperimente, Band 3, Verlag Harri Deutsch, 1978
  • H.W. Roesky, K. Möckel: >Chemische Kabinettstücke, VCH-Verlag, 1994
  • Römpp/Raaf: Chemische Experimente die gelingen, Franckh, Stuttgart 1980
  • Wikipedia, die Online-Enzyklopädie, Stichwort Tyndall-Effekt
  • Niederhöfer/Wöhrmann: Nano-Partikel sichtbar machen, Experimente mit Kolloiden und Emulsionen, in ZS Unterricht Chemie, Heft 97, Seelze 2007
 
Copyright: T. Seilnacht