Sauerstoffsäuren des Phosphors
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Sauerstoffsäuren des Phosphors und deren Salze
Die Sauerstoffsäuren des Phosphors sind wichtige chemische Verbindungen, die du in der Chemie der Stickstoffgruppe daher häufig antreffen wirst. Wir werden uns hier auf die Strukturen, Eigenschaften und Reaktivitäten dieser Verbindungen konzentrieren. Im Examen ist es nicht unüblich, dass das IMPP speziell nach diesen Komponenten fragt.
Struktur der Phosphorsäuren
Die Orthophosphorsäure (H₃PO₄) ist die bekannteste Sauerstoffsäure des Phosphors. Sie ist die “normale” Phosphorsäure, die wir aus dem Laboralltag kennen. In wässriger Lösung kann sie Autoprotolyse betreiben, was bedeutet, dass ein H₃PO₄-Molekül ein Proton (H⁺) an ein anderes H₃PO₄-Molekül abgibt und dabei das Dihydrogenphosphat-Ion (H₂PO₄⁻) und das Hydrogenphosphat-Ion (HPO₄²⁻) bildet.
\[ \text{H}_3\text{PO}_4 + \text{H}_3\text{PO}_4 \rightleftharpoons \text{H}_2\text{PO}_4^- + \text{HPO}_4^{2-} \]
Diese Reaktion trägt zur Pufferkapazität von Phosphorsäurelösungen bei.
Im Vergleich zu Orthophosphorsäure hat die Phosphonsäure (H₃PO₃) eine andere Struktur und Formel. Sie besitzt eine P=O-Doppelbindung, zwei OH-Gruppen und ein direkt gebundenes Wasserstoffatom. Das macht sie zur Phosphor(III)-säure, im Gegensatz zur entsprechenden Phosphor(V)-säure H₃PO₄.
Die Phosphinsäure (H₃PO₂), auch Hypophosphorige Säure genannt, ist noch weiter reduziert, mit nur einer OH-Gruppe und zwei direkt gebundenen Wasserstoffen am Phosphor. Als einprotonige Säure zeigt sie reduzierende Eigenschaften und spielt eine wichtige Rolle in Reduktionsreaktionen.
Eigenschaften und Reaktivität
Die Autoprotolyse von Orthophosphorsäure zu H₂PO₄⁻ und HPO₄²⁻ ist ein essenzieller Prozess für Pufferlösungen.
Es ist wichtig zu wissen, dass Phosphorsäure nicht als starkes Oxidationsmittel wie beispielsweise Salpetersäure wirkt. In der Lebensmittelindustrie ist Phosphorsäure als Zusatzstoff weit verbreitet.
Bei der Hydrolyse von Phosphorpentoxid (P₄O₁₀) entsteht Orthophosphorsäure über Zwischenschritte wie Metaphosphorsäure und Polyphosphorsäure. Dieser Prozess ist wichtig für das Verständnis der Herstellung und des Verhaltens von Lithium-Ionen-Batterien und Keramiken.
Salze und Anhydrate der Phosphorsäuren
Das Anhydrid der Orthophosphorsäure ist P₄O₁₀, das mit Wasser zu Orthophosphorsäure reagiert. In diesem Kontext sind auch die Zwischenprodukte wie Polyphosphorsäure zu beachten.
Phosphor in verschiedenen Oxidationsstufen führt zu unterschiedlichen Eigenschaften und Salzen der Phosphorsäuren. So sind beispielsweise Phosphinate Salze der Phosphinsäure (H₃PO₂), die durch ihre reduzierenden Eigenschaften gekennzeichnet sind.
Nutzung von Phosphorsäurederivaten und Reaktionsweisen
Phosphorsäure und ihre Derivate spielen eine zentrale Rolle bei der Speicherung von Energie in Molekülen wie ATP, wo Phosphorsäuremoleküle durch Ester- und Anhydridbindungen verknüpft sind. Die Struktur von ATP umfasst mehrere aneinander gebundene Phosphorsäuregruppen, deren Abspaltung bzw. Übertragung zur Freisetzung oder Übertragung von Energie führt.
Die Reaktionen und Verwendung von Phosphorsäuren in Puffern sind ebenfalls relevant. In verschiedenen pH-Bereichen liegt Phosphorsäure als unterschiedliche Anionen vor, was ihre Fähigkeit als Puffer in biologischen Systemen und in analytischen Verfahren unterstreicht.
Es ist wichtig, die Reaktivitätsunterschiede von Phosphorhalogeniden wie PCl₃ und PCl₅ zu kennen, einschließlich potenzieller Zersetzungen und Reaktionen mit primären Alkoholen und Carbonsäuren.
Abschließend ist es bedeutend zu verstehen, wie die Kenntnis der Struktur und Chemie von Phosphorsäuren und ihren Derivaten in verschiedene wissenschaftliche und industrielle Prozesse integriert ist und wie diese Verständnis im akademischen und professionellen Kontext genutzt werden kann.
Zusammenfassung
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Footnotes
Credits Struktur der Phosphorsäure Grafik: NEUROtiker, Phosphorsäure - Phosphoric acid, als gemeinfrei gekennzeichnet, Details auf Wikimedia Commons↩︎
