Zwavel verbindingen en toepassingen
Waar zouden we staan zonder zwavel?
A. Toepassingen met Zwavel
Een wereld waarin zwavel niet zou bestaan, zou voor ons onbekend zijn.
De productie van zwavelzuur zou bijvoorbeeld niet mogelijk zijn, een product wat voor onze huidige samenleving onmisbaar is.
Niet zozeer als zwavelzuur zelf, maar wel als bijproduct in talloze andere producties en bereidingen. Hieronder volgen een aantal voorbeelden waarbij zwavel wordt gebruikt. Het spreekt voor zich dat het maar een fractie is van het eindeloos aantal toepassingen met zwavel.
• Zwavelzuur (H2SO4)
Buiten water is zwavelzuur het meest gebruikte product in de industrie. Meer dan 80 % van alle geproduceerde zwavel gaat naar de synthese van zwavelzuur, wat voor zich weer een wereldproductie van ongeveer 150 miljoen ton per jaar met zich meebrengt.
Toch is deze zeer grote belangstelling voor dit zuur nog niet zo lang bezig. Men schat dat voor de 16e eeuw er van zwavelzuur weinig of geen sprake was.
Johann Van Helmont, een Belgisch chemicus die leefde van 1579 tot 1644, bereidde het door de destillatie van groene vitriool, een heptahydraat van ijzersulfaat (FeSO4.7H2O).
Rond 1790 kwam de eerste echte vraag naar zwavelzuur. Het werd hier toegepast in het Leblanc proces, een manier voor de productie van natriumcarbonaat (Na2CO3).
Dit proces bestond uit twee delen:
1. De reactie met keukenzout (NaCl) en zwavelzuur tot de vorming van natriumsulfaat (Na2SO4) en zoutzuur (HCl).
2NaCl + H2SO4 -> Na2SO4 + 2HCl
2. Het gevormde natriumsulfaat werd vervolgend opgewarmd, en gemend met kalksteen (CaCO3) en koolstof (C).
Na2SO4 + 2C + CaCO3 -> Na2CO3 + CaS + 2CO2
Na enige tijd werd dit vervangen door het Solvay proces.
Vanaf de 18e eeuw kwam er toch verandering in het produceren van zwavelzuur. John Roebuck ontwikkelde in 1746 een systeem dat qua uitvoering veel goedkoper en handiger in opslag was.
Dit systeem, het loodkamer proces genoemd, bestond uit een vierkantige kamer, opgebouwd uit loden platen. Dit was het enige goedkope materiaal in die tijd dat bestendig was tegen zwavelzuur.
In deze kamer plaatste hij een schotel waar hij salpeter (KNO3) en zwavel op had aangebracht en aangestoken.
De gevormde gassen werden opgevangen door water dat zich onderaan, op de bodem, in de kamer bevond. Dit proces werd enkele keren herhaald, waarna men zure vloeistof uit de bassin kon verwijderen. Dit zwavelzuur had maar een concentratie van ongeveer 35 tot 45 %, maar kon versterkt worden door de uitdamping ervan.
In 1837 bracht de fransman Gay – Lussac (Fig.34) enkele serieuze verbeteringen aan het proces. Zo ontwikkelde hij een toren die het stikstofoxides kon opvangen zodat ze later terug in het proces konden gebruikt worden. Hierdoor daalde het gebruik van KNO3 wat betekende dat men een goedkopere productie kon ontwikkelen.
John Glover ontwikkelde nog een tweede toren die nog meer stiktofdioxides uit het proces kon halen en de concentratie van het gevormde zwavelzuur kon verhogen.
Tegenwoordig bestaat het systeem uit verschillende torens, opgebouwd uit steen en bedekt met lood.
In deze kamer blaast men zwaveldioxide, zuurstof, stoom en stikstof oxides. Het gevormde zwaveltrioxide (SO3) gas wordt opgevangen door water en zal zo het zwavelzuur vormen met een concentratie van ongeveer 65 %.
Rond het begin van de 20ste eeuw ontwikkelde men een ander systeem, het contact proces.
Dit berust op hetzelfde principe als het loodkamer proces: SO3 produceren, en dit oplossen in water ter vorming van zwavelzuur. Allereerst zal men door de verbranding van zwavel, of pyriet, zwaveldioxide produceren. Vervolgens wordt dit SO2 verbrand, onder invloed van een katalysator (platina, maar later werd dit vervangen door divanadium pentaoxide, V2O5, omdat dit goedkoper was) tot de vorming van SO3:
2SO2 + O2 -> 2SO3
Normaal gaat men dit SO3 dan oplossen in water, maar eerst wordt het behandelt met zwavelzuur. Deze toch wel vreemde methode heeft natuurlijk zijn redenen. Als men SO3 rechtstreeks aan water gaat toevoegen, heeft het de neiging om een damp te vormen waar de binding tussen de SO3 en H2O deeltjes slecht en traag verloopt. Als men dus eerst het SO3 behandelt met zwavelzuur, wat het dizwavelzuur vormt, zal dit de reactie met H2O verbeteren.
SO3 + H2SO4 -> H2S2O7
H2S2O7 + H2O -> 2H2SO4
Deze methode zal zwavelzuur produceren met een concentratie van ongeveer 97 %, wat een stuk sterker is als bij het loodkamer proces.
Maar waarom is zwavelzuur nu juist zo belangrijk?
Waar wordt het dan overal in gebruikt?
65 procent van de totale zwavelzuurproductie zal later worden gebruikt in de synthese van meststoffen. Een ander deel gaat naar de productie van andere chemicaliën, zoals onder andere zoutzuur (HCl). Hier wordt het HCl gas geproduceerd door de reactie van zwavelzuur met keukenzout, waarna men het oplost in water ter vorming van het zuur.
Als men deze reactie uitvoert kunnen er twee mogelijkheden optreden die afhankelijk zijn van de temperatuur:
NaCl + H2SO4 -> NaHSO4 + HCl
2NaCl + H2SO4 -> Na2SO4 + 2HCl
De bovenste reactie zal vooral optreden rond een temperatuur van ongeveer 150°C terwijl de andere dit doet rond de 550°C.
Buiten deze twee toepassingen zal zwavelzuur nog in talloze andere reacties meehelpen tot de vorming van nieuwe en bruikbare producten.
• Vulkaniseren van rubber
Rubber, zoals we het nu kennen, is niet meer zoals vroeger.
Het sap afkomstig van de rubberboom (Hevea Brasiliensis).
Iedere dag schraapt de rubbertapper met een rondgebogen mesje een smal reepje schors weg, waarna de kleverige latex tevoorschijn komt. De melkachtige substantie vloeit langs de schuin aflopende tapsnede naar een reservoir dat in de stam van de boom geslagen is.
Als men deze vloeistof laat drogen ontstaat er latex, die nauwelijks bruikbaar is.
In 1839 kwam er echter verandering aan deze toestand. Charles Goodyear kwam op de proppen met een nieuw proces, het vulkaniseren. Hij had ontdenkt wanneer je de natuurlijke rubber verwarmde in aanwezigheid van zwavel een nieuwe en stevigere stof ontstond.
Door te toevoeging van het zwavel ontstonden tussen de ketens van het oorspronkelijke latex zwavelbruggen die de sterkte en elasticiteit van het rubber verbeterde.
De cis-isopreenketens worden door middel van zwavelbruggen met elkaar verbonden.
Beneden ziet u dan weer de visuele voorstelling van het geheel, waarin links de losse latex slierten, en rechts zijn ze gecombineerd door middel van zwavelbruggen.
Natuurlijk was dit een prachtige uitvinding, maar door de stijging van de auto-industrie in de jaren dertig is men naar nieuwe oplossingen moeten gaan zoeken omdat de natuurlijke bronnen niet meer instaat waren om zo’n hoeveelheden te leveren.
Een van deze oplossingen is het SBR, ofwel een coploymeer van styreen en butadieen. Uiteindelijk wordt hier op dezelfde manier tewerk gegaan. Eerst ziet men dat er lange ketens worden gevormd die men vervolgens weer met zwavel gaat bewerken tot de vorming van een goed en bruikbaar rubber.
Naargelang de toepassingen waarin men het rubber wil in gebruiken zal men de zwavelconcentratie laten variëren van
1 – 5 %. Hoe meer zwavel men toevoegt, hoe harder het uiteindelijke rubber zal zijn.
• Zwavel in conserveringsmiddelen
Het gebruik van zwavel als desinfecteringsmiddel gaat al terug tot in de oudheid. Hier werd toen zwavel verbrand om zo bacteriën en andere onreinheden uit het huis te verdrijven.
Het ging hier dan om SO2, dat, samen met enkele zouten, tegenwoordig nog altijd wordt gebruikt in de voedingsindustrie.
Dikwijls wordt het gebruikt om verkleuring en schimmel tegen te gaan. De aanwezigheid van deze stoffen kunnen we herkennen door naar de ingrediënten te kijken. Het gaat hier dan om de conserveringsmiddelen E220 tot E228. Hieronder een overzicht:
E220 Zwaveldioxide
E221 Natriumsulfiet
E222 Natriumbisulfiet
E223 Natriummetabisulfiet
E224 Kaliummetabisulfiet
E225 Kaliumsulfiet
E226 Calciumsulfiet
E227 Calciumbisulfiet
E228 Kaliumbisulfiet
E220 vinden we het meeste terug, vooral dan in wijnen en gedroogde groeten en fruit. Vroeger werd het ook toegepast in vlees, om kleurveranderingen tegen te gaan, maar sinds enkele jaren is dit verboden. Als SO2 in contact komt met water, zal het zwavelig zuur vormen (SO2 + H2O -> H2SO3). Dit zuur zal het aminozuur thiamine (zie IIA) vernietigen dat essentieel is voor de mens.
• Vuurwerk
Een minder essentiële, maar toch dagelijks gebruikte toepassing van zwavel is vuurwerk.
Door z’n sterk reducerende eigenschappen kan zwavel, samen met sterk oxiderende producten, een zeer brandbaar en explosief mengsel vormen.
Als sterke oxidator wordt meestal salpeter (KNO3 – Kaliumnitraat) gebruikt. Maar deze samenstelling is niet nieuw. Verschillende bronnen vertellen dat het buskruit (Zwavel – Koolstof – Salpeter) reeds was gekend bij de Chinezen, waar het dan ook is uitgevonden.
Bij knalvuurwerk is het hoofdbestanddeel papier (80-90 %), en de rest het explosieve mengsel, ook wel sas genoemd.
Hierin zit dan die sterke oxidator, zoals kaliumnitraat (KNO3) of kaliumchloraat (KClO3). Hierbij voegt men allerlei zouten om de nodige kleuren te verkrijgen.
-> Blauw: CuCl2
-> Rood: SrCO3 ; Sr(NO3)2
-> Geel: Ba(NO3)2 ; Na2C2O4
-> Groen: BaCO3 ; Ba(NO3)2
-> Oranje: CaSO4
Naargelang de uiteindelijke bedoeling van het soort sas (Drijfsas, knalsas, …) wordt de hoeveelheid zwavel erin aangepast.
Ook voor de lonten wordt een pap gebruikt van buskruit en dextrine, een oligosaccharide (Gluciden die ontstaan door de condensatie van 2 tot 8 mono-saccharide moleculen.
• Natrium – Zwavel batterij
De positieve pool van de batterij staat in contact met vloeibaar zwavel. De negatieve pool dan weer met gesmolten natrium.
Deze twee vloeistoffen worden van elkaar gehouden door de aluminium buis. Deze zal er voor zorgen dat tijdens het ontladen alleen de Na+ atomen er door kunnen. Ze zullen reageren met het zwavel ter vorming van Na2S4 (2Na + 4S -> Na2S4). Bij dit ionen transport komen er elektronen vrij die zullen zorgen voor een voltage van ongeveer 2V. Doordat dit proces ook omgekeerd kan voorkomen, wordt de batterij op ongeveer 300°C gehouden, zodat Na en S vloeibaar blijven.
De processen die er in de batterij optreden, zijn als volgt:
2Na -> 2Na+ + 2e-
xS + 2e- -> Sx-2
De x van zwavel varieert van 2,7 tot 5.
Natuurlijk wordt zo’n cel niet apart gebruikt. Men gaat ongeveer 49 cellen per module samenvoegen, en een grote batterij bestaat uit 20 modules die in totaal een 200 V leveren, wat veel meer is als een loodaccu.
Men verwacht dat deze batterij later auto’s van stroom zal kunnen voorzien, of ergens z’n toepassing in de ruimte vindt.
Als dit ooit in werking kan gebracht worden betekend dat een serieuze verbetering op het vlak van milieu. Niet te vergeten een enorme besparing op de fossiele brandstoffen, die dreigen op te geraken. De nadelen zijn wel dat de batterij traag oplaad en dat het geheel altijd op hoge temperatuur moet gehouden worden. Ook het feit dat natrium zeer heftig reageert met water, maakt dat de batterij toch wel vrij onhandig is in gebruik.
• Lichaamsverzorging
We situeren ons hier vooral op haarverzorging.
Allereerst wil ik nog eens verwijzen naar IIA, waar ik het had over eiwitten, en de disulfide bruggen die er in voorkwamen.
Haar bestaat voornamelijk uit het eiwit keratine. Door een tekort aan die eiwit krijgen we ook droog en dof haar.
Net als in andere eiwitten, komen in keratine ook zwavelbruggen voor, die zorgen voor de samenhang ervan.
Bij de vorming van bv. een permanent, zal men eerst met een sterke reductor (permanentvloeistof) de disulfidebruggen vernietigen. Meestal gaat het over een basische vloeistof met thioglycolzuur (CH2SH-COOH). Hieronder ziet u hoe dit tewerk gaat:
R-S – S-R + 2 CH2SH-COOH -> 2R-SH + HOOC-CH2S-SCH2-COOH
Je ziet dus dat de permanentvloeistof de binding tussen de twee zwavelatomen verbreekt, waardoor ze vervolgens weer binding met een waterstof (H) atoom.
Zodra men de gewenste vorm van het haar heeft, kan men ze weer fixeren met een sterkte oxidator zoals waterstofperoxide (H2O2). Deze zal de SH bindingen weer oxideren ter vorming van een disulfidebrug.
De bovenstaande toepassingen zijn maar een kleine greep uit het gigantisch aantal toepassingen dat zwavel met zich mee brengt.
Zo blijkt nog maar eens dat zwavel een onmisbaar element is in onze huidige maatschappij.
REACTIES
1 seconde geleden
T.
T.
Bedank voor de nuttige informatie. Ik doe een (scheikundig) onderzoek over hoofdhaar. Kun je wellicht de bronnen leveren die je gebruikt hebt voor je deel over de keratine?
Alvast bedankt!
9 jaar geleden
Antwoorden