Phosphor: Oxide und Sauerstoffsäuren

Vortrag von Daniela Degenkolb im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - AC", WS 2000/2001

Gliederung:

Einstieg: Wiener Würstchen und Cola-Getränk. Diese zwei Dinge haben direkt mit dem Vortrag über Phosphoroxide und Phosphorsauerstoffsäuren zu tun. Während Wiener verschiedene Phosphate enthalten, wird dem Cola-Getränk Phosphorsäure zugesetzt. Auf diese und andere Vertreten der Phosphorverbindungen wird in diesem Vortrag näher eingegangen. Phosphate stehen in dem Ruf Hyperaktivität bei Kindern zu verursachen und viele besorgte Eltern stehen dem unwissend gegenüber. Als erstes will ich einen allgemeinen Überblick über die Phosphor Oxide und Sauerstoffsäuren geben und dann anhand von Beispielen exemplarisch einige dieser Verbindungen näher besprechen. Zum Schluss will ich noch auf die Bedeutung und den Einsatz dieser Verbindungen eingehen.

1. Das Element Phosphor

Phosphor steht in der 5. Hauptgruppe und hat somit 5 Außenelektronen und weist die folgende Elektronenkonfiguration auf:

P [Ne]3s²3px¹3py¹3pz¹

Das Element kommt wegen seiner großen Affinität zum Sauerstoff nie elementar vor, sondern nur in gebundener Form, meist als Phosphat.

Das bedeutendste Mineralphosphat ist Apatit Ca₅(PO₄)₃(OH,F;Cl).

2. Oxidationsstufen des Phosphors

Aufgrund seiner Elektronenverteilungen kann Phosphor in den Oxidationsstufen von -3 bis +5 vorliegen:

Es gibt natürlich auch noch andere Phosphorverbindungen wie z.B. Phosphazene, Phosphorhalogenide, Phosphorsulfide sowie Phosphor-Stickstoff-Verbindungen.

3. Phosphoroxide

Phosphor bildet 5 monomolekulare Oxide P₄O_n (n = 6,7,8,9,10) und mehrere hochmolekulare Oxide (P₂O₅)_x.

Folie 1: Strukturen der Oxide

4. Sauerstoffsäuren des Phosphors

Einteilung der Sauerstoffsäuren:

In den Phosphorsäuren sind die Phosphoratome immer tetraedrisch koordiniert.

4.1 Phosphinsäure (Hypophosphorige Säure) H₃PO₂

Struktur:

4.2 Phosphonsäure (Phosphorige Säure) H₃PO₃

Struktur:

4.3 Phosphorsäure H3PO4

Struktur:

4.3.1 Pufferwirkung der Phosphorsäure

Folie 2 :Pufferwirkung der Phosphorsäure

Bei einem pH-Wert von -0.5 ist nur undissoziierte Phosphorsäure vorhanden. Bei einem pH-Wert von 2 liegt die eine Hälfte als undissoziierte Phosphorsäure, die andere als Dihydrogenphosphationen vor. Die Konzentration an Dihydrogenphosphationen nimmt zu, bis beim pH-Wert von 4.5 nur noch Dihydrogenphosphationen vorliegen. Der weitere Zusatz von Lauge führt zur Bildung von Hydrogenphosphationen, bis schließlich bei einem pH-Wert von 9.5 nur noch Hydrogenphosphationen vorliegen. Danach kommt es zur Bildung der Phosphationen.

Man kann aus dem Diagramm ablesen, dass Phosphorsäurelösungen mittelstark sauer (pH=0), Dihydrogenphosphatlösungen schwach sauer (pH = 4.5), Hydrogenphophatlösungen schwach basisch (pH = 9.5) und Phosphatlösungen stark basisch (pH = 14.5) reagieren. Ein gutes Puffersysthem im pH-Bereich von 6 bis 8 ist ein Gemisch aus Dihydrogenphosphat- und Hydrogenphosphatione (es puffert im Bereich von 90% H₂PO₄^- und 10% HPO₄^2-  bis zu 10% H₂PO₄^- und  90% HPO₄^2- ).

4.3.2 Titration der Phosphorsäure in Coca Cola

Da Phosphorsäure eine dreiwertige Säure ist müsste man eigentlich drei pH-Sprünge sehen. Tatsächlich kann man aber nur zwei erkennen, da der dritte im Bereich des pH-Wertes von  12.15 auftritt und somit außerhalb des Messbereiches liegt.

Grobanleitung für die Titration von Phosphorsäure in Coca Cola:
Als erstes muss die in der Cola enthaltenen Kohlensäure entfernt werden, um das Titrationsergebnis nicht zu verfälschen. Wegen der Eigenfarbe der Coca Cola kann man keinen Indikator einsetzen. Cola light ist nicht für die Titration geeignet, da zusätzlich noch Zitronensäure enthalten ist. 150 ml Coca Cola werden zugedeckt und unter ständigem Rühren erhitzt (Funktion: Entfernung der Kohlensäure). Nach Abkühlung entnimmt man 100 ml und titriert diese mit c (NaOH) = 0,1mol/l. Dabei wird die pH-Wertänderung gegen das verbrauchte Volumen an Natronlauge aufgezeichnet. Phosphorsäure wird der Coca Cola zugesetzt, um das Durstgefühl zu verstärken, um zu Konservieren und den Zuckergeschmack zu überdecken. (Ausführliche Anleitung)

4.3.3 Düngemittel

Pflanzen nehmen Phosphor als Orthophosphationen auf. Das in der Natur häufig vorkommende unlösliche Ca₃(PO₄)₂ (Apatit) muss in eine lösliche Form überführt werden. Der Aufschluss kann mit halbkonzentrierter Schwefelsäure (Superphosphat) oder mit Phosphorsäure (Doppelsuperphosphat) erfolgen.

Es gibt aber nicht nur reine Phosphatdüngern, sondern auch Mischdünger z.B. in Kombination mit Stickstoff.

Eutrophierung:

Folie 3: Phosphorbelastung im Bodensee

Gesamtphosphorgehalt:

1. Ortho-Phosphat z.B. in Düngmittel

2. Pentanatriumtriphosphat als Wasserenthärter in Waschmitteln Komplexbildner, der mit den mehrwertigen Metallionen unter Chelatbildung reagiert und dadurch die Ausfällung schwerlöslicher Metallseifen verhindert. Sie halten die Ionen während des Waschvorgangs in Lösung.

Schutz vor Phosphaten:

1. Verbot von Phosphaten in Waschmitteln

2. Einführung der dritten chemischen Reinigungsstufe in Kläranlagen (Fällung des Phosphats durch Eisen(II)-chlorid oder Aminiumsulfat)

Folie 4: Eutrophierung

Eine Phosphatüberdüngung führt aufgrund der erhöhten Mineralkonzentration zu verstärktem Algenwachstum und der starken Vermehrung der daran anschließenden Nahrungskette. In den oberen Gewässerschichten reichert sich Sauerstoff an (Sauerstoffüberschuss). Abgestorbene Organismen sinken auf den Grund und werden von Mikroorganismen zersetzt (Aerober Vorgang). Es entstehen mit der Zeit anaerobe Bedingungen, da der Sauerstoff nicht in gleichem Maße eingetragen werden kann. Das Gewässer kippt um. Durch die nun anaeroben Abbauprozesse der Fäulnisbakterien werden giftige Gase wie Ammoniak, Methan, Schwefelwasserstoff gebildet. Unter diesen Bedingungen sterben viele Arten von Lebewesen ab.

4.3.4 Bedeutung der Phosphate

Phosphat sind für uns lebensnotwendig:

1. Hydroxylapatit (Aufbau der Zähne und Knochen)
2. Phosphorsäureester (PS, Stoffwechsel)
3. als Hydrogentriphosphats HP₃O₁₀^- in ATP als Energiespeicher
4. als Monophosphatdiester in der DNA
5. Polyphosphat als Zusatzstoffe für Waschmittel, Lebensmittel. Diese "Phosphate" in Lebensmitteln werden zugesetzt um das Wasserbindevermögen der Würste die eigentlich hauptsächlich aus Fett bestehen zu erhöhen. Sie sehen dadurch knackiger aus. Die Bezeichnung "mit Phosphat" ist eigentlich falsch, denn in jeder Wurst ist zumindest Monophosphat aus ATP enthalten. Zugesetzt werden v.a. Di- und Triphosphate die man deklarieren muss.

Folie 5: ATP

Kennzeichen von Aufmerksamkeitsstörungen und Hyperaktivität: Nicht lange konzentrieren können, Desorganisation, Stressintoleranz, Zappelphilipp. Nicht nur Kinder sind davon betroffen, sondern auch Erwachsene. Mit einer Therapie und Medikamenten kann diese Krankheit behandelt werden. Sie wird genetisch vererbt, man nimmt aber an das äußere Ursachen wie z.B. übermäßiger Phosphateinnahme (v.a. Polyphosphate) diese Krankheit begünstigen. Dies ist aber nicht genau geklärt.

5. Literatur:

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de