|  | ||||||
3,5.10-2 % van de aardkost (tot 16 km diepte) bestaat uit zwavel; het is het 16e element in rangorde van voorkomen.
Men treft het als niet-ontleedbare stof aan in oude vulkaanafzettingen en in zoutkoepels. Als verbinding vindt men het hoofdzakelijk in gipsafzettingen (CaSO4) en in sulfaathoudende mineralen, als:
anglesiet PbSO4
bariet BaSO4
chalcanthiet CuSO4.5H2O
epsomiet MgSO4.7H2O
kieseriet MgSO4.H2O
mirabiliet Na2SO4.10H2O
in sulfidehoudende mineralen, als:
argentiet of zilverglans Ag2S
bismutiniet of bismutglans Bi2S3
chalcosien of koperglans Cu2S
cinnaber HgS
covellien CuS
galena, loodglans of loodspies PbS
milleriet NiS
pyriet FeS2
sfaleriet of zinkblende (Zn,Fe)S
tungsteniet WS2
als organische zwavelverbindingen (bijv. in aardolie en aminozuren) en als zwavelwaterstof (o.m. in aardgas en vulkanische gassen).
De belangrijkste wingebieden liggen in Canada (Alberta), Polen, China, Italië (Sicilië), de Verenigde Staten van Amerika (Louisiana en Texas), Mexico, Oekraïne, Rusland, Turkmenistan, Oezbekistan, Afghanistan, Irak, Peru, Bolivia, Japan, de Filippijnen, de Kourillen, Kamchatka, Chili, Duitsland en Frankrijk.
In veel gevallen wordt elementair zwavel gewonnen, maar ook via verbindingen uit vulkaanafzettingen en uit gas (bijv. Canada, Duitsland, Frankrijk) of olie (bijv. Verenigde Staten, Japan, Nederland) wordt zwavel verkregen.
De voor de zwavelzuurbereiding belangrijke zwaveldioxide wordt tevens op vrij grote schaal verkregen bij het roosten van zwavelhoudende ertsen.
Over de herkomst van de naam bestaan verschillende theorieën. Zo zouden zwavel en (het Latijnse) sulfur (sulphurium: “de steen die brandt”) van hetzelfde woord afstammen, evenals ons woord suf. 'Suf' zou wijzen op de bedwelmende werking van zwaveldampen. In het Sanskriet is de naam voor zwavel: shulbari (wat ‘vijand van koper’ betekent), in het Oudsaksisch: sweval of swebal.
Zwavel en koolstof zijn de enige niet-metalen die reeds lang voor onze jaartelling bekend waren. Zwavel werd reeds in de Oudheid als geneesmiddel gebruikt. Homerus vermeldt het gebruik van zwavel als ontsmettingsmiddel; de Romeinen gebruikten het als dermatologisch geneesmiddel.
J.-L. Gay-Lussac was de eerste die het als element beschouwde.
Vroeger werd elementaire zwavel afgegraven. Zo nodig werd het gezuiverd door enkele malen om te smelten. Later werd zwavel ook gedestilleerd.
Zwavel wordt op verschillende manieren gewonnen:
– Zwavel dat zich in diepere aardlagen bevindt (meestal 20 - 40 % S) wordt gewonnen via het Frasch-proces. Hierbij wordt een schacht geboord, waarin een systeem van drie concentrische pijpen wordt aangebracht. Eerst wordt oververhit water (165 °C) in de betreffende aardlaag gebracht, waardoor het aanwezige zwavel smelt (smeltpunt 119 °C) en naar het diepste punt bij de pijp vloeit. Via perslucht in een andere pijp wordt het omhoog gebracht. De verkregen zwavel is vrij zuiver (99,5 - 99,9 %) en bevat geen Se en Te. Op deze wijze kan zwavel worden gewonnen in een gebied van ca. 0,5 ha rond de schacht. De opbrengst van een dergelijke systeem bedraagt ongeveer 2,5.106 ton per jaar. De verkregen zwavel wordt meestal in vloeibare vorm getransporteerd (per pijpleiding, trein of schip).
– Bij de ontzwaveling van (aard)olie worden in de moderne raffinaderijen grote hoeveelheden zwavel verkregen. De aanwezige zwavel wordt eerst omgezet in waterstofsulfide, dat vervolgend wordt gereduceerd:
2 H2S + 3 O2 → 2 SO2 + 2 H2O
4 H2S + 2 SO2 → 6 S + 4 H2O
– Via dagbouw en uit sulfiden en sulfaten wordt zwavel gewonnen. Het aandeel van deze methoden daalt sterk. De wereldproductie bedraagt ongeveer 55.106 ton per jaar.
Vuurwerk
Vanwege de sterk reducerende eigenschappen is zwavel samen met een sterk oxidatiemiddel zeer brandbaar of explosief. In vuurwerk wordt veel gebruik gemaakt van buskruit. Dit is een mengsel van zwavel, koolstof en kaliumnitraat (2:3:15). Reeds enkele eeuwen voor onze jaartelling werd in China de samenstelling van buskruit beschreven. Het kruit werd gebruikt voor diverse soorten vuurwerk.
Bij het vuurwerk wordt uitgegaan van een explosief mengsel, sas genoemd. Hierbij wordt een sterke oxidator, meestal kaliumnitraat (KNO3), maar ook wel kaliumchloraat (KClO3) of - bij speciale soorten vuurwerk - picrinezuur gebruikt. Om helder witte of goudkleurige sterren te krijgen worden metaalpoeders (aluminium of magnesium resp. ijzer) toegevoegd. Voor het verkrijgen van kleuren worden allerlei zouten gebruikt, zoals:
blauw: CuCl2.NH4Cl
rood/roze: SrCO3, Sr(NO3)2
geel: Ba(NO3)2/Na2C2O4 en natriumzouten
groen: BaCO3, Ba(NO3)2
oranjerood: CaSO4.
Afhankelijk van het soort sas (drijfsas, knalsas, kleursas, enz.) wordt de hoeveelheid zwavel wat aangepast.
Bij het ontsteken van het vuurwerk wordt zeer veel gas gevormd. Dit gas zorgt bij vuurpijlen e.d. voor de voortstuwing. In het zogenoemde fluitsas, dat onder meer in luchthuilers wordt toegepast, wordt meestal geen zwavel verwerkt.
Voor lonten wordt veelal een pap van buskruit en dextrine of Arabische gom gebruikt.
Batterij
In de natrium-zwavelbatterij wordt gebruik gemaakt van zwavel. Deze batterij werkt bij hoge temperatuur (>300 °C). De vereenvoudigde reactievergelijking voor het proces tijdens de stroomlevering is:
2 Na(l) + y S8(l) → Na2Sx(s) (waarin x = 2,4,5)
bij een temperatuur van 300 à 400 °C. De geleverde spanning is 2,08 V. Dit type batterij levert vijfmaal zoveel energie per kg. als een loodaccu. De batterij is oplaadbaar, maar het opladen duurt lang (15 - 20 uur).
De cellen worden veelal tot een grote batterij gevormd: 20 modules van ieder 49 cellen. De spanning is dan 200 V en de capaciteit bedraagt 50 kWh. Deze batterij verkeert nog in een experimenteel stadium, waarbij de stroomlevering voor de aandrijving van de elektrische auto als een mogelijke toepassing wordt gezien.
Zwavelzuur
Het overgrote deel van alle geproduceerde zwavel, meer dan 80 %, wordt gebruikt voor de bereiding van zwavelzuur (H2SO4). De bereiding gaat volgens het zogenoemde contactproces. Vanadiumpentaoxide op kiezelzuur dient hierbij als katalysator. De oxidatie kan plaatsvinden in verschillende lagen katalysator, waardoor een zeer hoog rendement (99,6 %) wordt verkregen en de uitstoot van zwaveldioxide sterk wordt teruggedrongen.
In de eerste stap wordt zwavel of een zwavelhoudende verbinding verbrand:
2 S + 2 O2 → 2 SO2
Vervolgens wordt de verkregen zwaveldioxide omgezet bij 500 °C:
2 SO2 + 2 V2O5 → 2 SO3 + 2 V2O4
2 V2O4 + O2 → 2 V2O5
totaalreactie: 2 SO2 + O2 → 2 SO3
Het gevormde zwaveltrioxide wordt vervolgens opgelost in zwavelzuur. Hierbij ontstaat rokend zwavelzuur, dat na mengen met water geconcentreerd zwavelzuur oplevert:
SO3 + H2O → H2SO4
De wereldproductie bedraagt ongeveer 150.106 ton per jaar. Zwavelzuur wordt vooral toegepast bij de productie van kunstmest, de bereiding van titaandioxide en bij de bereiding van een aantal zuren, zoals salpeterzuur, fosforzuur, waterstofchloride en boorzuur.
Vulkaniseren rubber
Natuurlijke rubber is oorspronkelijk afkomstig uit Midden- en Zuid-Amerika. Het wordt als sap afgetapt van de Hhévéboom (Hevea). Bij drogen van het sap ontstaat latex. Deze natuurlijke latex is echter nauwelijks bruikbaar. In 1839 ontdekte Ch. Goodyear dat bij het verwarmen van natuurlijke rubber met zwavel een stof ontstaat die veel betere eigenschappen bezit. Dit proces wordt vulkaniseren genoemd. Bij dit proces worden de in de latex aanwezige cis-isopreenketens via zwavelbruggen met elkaar verbonden, waarbij een ruimtelijk netwerk ontstaat:
....CH2- C(CH3)=CH-CH2 .... ....CH2- C(CH3)-CH-CH2 ....
| |
+ S8 → Sx Sx
| |
....CH2- C(CH3)=CH-CH2 .... ....CH- C(CH3)-CH-CH2 ....
Het gevulkaniseerde rubber is veel sterker een heeft goede elastische eigenschappen. Het bevat, afhankelijk van de beoogde toepassingen, ca. 1 - 5 % zwavel. Rubber met een hoger zwavelpercentage is hard.
Tegenwoordig wordt voornamelijk synthetische rubber gebruikt. Door de sterke groei van de automobielindustrie in de dertiger jaren en door de tweede wereldoorlog werd de behoefte aan rubber zo groot dat de beschikbare natuurlijke rubber ontoereikend was. Men is daarom in die periode op grote schaal synthetische rubber gaan vervaardigen. Hiervoor wordt geen cis-isopreen gebruikt, maar bijvoorbeeld een copolymeer van styreen en butadieen (de synthetisch rubber wordt in dit geval SBR genoemd). Hiervan worden eerst lange ketens gemaakt en vervolgens worden deze ketens via het vulkanisatieproces verbonden tot een ruimtelijk elastisch netwerk:
.....- CH(C6H5) - CH2 - CH2 - CH = CH - CH2 .....
+ Sx →
.....- CH(C6H5) - CH2 - CH2 - CH = CH - CH2 .....
.....- CH(C6H5) - CH2 - CH – CH2 - CH - CH2 .....
| |
Sx Sx
| |
.....- CH(C6H5) - CH2 - CH – CH2- CH - CH2 .....
Conserveringsmiddel
Zwaveldioxide en de natrium-, kalium- en calciumzouten van sulfiet en waterstofsulfiet (of disulfiet) worden gebruikt als bacteriedodend middel. Zwaveldioxide wordt onder meer gebruikt voor het conserveren van voer in silo’s en voor krenten en rozijnen. Sulfieten worden gebruikt in levensmiddelen en wijn. De aanduiding voor sulfieten op het etiket van voedingswaren is E-220 t/m E-227.
Haarverzorging
Haar bestaat, net als wol, voornamelijk uit het eiwit keratine. De keratineketens zijn als een spiraal opgerold en worden onder meer door waterstofbruggen en - veel sterkere - zwavelbruggen bijeengehouden. Bij het permanenten worden de zwavelbruggen eerst verbroken en vervolgens - als het haar met krullers in de gewenste vorm is gebracht - weer hersteld.
De zwavelbruggen worden met een permanentvloeistof verbroken. Deze vloeistof bevat een reductor, bijvoorbeeld een basische oplossing met thioglycolzuur (CH2SH-COOH), die de zwavelbruggen verbreekt:
xxxxx-S....S-xxxxx + 2 CH2SH-COOH → 2 xxxxx-SH + HOOC-CH2S-SCH2-COOH .
Het wassen met een basische shampoo bevordert ook het verbreken van de zwavelbruggen. Slechts een deel (20 - 30 %) van de zwavelbruggen moet worden verbroken. Dit wordt afhankelijk van soort haar, soort vloeistof, enz. bepaald aan de hand van de inwerkingstijd van de permanentvloeistof. Vervolgens worden de zwavelbruggen met een fixeervloeistof hersteld. Deze vloeistof bevat een oxidator, bijvoorbeeld waterstofperoxide of kaliumbromaat, die de SH-bindingen weer oxideert tot een zwavelbrug:
2 xxxxx-SH → xxxxxS....S-xxxxx
De inwerktijd van deze vloeistof is een maat voor het herstel van de bruggen. Bij te lang inwerken is er kans dat de oxidator het haar gaat bleken. De fixeervloeistof bevat ook zuur, waardoor de base van de permanentvloeistof wordt geneutraliseerd. De zwavelbruggen zijn redelijk bestand tegen inwerken van water. Daardoor blijft het kruleffect langere tijd in stand.
Dit in tegenstelling tot herkrullen via 'wassen en watergolven', waarbij de kruleffecten tot stand komen door verbreken/vormen van waterstofbruggen.