Was ist Phosphorsäure?
Phosphorsäure ist neben Stickstoff und Kalium einer der drei Hauptbestandteile von Düngemitteln und ist eine Oxosäure des Phosphors.
Sie wird auch als Orthophosphorsäure bezeichnet. Sie fördert die Blüte und Fruchtbildung bei Pflanzen und ist ein wichtiger Bestandteil der Gene DNA und RNA sowie der Zellmembranen lebender Organismen. Phosphorsäure ist für das Funktionieren des Lebens unerlässlich.
Als natürliche Ressource ist Phosphor in Form von Phosphaterz vorhanden, dessen Erschöpfung Anlass zur Sorge gibt. Zu den industriellen Verfahren zur Herstellung von Phosphorsäure gehören Trocken- und Nassverfahren.
Anwendungen von Phosphorsäure
Phosphorsäure findet in der Industrie breite Verwendung als Rohstoff für verschiedene Phosphate, chemische Schleifmittel für Aluminium, Rostschutzmittel für Metalle, Metallreinigungsmittel, Dosenreinigungsmittel und Feuerfesthilfsmittel, Mittel zur Herstellung von Farben, Belebtschlamm, Phosphatdünger und Reagenzien.
In der Lebensmittelindustrie kann es als Rohstoff für Phosphorsäuren für Säuerungsmittel in verschiedenen Getränken, als pH-Einsteller für Brauereien und als Zusatzstoff für Säfte, Cola und andere Lebensmittel verwendet werden.
Sie wird auch als Rohstoff für Färbereihilfsmittel, petrochemische Katalysatoren und pharmazeutische Zusatzstoffe verwendet.
Eigenschaften von Phosphorsäure
Phosphorsäure hat einen Schmelzpunkt von 42,35 °C und einen Siedepunkt von 407 °C. Im geschmolzenen Zustand ist sie eine farblose, transparente Flüssigkeit.
Sie ist in Wasser, Alkohol und Ether löslich. Flüssige wasserfreie Phosphorsäure ist ein stark saures Medium und weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf.
Struktur der Phosphorsäure
Die chemische Formel der Phosphorsäure lautet H3PO4. Ihre molare Masse beträgt 98,00 g/mol und ihre Dichte bei 25 °C 1,892. Reine Phosphorsäure bildet instabile Kristalle des orthorhombischen Systems.
Phosphorsäure-Ionen haben eine tetraedrische Struktur. Der Bindungsabstand zwischen Phosphor und Sauerstoff (P-O) beträgt in Aluminiumphosphorsäurekristallen 152 pm.
Weitere Informationen zu Phosphorsäure
1. Wie wird Phosphorsäure synthetisiert?
Bei der Verbrennung von Phosphor entsteht Diphosphorpentoxid, das in einer verdünnten Phosphorsäurelösung aufgelöst reine Phosphorsäure ergibt. Diese thermische Synthesemethode ist umweltfreundlich. Allerdings müssen die Verunreinigungen im abgebauten Phosphor entfernt werden.
Phosphorsäure kann durch Reaktion von etwa 35 %iger Schwefelsäure mit Phosphaterz gewonnen werden. Diese Nasssynthesemethode kann durch Filtration gereinigt werden. Allerdings können Verunreinigungen wie Flusssäure beigemischt werden, so dass sie weniger rein ist als die thermische Synthesemethode.
2. Struktur von Phosphorsäuren
Phosphorsäure ist eine dreiwertige Säure. In wässriger Lösung ionisiert sie unter Freisetzung von drei Wasserstoffionen. In der ersten Ionisierungsstufe entsteht das Dihydrogenphosphat-Ion (H2PO4-), in der zweiten Dissoziationsstufe das Monohydrogenphosphat-Ion (HPO42-) und in der dritten Dissoziationsstufe das Phosphorsäure-Ion (PO43-).
Die pKa-Werte bei 25 °C sind pKa1 = 2,12, pKa2 = 7,21 bzw. pKa3 = 12,67.
3. Dehydratisierungsreaktion von Phosphorsäure
Beim Erhitzen von Phosphorsäure kommt es zu einer Dehydratisierungsreaktion. Das beim Erhitzen entstehende Gemisch wird als starke Phosphorsäure bezeichnet und hat bei hohen Temperaturen eine starke Wirkung auf Metalle.
Bei 150 °C wird sie wasserfrei und bei 200 °C reagieren zwei Moleküle der Phosphorsäure und bilden allmählich Pyrophosphorsäure. Es treten auch kondensierte Phosphorsäuren höherer Ordnung auf, und oberhalb von 300 °C bildet sich Metaphosphorsäure, wenn ein Wassermolekül pro Phosphorsäureeinheit desorbiert wird. Metaphosphorsäure, auch Polyphosphorsäure genannt, ist eine dehydrierte kondensierte Verbindung der Phosphorsäure.
Beide haben die Struktur mehrerer tetraedrischer PO4, die durch Sauerstoffatome verbrückt sind, während Polyphosphorsäure eine Cyclophosphorsäure ist, bei der die PO4 ringförmig miteinander verbunden sind. Durch Dehydratisierung erhält man Diphosphorpentoxid (Tetraphosphordekapoxid), das allerdings nur schwer weiter dehydratisiert werden kann. Diphosphorpentoxid reagiert heftig mit Wasser und wird als Trocknungsmittel verwendet.
4. Phosphorsäure und Gesundheit
Phosphor ist ein Element, das in Lebensmitteln biologischen Ursprungs, wie Gemüse und Fleisch, vorkommt. Phosphorsäure wird dann als Zusatzstoff verwendet, um Lebensmitteln und Getränken Säure zu verleihen.
Phosphor selbst ist ein Mineralstoff, der für den menschlichen Körper notwendig ist.