H2S ist die chemische Formel für die Verbindung Schwefelwasserstoff. Schwefelwasserstoff ist eine kovalente Verbindung, die aus 2 Wasserstoffatomen besteht, die an ein zentrales Schwefelatom gebunden sind. Wie Wasser (H20) ist Schwefelwasserstoff ein Wasserstoffchalcogenid – eine Verbindung aus Wasserstoff und einem Element der Gruppe 16 (Sauerstoff, Schwefel, Selen, Tellur). Schwefelwasserstoff ist aufgrund seiner unpolaren H-S-Bindungen unpolar. Der EN-Unterschied zwischen Wasserstoff und Schwefel beträgt 0,4, so dass Wasserstoff und Schwefel unpolare Bindungen bilden. Obwohl es eine asymmetrische Molekülgeometrie aufweist, ist das gesamte Molekül unpolar, da keine polaren Bindungen vorhanden sind.
Schwefelwasserstoff tritt am häufigsten als Produkt der anaeroben Atmung sulfidogener Organismen auf. So verwenden einige Bakterien, die in Abwesenheit von Sauerstoff arbeiten, während der Zellatmung Sulfationen (SO4-) als terminalen Elektronenakzeptor, der sie zu H2S reduziert. Mit anderen Worten: Sulfidogene Organismen atmen Schwefel ein und atmen Schwefelwasserstoff aus. Umgekehrt fungiert in aeroben Organismen molekularer Sauerstoff (O2) als terminaler Elektronenakzeptor während der Atmung, der zu H2O reduziert wird. Schwefelwasserstoff ist auch das Produkt von Prozessen in Vulkanen und Erdgasformationen.
Schwefelwasserstoff ist bekannt für seinen stechenden Geruch, der als faulige Eier beschrieben wird. Er ist brennbar und reagiert mit Wärme und Sauerstoff unter Bildung von Schwefeldioxid (SO2) und Wasser. Schwefelwasserstoff ist in großen Mengen für den Menschen giftig. Seine Toxizität ist mit der von Kohlenmonoxid (CO) vergleichbar. Wenn Schwefelwasserstoff eingeatmet wird, bindet er sich an Enzyme in den Mitochondrien, was die Zellatmung verhindert.
Polarität in Kürze
Im Wesentlichen ist die Polarität in der Chemie ein Maß dafür, wie gleichmäßig die Elektronen in einem Molekül verteilt sind. Wenn zwei Atome eine kovalente Bindung eingehen, tun sie dies, indem sie Valenzelektronen teilen. Jedes Element hat eine Elektronegativität, die ein Maß dafür ist, wie stark es Elektronen anzieht. Wenn zwei Elemente, die sich in ihrer Elektronegativität stark unterscheiden, eine kovalente Bindung eingehen, zieht das elektronegativere Element stärker an den gemeinsamen Elektronen als das weniger elektronegative Element. Das Ergebnis ist, dass die gemeinsam genutzten Elektronen näher an das elektronegativere Element gezogen werden.
Durch die ungleiche Verschiebung der elektrischen Ladungen im Molekül erhält das elektronegativere Element eine teilweise negative Ladung und das weniger elektronegative Element eine teilweise positive Ladung. Das bedeutet, dass ein Molekül polar ist; es hat aufgrund der ungleichmäßigen räumlichen Verteilung der Elektronen einen teilweise geladenen Dipol in seiner Struktur.
Ob zwei Atome eine polare oder unpolare Bindung eingehen, hängt von den jeweiligen Elektronegativitäten dieser Elemente ab. Wenn zwei Elemente einen EN-Unterschied zwischen 0,5 und 2 haben, wird die Bindung im Allgemeinen als polar angesehen. Liegt die Differenz unter 0,5, so gilt sie als funktionell unpolar. Ist die Differenz größer als 2, so ist die Bindung vollständig polar und wird richtiger als Ionenbindung bezeichnet.
Ein Wassermolekül ist beispielsweise aufgrund seiner H-O-Bindungen polar. Wasserstoff hat einen EN-Wert von 2,1 und Sauerstoff einen EN-Wert von 3,5. Die Differenz zwischen diesen beiden Werten beträgt 1,4, so dass H-O-Bindungen als polar gelten, wobei der Sauerstoff teilweise negativ geladen ist.
Die Polarität von Schwefelwasserstoff
Anhand der vorangegangenen Lektion über Polarität können wir herausfinden, ob Schwefelwasserstoff eine polare Verbindung ist. Wasserstoff hat einen EN-Wert von 2,1 und Schwefel einen EN-Wert von 2,5. Der Unterschied zwischen diesen beiden Werten ist kleiner als 0,5, so dass H-S-Bindungen als unpolar eingestuft werden. Da Schwefelwasserstoff ausschließlich aus unpolaren H-S-Bindungen besteht, ist das gesamte Molekül unpolar.
Streng genommen sind die H-S-Bindungen nicht völlig unpolar. Schwefel ist etwas elektronegativer als Wasserstoff, so dass er etwas stärker an den gemeinsamen Elektronen zieht. Diese Polarität ist jedoch sehr schwach, und in der Praxis ist es sinnvoll, sehr schwach polare Bindungen so zu behandeln, als ob sie überhaupt nicht polar wären. Obwohl also H-S-Bindungen technisch gesehen ein wenig polar sind, kann man sie in den meisten Fällen so behandeln, als seien sie unpolar. Die einzigen wirklich unpolaren Bindungen werden zwischen Atomen mit identischen EN-Werten gebildet (wie die zweiatomigen Moleküle). Die sehr geringe Polarität von Schwefelwasserstoff hat in kleinen Maßstäben erhebliche Auswirkungen, so dass es unter bestimmten Umständen angebracht wäre, H-S-Bindungen als polar zu behandeln.
Schwefelwasserstoff als Verbindung
Schwefelwasserstoff ist ein triatomisches (dreiatomiges) Molekül, das aus einem zentralen Schwefelatom und zwei terminalen Wasserstoffatomen besteht. Wie ein Wassermolekül hat Schwefelwasserstoff eine gekrümmte geometrische Struktur mit einem Bindungswinkel von 92,1° und Bindungslängen von 136 Picometern (1 Picometer = 1 Billionstel Meter). Er ist etwas dichter als Luft und in Gegenwart von Sauerstoff und Wärme explosiv. Schwefelwasserstoff ist schwach wasserlöslich und zerfällt in ein einzelnes Proton (H+) und ein Schwefelwasserstoff-Ion (HS-). Dieses Verhalten macht Schwefelwasserstoff zu einer schwachen Säure.
Schwefelwasserstoff ist brennbar und reagiert mit Sauerstoff und Wärme unter Bildung von Schwefeldioxid und Wasser. Bei hohen Temperaturen wandelt sich Schwefeldioxid in elementaren Schwefel und Wasser um, so dass die Verbrennung von Schwefelwasserstoff häufig als einer der Schritte zur Herstellung von reinem elementarem Schwefel verwendet wird. Er reagiert mit Metallionen unter Bildung von Metallsulfiden, am häufigsten mit Blei (Pb) unter Bildung von Blei(II)-sulfid (PbS). Umgekehrt führt die Behandlung von Metallsulfiden mit einer starken Säure zur Bildung von Schwefelwasserstoff.
Vorkommen von Schwefelwasserstoff
Anaerobe Atmung
Eine der wichtigsten natürlichen Quellen von Schwefelwasserstoff ist die Aktivität sulfidogener Bakterien. Sulfidogene Bakterien verwenden Schwefel anstelle von Sauerstoff für ihren Stoffwechsel. Während der sulfidogenen Atmung verwenden die Bakterien Sulfationen als Reduktionsmittel, um Elektronen auf dem Elektronentransportweg zu transportieren. Am Ende dieser Reaktion werden die Sulfat-Ionen zu Schwefelwasserstoff reduziert, der in die Umwelt freigesetzt wird. Die Aktivität der sulfidogenen Bakterien und ihre Schwefelwasserstoffprodukte sind für den fauligen Geruch verantwortlich, den man an Orten mit großen Mengen verrottender organischer Materie, wie Sümpfen oder Abwasserkanälen, wahrnimmt.
Die Aktivität der sulfidogenen Bakterien ist von entscheidender Bedeutung für den Schwefelkreislauf auf der Erde. So ist Schwefelwasserstoff einer der Hauptbestandteile des Schwefelkreislaufs. Der Schwefelkreislauf ist der Prozess, durch den Schwefel durch die Umwelt, in lebende Organismen und zurück in die Umwelt gelangt. Da Schwefel ein notwendiges Spurenelement für lebende Organismen ist, sorgt der Schwefelkreislauf für einen konstanten Vorrat an elementarem Schwefel, der von lebenden Organismen genutzt werden kann. Die Produktion von Schwefelwasserstoff durch sulfidogene Bakterien ist ein wichtiger Schritt in diesem Kreislauf; die Produktion von Schwefel, der schließlich seinen Weg in lebende Organismen findet.
Geologische Aktivität
Geringe Mengen von Schwefelwasserstoff werden auch in geochemischen Reaktionen in der Erdkruste produziert. Die Erdkruste enthält große Mengen an Schwefel und schwefelhaltigen Mineralien. Unter Einwirkung von Hitze und Druck werden Metallsulfidverbindungen mit Wasser hydrolysiert und bilden ein Metalloxid und Schwefelwasserstoffgas. Schwefelwasserstoff ist somit ein natürliches Produkt des Prozesses, bei dem Erdgas entsteht. Tatsächlich wird eine große Menge an Schwefelwasserstoff durch die Abtrennung von Schwefelwasserstoff aus Erdgaslagerstätten gewonnen. Ähnliche Mechanismen führen auch zur Bildung von Schwefelwasserstoff in thermischen Meeresschloten.
Im Menschen
Obwohl Schwefelwasserstoff in großen Mengen für den Menschen extrem giftig ist, spielen kleine Mengen Schwefelwasserstoff in der menschlichen Biologie eine entscheidende Rolle. Schwefelwasserstoff wirkt im Körper oft als Signalmolekül, das die Menge der ATP-Produktion während der Zellatmung reguliert. Schwefelwasserstoff scheint auch an der Vasokonstriktion tierischer Blutgefäße und an der Geschwindigkeit der Keimung von Pflanzen beteiligt zu sein.
Toxizität von Schwefelwasserstoff
Im Allgemeinen ist Schwefelwasserstoff für obligate Sauerstoffatmer sehr giftig. Seine Wirkungsweise ist ähnlich wie die von Kohlenmonoxid. Schwefelwasserstoff bindet sich an wichtige Enzyme und Cofaktoren und hindert sie daran, ihre Aufgabe bei der Zellatmung zu erfüllen. Da Schwefelwasserstoff im menschlichen Körper natürlich produziert wird, verfügt der Körper über Mechanismen zur Beseitigung von Schwefelwasserstoff, die jedoch bei einer ausreichend hohen Dosis außer Kraft gesetzt werden können.
Die Symptome einer Schwefelwasserstoffvergiftung ähneln denen einer Kohlenmonoxidvergiftung: Müdigkeit, Schwindelgefühl, Konzentrationsschwäche, Gedächtnisverlust und Reizbarkeit. Obwohl der Geruch zunächst stechend ist, gewöhnt sich der Körper schnell an den Geruch, was dazu führen kann, dass man ihn nicht mehr wahrnimmt. Da es etwas dichter als Luft ist, neigt es dazu, sich in schlecht belüfteten Räumen am Boden anzusammeln. Der menschliche Körper kann geringe Konzentrationen von Schwefelwasserstoff einige Zeit lang tolerieren. In hohen Konzentrationen kann das Einatmen von Schwefelwasserstoff sofort tödlich sein oder schwere Hirnschäden verursachen.
In der Vergangenheit haben Ärzte extreme Fälle von Schwefelwasserstoffvergiftungen diagnostiziert, indem sie eine Kupfermünze in die Tasche des Opfers steckten. Wenn der Patient große Mengen an Schwefelwasserstoff im Körper hat, reagiert er mit der Kupfermünze in der Tasche, oxidiert sie und färbt sie grün.