Stell Dir vor, Du hast gerade Mittagspause und sitzt mit Deiner Cola und Deinen belegten Broten auf einer Bank im Schulhof. Dabei wirfst Du einen Blick auf das Etikett Deiner Cola. Sofort springt Dir der Inhaltsstoff Phosphorsäure ins Auge und Du fragst Dich, welche Rolle wohl Phosphorsäure in Cola spielt. Warum ist da bloß Phosphorsäure drin?
Phosphorsäure Strukturformel
Phosphorsäure wird auch als ortho-Phosphorsäure bezeichnet. Es ist eine Sauerstoffsäure von Phosphor und sie nimmt eine zentrale Stellung unter den anorganischen Säuren ein. In Abbildung 1 kannst Du die Strukturformel von Phosphorsäure sehen.
Abb. 1: Strukturformel von Phosphorsäure
Die Summenformel von Phosphorsäure lautet H3PO4. Du kannst an der Summenformel erkennen, dass die Säure drei Wasserstoffatome besitzt. Alle drei Wasserstoffatome können als Protonen abgegeben werden. Solche Säuren werden dreiprotonig genannt. Über dieses Thema erfährst Du später mehr.
Phosphorsäure Eigenschaften
In diesem Abschnitt beschäftigst Du Dich etwas näher mit den Eigenschaften von Phosphorsäure. In der Tabelle siehst Du zunächst einen kleinen Überblick.
| Eigenschaften von Phosphorsäure | |
| Aussehen | Farblos |
| Aggregatzustand | Feststoff |
| Geruch | ohne Geruch |
| Molare Masse | 98 \(\frac{g}{mol}\) |
| Dichte | 1,87 \(\frac{g}{cm^3}\) (bei einer Temperatur von 25 °C) |
| Schmelzpunkt | 42,35 °C |
| Siedepunkt | 213 °C (Es kommt zur Abspaltung von Wasser und somit zum Zersetzen.) |
| Löslichkeit | vollständig in Wasser löslich |
| pKs1 | 2,16 |
| pKs2 | 7,21 |
| pKs3 | 12,32 |
| Elektrische Leitfähigkeit | gut |
| weitere Eigenschaften | hygroskopisch |
| Konzentration | 83%ige bis 90%ige Lösung mit Wasser |
Tab. 1: Überblick über die Eigenschaften von Phosphorsäure
Phosphorsäure pH-Wert
Wie Du bereits gelernt hast, ist Phosphorsäure eine dreiprotonige Säure. Das bedeutet, die Säure kann drei Protonen abgeben. Dabei entstehen Oxonium-Ionen (H3O+). Demnach besitzt Phosphorsäure auch drei pKs-Werte, die in Tabelle 1 aufgelistet sind. Dabei erfolgt die Protonenabgabe bei Phosphorsäure stufenweise. Im ersten Schritt entsteht Dihydrogenphosphat. Hydrogenphosphat bildet sich durch Abspaltung des zweiten Protons und am Ende liegt Phosphat vor.
Phosphorsäure Reaktionsgleichung
Phosphorsäure kann mehrere Reaktionen eingehen, wovon Du einige kennenlernst. Wie Du bereits weißt, kann Phosphorsäure ein oder mehrere Protonen abgeben. Deswegen ist eine Säure-Base-Reaktion möglich. Ein Beispiel ist die Reaktion von Phosphorsäure mit Ammoniak. Dabei nimmt Ammoniak das von der Phosphorsäure abgespaltene Proton auf. Es bilden sich Dihydrogenphosphat-Ionen und Ammonium-Ionen. Die Reaktionsgleichung beschreibt diese Reaktion.
$$H_3PO_4 + NH_3 \rightarrow H_2PO_4^- + NH_4^+$$
Zwischen Phosphorsäure und Natronlauge findet eine Neutralisation statt. Das bedeutet, dass die Protonen der Phosphorsäure und die Hydroxid-Ionen der Natronlauge Wasser bilden. Demnach kommt es zur Entstehung von Wasser und Trinatriumphosphat, wie Du in der Reaktionsgleichung sehen kannst.
$$H_3PO_4 + 3 \space NaOH \rightarrow Na_3PO_4 + 3 \space H_2O$$
Des Weiteren können zwei Phosphorsäure-Moleküle miteinander reagieren. Hierbei spaltet sich Wasser ab und es entsteht ein Diphosphatester. Dieser Ester ist auch bekannt unter dem Namen Pyrophosphat.
Phosphorsäure Vorkommen
In Deinem Körper spielen Phosphorsäurester und Polyphosphate eine zentrale Rolle. Denn drei Phosphat-Moleküle bilden zusammen mit Adenin und Ribose Adenosintriphosphat, abgekürzt ATP. ATP ist einfach gesprochen der Energieüberträger in Deinem Körper. Wenn für eine Reaktion im menschlichen Körper Energie benötigt wird, werden ein oder zwei Phosphatverbindungen abgespalten und es wird Energie frei.
Nicht nur im Energiestoffwechsel spielt Phosphorsäure eine zweite Rolle, sondern sie ist auch eine Komponente in der DNA und RNA. In der DNA beziehungsweise RNA sind jedoch zwei Wasserstoffatome der Phosphorsäure durch Kohlenstoffatome ausgetauscht. Zusammen mit Ribose bildet Phosphorsäure das Rückgrat der DNA beziehungsweise RNA.
Außerdem ist Phosphat wichtig für Deine Knochen. Denn Deine Knochen sind aus Hydroxylapatit gemacht. Hydroxylapatit enthält circa 40 % Calcium und etwa 60 % Phosphat.
Phosphorsäure Herstellung
Die Herstellung von Phosphorsäure ist auf zwei Wegen möglich. Hier lernst Du beide Möglichkeiten kurz kennen.
Ein Verfahren ist die Herstellung von Phosphorsäure aus Apatit, Rohphosphat. Apatit hat die Summenformel Ca5(PO4)3X, wobei das X entweder Fluoridionen, Chloridionen oder Hydroxid-Ionen sein können. Um Phosphorsäure zu gewinnen, wird Apatit mit Schwefelsäure versetzt. Alternativen zu Schwefelsäure sind Salzsäure oder Salpetersäure. Die Reaktionsgleichung zeigt Dir die stattfindende Reaktion.
$$Ca_3(PO_4)_2 + 3 \space H_2SO_4 \rightarrow 3 \space CaSO_4 + 2 \space H_3PO_4$$
Apatit und Schwefelsäure reagieren zu Phosphorsäure und dem Nebenprodukt Calciumsulfat. Als weiteres Nebenprodukt kann sich Hexafluorokieselsäure bilden. In nachfolgenden Schritten werden beide Nebenprodukte von Phosphorsäure abgetrennt. Calciumsulfat wird mittels Filtration und Hexafluorokieselsäure durch Verdampfen abgetrennt.
Die zweite Methode ist die Gewinnung aus Phosphor. Da die Säure das Element Phosphor beinhaltet, kann die Säure daraus hergestellt werden. Dazu wird Phosphor verbrannt und es entsteht Phosphorpentoxid, wie Du in der Reaktionsgleichung erkennen kannst.
$$P_4 + 5 \space O_2 \rightarrow 2 \space P_2O_5$$
Anschließend wird Wasser hinzugegeben. Durch die Reaktion mit Wasser wird Phosphorpentoxid gespalten und es bildet sich Phosphorsäure. Es findet eine Hydrolyse statt. Die Reaktionsgleichung stellt diese Reaktion dar.
$$P_2O_5 + 3 \space H_2O \rightarrow 2 \space H_3PO_4$$
Phosphorsäure Verwendung
Phosphorsäure spielt bei mehr alltäglichen Produkten eine Rolle, als Du denkst. Hier erfährst Du auch, wie Deine Cola Phosphorsäure zusammenhängt. Denn Phosphorsäure ist ein Säuerungsmittel, das in Cola, Getränken und Lebensmitteln vorhanden ist. Zudem wird Phosphorsäure als Konservierungsmittel, Säureregulator und Antioxidans in Lebensmitteln verwendet.
Phosphorsäure wird als Ausgangsmaterial genutzt, um Waschmittel und Dünger zu produzieren. Zudem kannst Du mithilfe von Phosphorsäure Rost von Deinen Oberflächen aus Eisen entfernen. Dafür gibst Du Phosphorsäure auf Deinen rotbraunen Rost, der aus Eisen-(III)-oxid besteht. Dadurch entsteht schwarzes Eisen-(III)-phosphat. Das Eisenphosphat kannst Du dann ganz einfach abspülen.
Im Labor findet Phosphorsäure Verwendung, um Phosphatpuffer herzustellen. Auch im technischen Bereich wird Phosphorsäure genutzt – genauer gesagt in Phosphorsäurebrennstoffzellen. In diesen Brennstoffzellen ist Phosphorsäure der Elektrolyt.
Phosphorsäure – Das Wichtigste
- Phosphorsäure Strukturformel: Phosphorsäure, die auch ortho-Phosphorsäure genannt wird, besitzt die Summenformel H3PO4.
- Phosphorsäure pH-Wert: Phosphorsäure ist eine dreiprotonige Säure. Damit hat sie drei pKs-Werte.
- Sie kann Säure-Base-Reaktionen eingehen. Wenn zwei Phosphatsäure-Moleküle miteinander reagieren, bildet sich Diphosphatester.
- Phosphorsäure kommt in ATP, einem Energieüberträger im menschlichen Körper, sowie in der DNA und RNA vor.
- Phosphorsäure Herstellung: Sie wird entweder aus Apatit durch Reaktion mit Schwefelsäure oder durch Verbrennung von Phosphor erzeugt.
- Phosphorsäure wird in der Lebensmittelindustrie, zum Entfernen von Rost, zur Herstellung von Phosphatpuffern, Waschmittel und Dünger sowie in Phosphorsäurebrennstoffzellen verwendet.
Nachweise
- roempp.thieme.de: Phosphorsäure. (29.05.2014)
- gestis.dguv.de: Phosphorsäure. (20.01.2022)
- Abb. 1: Struktur von Phosphorsäure (https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Phosphors%C3%A4ure_-_Phosphoric_acid.svg) von NEUROtiker, gemeinfrei
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