De zwavelconcentratie in zeewater ligt bij ongeveer 870-930 ppm, terwijl rivierwater over het algemeen slechts rond de 4 ppm van dit element bevat. In anorganische vorm komt zwavel in water vooral als SO42-, maar ook als HSO4- en in de sterk gereduceerde vormen HSO3-, SO3, SO2 en HS- voor. In zeewater is ook NaSO4- aanwezig.
Elementair zwavel is in water stabiel en reageert er dus niet mee. Dit is bij een aantal zwavelverbindingen wel het geval. Een voorbeeld is zwaveldioxide dat bij het inbrengen in water reageert tot zwaveligzuur. De reactievergelijking luidt dan:
SO2 + H2O -> H2SO3
Zwaveltrioxide vertoont bij contact met water soms zelfs explosieachtige reacties en vormt zwavelzuur. Sulfurylchloride reageert heftig met water onder vorming van het agressieve chloorsulfonzuur. Met veel water reageert de verbinding tot chloorwaterstof en zwavelzuur.
Zwavel zelf is in water onoplosbaar. Ook zware metaalsulfiden gelden als bijna onoplosbaar. Zwavelwaterstof is echter tot 94 g/L in water oplosbaar en zwavelhexafluoride heeft een oplosbaarheid van 40 mg/L. Ook sulfaten vertonen meestal een goede oplosbaarheid in water.
Oplosbaarheid en waardoor deze beïnvloed kan worden Zwavel komt via de natuurlijke zwavelcyclus in de verschillende milieucompartimenten en dus ook in water terecht. Zo is hij bijvoorbeeld in de buurt van vulkanen te vinden. Ook een aantal mineralen bevatten zwavel. Hierbij kan men bijvoorbeeld denken aan chalcopyriet, borniet of milleriet. Bovendien is sulfaat bestanddeel van gips. Op deze manier komt zwavel in minerale bronnen en oppervlaktewateren terecht. Ook in sedimenten met een hoog organisch aandeel is zwavel, vooral in vorm van sulfiden, te vinden. Het element komt in de natuur echter ook in elementaire vorm voor. Zwavelwaterstof is een bestanddeel van aardgas en organozwavelverbindingen maken onderdeel uit van steenkool en aardolie.
Zwavel wordt echter ook op commercieel gebied toegepast. De hoofdbron is in dit geval zwavelwaterstof afkomstig uit aardgas. Zo wordt het element vaak in pesticiden gebruikt en pure zwavel werd vroeger als fungicide toegepast. Het zwavelbevattende aminozuur methionine wordt als additief aan veevoer toegevoegd om de concentratie van deze stof in melk en vlees te verhogen. Zwaveldioxide doodt bacteriën, heeft een antioxidatieve werking en bewaart voedsel, vooral groente, fruit en wijn, voor verkleuring. Ook in smaakversterkers en zoetstoffen kan het element toegepast worden. Andere zwavelverbindingen worden in de farmaceutische industrie verwerkt en ook penicilline bevat dit element.
Een van de waarschijnlijk bekendste gebruiksdoeleinden voor zwavel is de vulkanisatie van rubber. Maar ook bij de staalproductie wordt het element toegepast. Zo wordt aan een aantal staalsoorten ongeveer 0,2-0,3% zwavel toegevoegd om zij eenvoudiger te kunnen verwerken. Beton kan zwavel bevatten die het materiaal in dit geval stabieler tegen corrosie maakt.
In de chemische industrie wordt zowel zwavelzuur geproduceerd, als ook verwerkt. Het is de in de industrie meest gebruikte chemische stof. Zwavelwaterstof kan als bleekmiddel toegepast worden. Bovendien is het element in antivriesmiddel, buskruit, vuurwerk, oplosmiddelen en batterijen te vinden en wordt het bij de productie van papier, lucifers, cellofaan, smeerstoffen, verf en email toegepast.
Een groot aandeel aan het vrijkomen van zwavel in het milieu heeft ook de verbranding van steenkool, aardgas en aardolie, waarbij zwaveldioxide ontstaat. Steenkool heeft bijvoorbeeld een zwavelgehalte van 2-3%. Bovendien levert het roosteren van zwavelhoudende ertsen en metaal een bijdrage hieraan. Moderne technologieën bieden de mogelijkheid om zwaveldioxide uit de metaalproductie in zwavelzuur om te zetten. Ook stookolie bevat inmiddels minder zwavel.
Sulfaat kan in grote hoeveelheden uit onvoldoende beveiligde stortplaatsen voor huishoudelijk afval, baggerspecie of chemisch afval vrijkomen. Het kan als indicatorstof dienen, omdat bij de aanwezigheid van sulfaat ook vaak andere stoffen in bodem en water verspreid zijn.
Het radioactieve isotoop 35S wordt bij wetenschappelijk onderzoek als tracer gebruikt.
De zwavelcyclus is de meest verstoorde natuurlijke cyclus. Het element is essentieel voor alle soorten organismen, ook omdat het bestanddeel van een groot aantal proteïnen is.
Zwavel is ook een van de hoofdbestanddelen van de grond. Zo bevat normale luchtdroge grond circa 200-2000 ppm van het element. In de bovenste bodemlagen is het voor een groot deel organisch gebonden. Het zwavelgehalte van veengrond en moerassen kan zelfs bij 35000 ppm liggen en bij gipsgrond wordt deze waarde nog overschreden.
In plantaardig materiaal is een zwavelconcentratie van circa 0,06-1% (drogestofgehalte) te vinden. Een tekort aan dit element dat planten in vorm van sulfaat opnemen, is vrij zeldzaam. Een te hoge zwaveltoevoer kan in de meeste gevallen relatief goed getolereerd worden. Hij kan wel een donkergroene verkleuring van de bladeren veroorzaken en de opbrengst van de oogst verminderen. De schadelijke werking ligt echter meer aan de osmotische werking, omdat sulfaat heel goed oplosbaar is. Zijn verspreidingspotentiaal geldt daarom ook als hoog. Bij een heel hoge sulfaatinbreng in de grond wordt vaak gips gevormd dat slechts matig oplosbaar is en op deze manier de schadelijkheid weer beperkt. In extreem natte grond zijn beschadigingen van de beplanting gebruikelijker, omdat onder deze condities sulfaat tot sulfide gereduceerd kan worden, dat als hydrogeensulfide een negatief effect op de planten heeft.
Bovendien reageren planten gevoelig op zwaveldioxide. Al een concentratie van 1-2 ppm kan het fotosyntheseproces storen. Het gas is ook medeveroorzaker van de zure regen en de zure wintersmog.
Zwaveldioxidegas dat van nature in geringe concentraties voorkomt, maar door menselijke activiteiten in grote hoeveelheden wordt geëmitteerd, lost op in regendruppels waarbij zwaveligzuur ontstaat (SO2 + H2O -> H2SO3). Een andere mogelijkheid is de voorafgaande oxidatie tot zwaveltrioxide dat in water zwavelzuur vormt (SO3 + H2O -> H2SO4). De zure regen zorgt voor een verzuring van de grond, wat wederom tot een beschadiging van de begroeiing leidt, en tot een hoger zuurgehalte van oppervlaktewateren. Dit heeft als gevolg dat een aantal vissoorten zich slechter kunnen voortplanten. Door bemesting met kalk kan een verzuring tegengewerkt worden. Gebeurt dit niet is het bovendien mogelijk dat metaalionen door het zuur uit gesteentes vrijkomen en zelfs dierlijk leven kunnen vernietigen.
Zwavel zelf geldt als niet waterbedreigend. Een aantal zwavelverbindingen kan echter wel in oppervlaktewateren voor een grotere schade zorgen. Zo wordt bijvoorbeeld sulfurylchloride tot de zwak watergevaarlijke stoffen gerekend, terwijl zwavelkoolstof zelfs een nog grotere bedreiging voor natuurlijke wateren betekent. Wat betreft de giftigheid van zwavel, zo heeft hij een LD50-waarde van >5000 mg/kg bij een orale inname door de rat. Deze waarde geeft de letale dosis aan waarbij 50% van een populatie sterft.
Andere zwavelverbindingen spelen eerder een rol bij milieuproblemen in de atmosfeer. Zo is bijvoorbeeld zwavelhexafluoride een verbinding met een broeikaspotentiaal dat ongeveer 10000 keer groter is dan dat van koolstofdioxide. Natuurlijk heeft ook het broeikaseffect wederom invloed op aquatische ecosystemen.
Een aantal bacteriën betrekken trouwens hun energie uit de oxidatie van zwavel. Zij zijn volkomen onafhankelijk van zonlicht, komen op de grond van de zee en in water in gesteentes voor en worden lithotroof genoemd.
Zwavel heeft vier stabiel en zes instabiele, dus radioactieve, isotopen.
De zwavelconcentratie in het menselijke lichaam ligt bij ongeveer 2000 ppm. Het gaat hierbij om een essentieel element dat bijvoorbeeld in vorm van het aminozuur methonine voor de mens van levensbelang is. Ook in andere aminozuren is zwavel te vinden. Zij kunnen zogenoemde disulfidebruggen tussen peptiden bouwen die vooral in keratine voorkomen, waaruit haar en nagels bestaan. Ook als bestanddeel van co-enzymen, vitaminen, mucopolysacchariden en zwavelzuuresters komt het element voor.
De dagelijkse inname van zwavel ligt bij ongeveer 900 mg, vooral in vorm van proteïnen afkomstig van vlees, vis en soja. Een tekort aan het zwavelbevattende vitamine B1 leidt tot de ziekte beriberi met de symptomen trillen, zenuwverlammingen en zelfs hartinsufficiëntie.
Elementaire zwavel is voor de mens relatief ongiftig, wat echter niet voor al zijn verbindingen geldt. Hij gaat onveranderd door de maag, maar kan bij grote hoeveelheden in de darm naar zwavelwaterstof omgezet worden en laxatief werken. Sulfaat leidt bij een concentratie vanaf circa 300-400 mg/L tot een smaakverandering van voedsel en bij meer dan 600 mg/L veroorzaakt het diaree. Het sulfietion is waarschijnlijk ongeveer 20 keer giftiger dan het sulfaation. Zwavelzuur heeft een invretende werking en leidt bij circa 5 ml oraal ingenomen tot de dood door chemische verbranding van de maag. Zwavelkoolstof beïnvloedt vooral het zenuwstelsel terwijl zwaveldioxide een vernauwing van de luchtwegen kan veroorzaken. Het is bovendien een sterk irriterend longtoxisch stof dat bovendien heel reactief is en op deze manier belangrijke enzymen kan belemmeren. Ook zwavelwaterstof is een giftig gas. Andere zwavelverbindingen kunnen invloed nemen op het DNA en op deze manier kankerverwekkend werken.
Sulfaat is in natuurlijke oppervlaktewateren in concentraties van ongeveer 5-200 mg/L te vinden. Ook in drinkwater kan een waarde van 250 mg/L beter niet worden overschreden, omdat het element de smaak kan beïnvloeden en laxatief kan werken.
Hoge sulfaatgehaltes kunnen in eerste instantie door behandeling met kalk gereduceerd worden. Ook bestaan andere mogelijkheden van coagulatie en ionenwisselaars, omgekeerde osmose, destillatie en elektrodialyse kunnen toegepast worden.
In rioolwaterzuiveringsinstallaties worden zwavelverbindingen met behulp van zwaveloxiderende bacteriën afgebroken. Het sulfaation kan als elektronenacceptor functioneren en gereduceerd worden tot zwavelwaterstof. Deze kan wederom met behulp van aëratie, oxidatie of adsorptie op actief kool verwijderd worden. De oxidatie ter verwijdering van zwavelverbindingen kan bereikt worden door de toepassing van chloor, ozon, permanganaat of waterstofperoxide. Terwijl de EU als maximaal sulfaatgehalte in drinkwater een waarde van 250 mg/L toestaat, wordt in Nederland het strengere maximum van 150 mg/L gehandhaafd. Literatuurverwijzingen
Terug naar het periodiek systeem der elementen
Terug naar de overzicht van elementen en water | | | | |
