Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 30.03.16

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Phosphate – besser als ihr Ruf

Vortrag von Marcus Stöckel im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - AC", WS 04/05

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Gliederung:

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1.Einleitung

Präsentation des Vorwissens über Phosphate, welches durch eine Umfrage im Auditorium zuvor ermittelt wurde. (häufigste Antworten: giftig, Fischsterben, explosiv, nicht erwünscht,...)

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2. Struktur

Orthophosphate sind Salze der Orthophosphorsäure, welche durch Ersetzen der aciden H-Atome durch verschiedene Kationen entstehen. Orthophosphate können wie folgt eingeteilt werden:

bulletprimäre Phosphate H2PO4-
bulletsekundäre Phosphate HPO42-
bullettertiäre Phosphate PO43-

Polyhosphate bestehen aus eckenverbrückten PO4-Tetraedern, mit der allgemeinen Strukturformel: [PnO3n+1](n+2) –.

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3. Vorkommen

Sämtliche irdische Phosphormineralien sind Orthophosphate, es gibt ca. 200 beschriebene kristalline Phosphatmineralien. Den mengenmäßig größten Anteil daran bilden die Apatite.

Bsp.: Fluorapatit Ca5(PO4)3F, Chlorapatit Ca5(PO4)3Cl, Hydroxylapatit Ca5(PO4)3OH

Die Lagerstätten dieser befinden sich unter anderem in Tunesien, Marokko, Algerien, USA und Nauru.

Abb.1: Phosphatabbau auf Nauru [10]

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4. Bedeutung

4.1 Düngung

Abb. 2: Phosphatkreislauf [stark vereinfacht nach 3]

Dieser Zyklus ist durch menschliche Eingriffe gestört zum Beispiel durch PO4-Eintrag beim Düngen. Durch steigende Weltbevölkerung (1930 zwei Mrd., 1960 drei Mrd. 2004 mehr als 6 Mrd.) muss Landwirtschaft effizienter werden. Das wird durch das Einbringen von Nährsalzen erreicht. Die Aufnahme von H2PO4- im sauren und HPO42- im neutralen Bereich bei Pflanzen ist sehr wichtig für das Wachstum von Pflanzen, da meist P den limitierenden Faktor darstellt. Als Nährsalze fungieren unter anderem folgende Stoffe, welche in folgenden Reaktionen hergestellt werden.

Superphosphat

2 Ca5(PO4)3F + 7 H2SO4 + H2O ---> 7 CaSO4 + 3 Ca(H2PO4)2*H2O + 2HF

Dreifachsuperphosphat (Es entsteht kein Gips, das Endprodukt enthält dreimal so viel lösliches PO43- wie Superphosphat.)

Ca5(PO4)3F + 7 H3PO4 + H2O ---> 5 Ca(H2PO4)2*H2O + HF

4.2 Erbinformationen und biochemische Prozesse

Phosphat ist ein wichtiger Bestandteil von DNA und RNA. Ebenso ist es Bestandteil von ATP und dient dabei als Energielieferant bei vielen biochemischen Prozessen.

4.3 Mensch

Im menschlichen Körper ist Phosphat durchaus wichtig. Die Knochen des Menschen bestehen aus Dahlit [(Na,Ca)5(PO4,CO3)3OH], junge Knochen aus Brushit Ca(HPO4)*2H2O und hydratisiertes Octacalciumphosphat Ca8H2(PO4)6*H2O. Zahnschmelz ist reiner Hydroxylapatit Ca5(PO4)3OH, durch Austausch von OH- durch F- werden sie fester und weniger angreifbar. (in Haizähnen befindet sich Fluorapatit)

Abb. 3: stark angegriffener Hydroxylappatit [11]

4.4 Haushalt

In Zahnpaste wird CaHPO4*H2O als Schleif- und Poliermittel (Ersatz für Kreide, nur in Zahnpaste ohne Fluor) eingesetzt.

Ammoniumdihydrogenphosphat ist ein Flammschutzmittel für Materialien aus Zellstoff – es wird in Ammoniak und Phosphorsäure gespalten und katalysiert somit den Abbau der Zellulose zu langsam brennenden verkohlten Material, es entstehen weniger flüchtige Stoffe die Entflammung wird unterdrückt.

Experiment: Ein Stück reißfester Zellstoff wird in eine gesättigte Lösung von (NH4)H2PO4 in Wasser getaucht und anschließend getrocknet. Anschließend wird ein unbehandeltes Stück Zellstoff angezündet und verbrannt, das gleiche macht man mit dem vorher behandelten Stück, es wird in die Brennerflamme gehalten und man erkennt es brennt nicht. Zum Nachweis von Ammoniak kann angefeuchtetes Indikatorpapier in den Ruß gehalten werden und zum Phosphorsäurenachweiß kann man es auf den verkohlten Stoff halten. Es tritt die charakteristische Färbung auf. (nach [3])

Kleidung wurde durch Waschmittel gesäubert in denen sich Natriumtriphosphat [3] als Weichmacher für das Wasser befand, da Ca2+ dadurch gebunden wird. Es hält außerdem die Schmutzteilchen in der Waschlauge – seit den 80-iger Jahren ist Waschmittel phosphatfrei, nur noch in Geschirrspülmittel wird es verwendet. Durch Kläranlagen wurde nur ein Teil des PO43- entfernt Rest gelangte in die Gewässer.

4.5 Umweltproblematik

Umkippen von Gewässern: Durch übermäßiges Nährstoffangebot (Eutrophierung) steigt die Zahl der Wasserorganismen sprunghaft an. Die Zersetzung durch Bakterien läuft auf Hochtouren, es kommt zur Algenblüte, durch die verstärkt ablaufenden Abbauprozesse der absterbenden Algen sinkt der Sauerstoffgehalt. Den anderen Lebewesen wird der notwendige Atemsauerstoff entzogen.

Als Umweltgift ist Phosphat jedoch stark umstritten. Bryn Jones (früherer Kopf von Greenpeace) in The Phosphat Report „vielleicht ist Phosphat nicht so gefährlich wie damals angenommen“. Das Ersatzprodukt Zeolith ist nicht wesentlich besser in seiner Umweltbilanz – in Schweden betreibt man sogar wieder aktive PO43- - Förderung.

Abb. 4: Struktur des Zeoliths

4.6 Nahrungsmittel

Na3PO4 war früher ein Haushaltsreiniger.

Im täglichen Gebrauch ist Ca5(PO4)3OH wichtig, es wird zu 1-2% dem Tafelsalz zugesetzt und bewirkt eine bessere Streufähigkeit, da es extrem wasserunlösliche und sehr kleine Teilchen (0,5-3µm) sind.

Auch in der Lebensmittelindustrie ist Phosphat unabkömmlich. Phosphat in Fleisch- und Wurstwaren dient zum Erhalt der Wasserbindungsfähigkeit, die Proteine Aktin und Myosin sind nach dem Tod von Schlachtvieh zum Aktinmyosinkomplex kontrahiert (zur Dekontraktion ist ATP nötig, welches aber nicht mehr gebildet wird). Die Hydratation des Muskels ist nicht optimal, durch Zugabe von Phosphaten (besonders Diphosphaten), wird der Aktinmyosinkomplex wieder aufgeschlossen. Das Fleisch erhält wieder die Eigenschaften des schlachtwarmen Fleisches.

Abb. 5: Warmfleisch [12]

In Coca-Cola befindet sich Phosphorsäure, diese dissoziiert in Protonen und PO43-. Die Phosphationen kann man nachweisen.

Experiment: Um die Braunfärbung der Coca-Cola zu entfernen wird sie mit Aktivkohle versetzt und zwei Minuten erwärmt, daraufhin filtriert man die Aktivkohle wieder ab und die Cola ist nun klar. Der Phosphatnachweis unter Bildung von Dodekamolybdatophosphat. Eine (NH4)2MoO4-Lösung wird mit wenig konzentrierter HNO3 und der gleichen Menge „klarer Cola“ versetzt und bis zum Sieden erhitzt. Es entsteht eine gelbe Färbung und nach einiger Zeit ein gelber Niederschlag von (NH3)3[P(Mo3O10)4] * x H2O (nach [6]).

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5. Zusammenfassung

bulletPhosphate werden aus Mineralien (Apatiten) gewonnen.
bulletWasserlösliche Hydrogenphosphate dienen als Dünger für Pflanzen, da Phosphat meist der limitierender Faktor ist.
bulletPhosphate sind Bestandteil von Erbinformations- und Energieträgern.
bulletPhosphatverbindungen sind wichtiger Knochen- und Zahnbestandteil.
bulletPhosphate dienen als Flammschutz- und Waschmittel für Bekleidung.
bulletIn Fleisch- und Wurstwaren erhöhen Phosphate die Wasserbindefähigkeit.

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6. Literatur

  1. Holleman, Wiberg, Lehrbuch Anorganische Chemie, Walter de Gruyter, New York,1985.
  2. Stryer, Biochemie, 4.Aufl., Spektrum der Wissenschaft, Heidelberg,1990.
  3. Greenwood, Earnshaw, Chemie der Elemente, 1.Aufl., VCH, Weinheim,1990.
  4. John Emsley, Sonne, Sex und Schokolade, Wiley-VCH, Weinheim, 2003.
  5. Dietrich Breitinger, Grundpraktikum AC, Uni Erlangen-Nürnberg,1976.
  6. Dietrich Gleisberg, Chemie in unserer Zeit, Nr.6, 1988, S. 201-207.
  7. Stefanie Glathe, Detlef Schermer, Chemie in unserer Zeit, Nr. 37, 2003, S. 336-346. 
  8. www.globaltravelwriters.com/Nauru.html (10.11.2004) 
  9. www.metzgerei-koch.de (10.11.2004)
  10. www.y-land.net/nauru/fotos/phosphat03.jpg (17.11.06) (Copyright: Knut Gielen)
  11. www.static.twoday.net/tirol/images/zaehne.jpg (17.11.06) (66 weitere Quellen)
  12. www.schweineleasing.com/schweineschlachten.html  (17.11.06) (Copyright: www.mein-eigenes-schwein.de)

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