Chemie und Synthese der Phosphorsäure einfach erklärt

Hast du dich schon einmal gefragt, was Cola ihren leicht säuerlichen Geschmack verleiht oder wie man hartnäckigen Rost von altem Metall entfernt? Die Antwort ist in beiden Fällen dieselbe: die Chemie und Synthese der Phosphorsäure!

In dieser Lektion werden wir uns ansehen, was diese besondere Säure ausmacht, wie sie im Wasser reagiert und wie sie in der Industrie hergestellt wird.

Vorwissen

• Säuren: Stoffe, die Wasserstoffionen (Protonen, $\textcolor{#08BFFF}{\text{H}^+}$) abgeben können. Beispiel: Salzsäure ($\text{HCl}$) gibt in Wasser ein Proton ab und bildet $\text{H}_3\text{O}^+$.
• Exotherme Reaktionen: Chemische Reaktionen, bei denen Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Beispiel: Das Verbrennen von Holz ist eine exotherme Reaktion, weil es spürbar heiß wird.

Aufgabentyp 1: Dissoziationsgleichungen der Phosphorsäure aufstellen

Um die Chemie und Synthese der Phosphorsäure zu verstehen, betrachten wir zunächst ihre Eigenschaften. Reine Phosphorsäure ist bei Raumtemperatur tatsächlich ein Feststoff (sie schmilzt bei $42 \text{ }^\circ\text{C}$). In der Chemie verwenden wir sie jedoch meistens als wässrige Lösung. Wenn sie zu $85 \text{ \%}$ in Wasser gelöst ist, bildet sie eine farblose, ölige Flüssigkeit, die wir als „konzentrierte Phosphorsäure“ bezeichnen.

Phosphorsäure ($\text{H}_3\text{PO}_4$) ist eine sogenannte mehrprotonige Säure. Das bedeutet, sie hat mehrere Wasserstoffionen (Protonen), die sie abgeben kann – in diesem Fall genau drei.

Wenn Phosphorsäure mit Wasser reagiert, gibt sie diese Protonen nicht alle auf einmal ab, sondern nacheinander in Stufen. Dabei entstehen $\text{H}_3\text{O}^+$-Ionen (die die Lösung sauer machen) und drei verschiedene negativ geladene Reste (Anionen):

• 1. Stufe: Es entsteht Dihydrogenphosphat ($\text{H}_2\text{PO}_4^-$).
• 2. Stufe: Es entsteht Hydrogenphosphat ($\text{HPO}_4^{2-}$).
• 3. Stufe: Es entsteht Phosphat ($\text{PO}_4^{3-}$).

In der Lösung finden wir hauptsächlich das Dihydrogenphosphat. Warum? Weil es für die Säure immer schwerer wird, ein positiv geladenes Proton von einem Teilchen abzuspalten, das bereits negativ geladen ist. Daher sind die Konzentrationen der mehrfach geladenen Anionen (Hydrogenphosphat und Phosphat) in der Lösung sehr gering.

Wie wird Phosphorsäure hergestellt? Der Ausgangsstoff ist elementarer Phosphor. Wenn man diesen verbrennt, entsteht ein weißer Feststoff namens Tetraphosphordecaoxid ($\text{P}_4\text{O}_{10}$).

Gibt man zu diesem Feststoff Wasser, findet eine heftige, exotherme Reaktion statt – das bedeutet, die Mischung wird sehr heiß. Dabei entsteht die Phosphorsäure.

Die Reaktionsgleichung für diese Synthese lautet:

$\text{P}_4\text{O}_{10} + 6 \text{ H}_2\text{O} \to 4 \text{ H}_3\text{PO}_4$

Obwohl das Wort „Säure“ oft gefährlich klingt, ist Phosphorsäure in verdünnter Form ungiftig. Sie begegnet uns oft im Alltag:

• In Lebensmitteln: Als Säuerungsmittel in Erfrischungsgetränken (wie Cola) sorgt sie für den typischen Geschmack.
• Im Handwerk: Sie wird als Rostumwandler eingesetzt, um rostiges Eisen wieder nutzbar zu machen.
• In der Landwirtschaft: Sie ist ein extrem wichtiger Grundstoff für die Herstellung von Düngemitteln.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Wenn eine mehrprotonige Säure in Wasser reagiert, spaltet sie ihre Protonen ($\text{H}^+$) stufenweise ab.

1. Das erste Proton abspalten: Lasse das Ausgangsmolekül mit Wasser ($\text{H}_2\text{O}$) reagieren. Übertrage genau ein $\text{H}^+$ auf das Wasser. Das Wasser wird zu $\text{H}_3\text{O}^+$. Der Rest der Säure hat nun ein H-Atom weniger und bekommt eine negative Ladung ($-$).
2. Das zweite Proton abspalten: Nimm das negativ geladene Produkt aus Schritt 1 und lasse es wieder mit Wasser reagieren. Übertrage wieder ein $\text{H}^+$. Die negative Ladung des Restes erhöht sich auf $2-$.
3. Weitere Protonen abspalten: Wiederhole den Vorgang mit dem Produkt aus Schritt 2, bis alle abspaltbaren H-Atome verbraucht sind. Die Ladung wird mit jedem Schritt um $1-$ negativer.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Reine Phosphorsäure ist ein Feststoff, als 85-prozentige Lösung ist sie eine ölige Flüssigkeit.
• Sie ist eine mehrprotonige Säure und spaltet im Wasser stufenweise bis zu drei $\text{H}^+$-Ionen ab.
• Die Konzentration der stark negativ geladenen Ionen ($\text{HPO}_4^{2-}$ und $\text{PO}_4^{3-}$) ist in der Lösung sehr gering.
• Die Synthese erfolgt durch die exotherme Reaktion von Tetraphosphordecaoxid ($\text{P}_4\text{O}_{10}$) mit Wasser.
• Sie wird im Alltag in Cola, als Rostumwandler und für Düngemittel verwendet.