Phosphorsäuren und Phosphate

In der Chemie ist eine Phosphorsäure im allgemeinen Sinne eine Phosphoroxosäure , in der jedes Phosphoratom (P) die Oxidationsstufe +5 aufweist und an vier Sauerstoffatome (O) gebunden ist , eines davon über eine Doppelbindung . Die vier Sauerstoffatome bilden die Ecken eines Tetraeders . Zwei oder mehr dieser PO₄ _- Tetraeder können durch gemeinsame Einfachbindungen von Sauerstoffatomen verbunden sein und lineare oder verzweigte Ketten , Ringe oder komplexere Strukturen bilden. Die nicht gemeinsamen Sauerstoffatome sind durch saure Wasserstoffatome ergänzt . Die allgemeine Formel einer Phosphorsäure lautet Hₙ₊₂₋₂ₓPₙO₃ₙ₊₁₋ₓ _, wobei n die Anzahl der Phosphoratome und x _die Anzahl _der fundamentalen Ringe in der Molekülstruktur (zwischen _{0 und 1 ) ist} .n + 2/2.​

Die Abspaltung von Protonen ( H⁺ ⁾ von k Hydroxylgruppen –OH führt zu Anionen, die allgemein als Phosphate (wenn k = n − 2x + 2 ) oder Hydrogenphosphate (wenn k zwischen 1 und n − 2x + 1 _liegt ) bezeichnet werden und die allgemeine Formel [Hₙ₋₂x⁺²−kPₙO₃ₙ⁺¹−x]k⁻ besitzen _. Das _{vollständig dissoziierte Anion ( k} = ⁿ − ^2x + ₂ ) hat _die Formel [ PₙO₃ₙ⁻x⁺¹ ] ( _n − _2x⁺² ) ^⁻ _{. Der Begriff} ^{Phosphat wird} in _der organischen Chemie auch für die funktionellen Gruppen verwendet _, die entstehen , wenn ^{ein oder mehrere Wasserstoffatome durch Bindungen zu anderen} Gruppen ersetzt werden.

Diese Säuren sowie ihre Salze und Ester zählen zu den bekanntesten Phosphorverbindungen und sind von großer Bedeutung für die Biochemie , Mineralogie , Landwirtschaft , Pharmazie , die chemische Industrie und die chemische Forschung .

Die einfachste und am häufigsten vorkommende Phosphorsäure ist die _{Orthophosphorsäure} , H₃PO₄ . _Tatsächlich bezeichnet der Begriff Phosphorsäure oft genau diese Verbindung (und dies ist auch die aktuelle IUPAC- Nomenklatur ).

Zwei oder mehr Orthophosphorsäuremoleküle können durch Kondensation unter Abspaltung von Wasser zu größeren Molekülen verbunden werden . Die Kondensation weniger Einheiten führt zu Oligophosphorsäuren , während größere Moleküle als Polyphosphorsäuren bezeichnet werden . (Die Unterscheidung zwischen den beiden Begriffen ist jedoch nicht eindeutig.)

Beispielsweise können Pyrophosphorsäure , Triphosphorsäure und Tetraphosphorsäure durch die Reaktionen gewonnen werden.$${\displaystyle {\begin{aligned}{\ce {2 H3PO4}}&\longrightarrow {\ce {H4P2O7 + H2O}}\\[2pt]{\ce {H4P2O7 + H3PO4}}&\longrightarrow {\ce {H5P3O10 + H2O}}\\[2pt]{\ce {H5P3O10 + H3PO4}}&\longrightarrow {\ce {H6P4O13 + H2O}}\end{aligned}}}$$

Das Grundgerüst eines Polyphosphorsäuremoleküls besteht aus einer Kette alternierender Phosphor- und Sauerstoffatome. Jede zusätzliche kondensierte Orthophosphorsäureeinheit fügt ein zusätzliches Wasserstoffatom , ein zusätzliches Phosphoratom und drei zusätzliche Sauerstoffatome hinzu . Die allgemeine Formel einer Polyphosphorsäure lautet H _{_{n +2}}P _{_n} O _{_{3n + 1}} oder HO[−P(O)(OH)−O−] _{_n} H.

Polyphosphorsäuren werden in der organischen Synthese für Cyclisierungen und Acylierungen eingesetzt ; eine Alternative ist Eatons Reagenz . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

Metaphosphorsäure ( HPO₃ ) ist ein farbloser, glasartiger, hygroskopischer Feststoff _mit einer Dichte von 2,2 bis 2,5 g/cm³, der beim Erhitzen sublimiert. Sie ist in Ethanol löslich. ^{[ 4 ]}

Phosphorsäureeinheiten können zu Ringen (cyclischen Strukturen) verknüpft werden. Die einfachste solche Verbindung ist Trimetaphosphorsäure oder Cyclotriphosphorsäure mit der Formel H₃P₃O₉ . Ihre Struktur ist in der Abbildung dargestellt. Da die Enden kondensiert sind, enthält ihre Formel ein Wassermolekül (H₂O _{) weniger} als _{die von} Tripolyphosphorsäure.

Die allgemeine Formel einer Phosphorsäure lautet H _{n −2 x +2} P _n O _{3 n − x +1} , wobei n die Anzahl der Phosphoratome und x die Anzahl der fundamentalen Zyklen in der Molekülstruktur ist; das heißt, die minimale Anzahl von Bindungen, die aufgebrochen werden müssten, um alle Zyklen zu eliminieren.

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  Orthophosphorsäure H₃PO₄_​​_​
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  Pyrophosphorsäure H ₄ P ₂ O ₇
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  Tripolyphosphorsäure H₅P₃O₁₀_​​_​​_​
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  Tetrapolyphosphorsäure H ₆ P ₄ O ₁₃
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  Trimetaphosphorsäure H₃P₃O₉_​​_​​_​
• 
  Phosphorsäureanhydrid P ₄ O ₁₀

Der Grenzfall der internen Kondensation, bei dem alle Sauerstoffatome geteilt werden und keine Wasserstoffatome vorhanden sind ( x = ⁠n +2/2⁠ ) ​​ist ein Anhydrid P _{2 n} O _{5 n} , Phosphorpentoxid P ₄ O ₁₀ .

Die Abspaltung der Wasserstoffatome als Protonen H⁺ wandelt eine Phosphorsäure in ein Phosphatanion um. ^Die partielle Abspaltung führt zu verschiedenen Hydrogenphosphatanionen.

Die Anionen der Orthophosphorsäure H₃PO₄ sind Orthophosphat (allgemein einfach „Phosphat“ _genannt ) PO₄²⁻ _.3−4, Monohydrogenphosphat HPO2−4und Dihydrogenphosphat H₂PO_​​−4Die

_{Die Dissoziation von Pyrophosphorsäure H₄P₂O₇} erzeugt vier Anionen , [ _{H₄⁻kP₂O₇} ] ^{k⁻ , wobei} _die Ladung k zwischen ₁ und 4 liegt _. Das letzte ist Pyrophosphat [ _{P₂O₇ ]} ^{⁴⁻ . Die} _{Pyrophosphate} sind _{größtenteils} wasserlöslich.

_{Ebenso liefert} Tripolyphosphorsäure H₅P₃O₁₀ mindestens fünf Anionen [ _{H₅⁻kP₃O₁₀} ] ^{k⁻ ,} wobei k von 1 bis 5 reicht, einschließlich Tripolyphosphat _{[ P₃O₁₀ ]} ⁵⁻ . _{Tetrapolyphosphorsäure H₆P₄O₁₃} ^liefert mindestens sechs Anionen , einschließlich Tetrapolyphosphat [ P₄O₁₃ _] ⁶⁻ ^usw. _{Jede zusätzliche Phosphoreinheit fügt} ein zusätzliches Phosphoratom, drei _{zusätzliche Sauerstoffatome und entweder} ein zusätzliches Wasserstoffatom oder eine zusätzliche negative Ladung hinzu _.

Verzweigte Polyphosphorsäuren bilden analog verzweigte Polyphosphat-Anionen. Das einfachste Beispiel hierfür ist _{Triphosphonophosphat [OP(OPO₃)₃} ] ⁹⁻ und _seine partiell ^{dissoziierten} Varianten.

Die allgemeine Formel für solche (nicht-zyklischen) Polyphosphat-Anionen, linear oder verzweigt, lautet [H _{_{n +2− k}} P _{_n}O _{_{3n + 1}} ] ^{^k−} , wobei die Ladung k zwischen 1 und n +2 variieren kann . Im Allgemeinen hängt in wässriger Lösung der Dissoziationsgrad vom pH-Wert der Lösung ab.

Salze oder Ester cyclischer Polyphosphorsäuren werden oft als „Metaphosphate“ bezeichnet. Die üblicherweise als Trimetaphosphate bezeichneten Verbindungen weisen tatsächlich eine Mischung verschiedener Ringgrößen auf. Die allgemeine Formel für solche cyclischen Verbindungen lautet [HPO₃ _] ₓ _, wobei x die Anzahl der Phosphorsäureeinheiten im Molekül angibt.

Wenn Metaphosphorsäuren ihre Wasserstoffatome als H⁺ abgeben , entstehen cyclische Anionen, sogenannte Metaphosphate. Ein Beispiel für eine Verbindung mit einem solchen Anion ^ist Natriumhexametaphosphat ( Na₆P₆O₁₈ ) , das _als Komplexbildner und Lebensmittelzusatzstoff _verwendet wird _.

Diese Phosphorsäuren sind aufgrund der Polarität ihrer Moleküle im Allgemeinen wasserlöslich. Auch Ammonium- und Alkaliphosphate sind gut wasserlöslich. Die Erdalkalisalze sind zunehmend weniger löslich , und Phosphatsalze verschiedener anderer Metalle sind noch schwerer löslich.

In wässrigen Lösungen hydrolysiert Wasser Polyphosphate bei ausreichender Wassermenge allmählich (über Stunden) in kleinere Phosphate und schließlich in Orthophosphat. Höhere Temperaturen oder saure Bedingungen können die Hydrolysereaktionen erheblich beschleunigen . ^{[ 5 ]}

Umgekehrt entstehen Polyphosphorsäuren oder Polyphosphate oft durch Dehydratisierung einer Phosphorsäurelösung; mit anderen Worten, durch Entfernen des Wassers, häufig durch Erhitzen und Verdampfen des Wassers.

Ortho-, Pyro- und Tripolyphosphatverbindungen, wie beispielsweise Natriumtripolyphosphat , werden häufig in Reinigungsmitteln verwendet . Pyrophosphat, Tripolyphosphat, Tetrapolyphosphat usw. werden mitunter auch als Diphosphat , Triphosphat , Tetraphosphat usw. bezeichnet, insbesondere wenn sie Bestandteil von Phosphatestern in der Biochemie sind. Sie werden außerdem von Trinkwasserversorgern zur Verhinderung von Ablagerungen und Korrosion eingesetzt . ^{[ 6 ]} Als Korrosionsinhibitoren bilden Polyphosphate einen Schutzfilm auf der Innenfläche von Rohren. ^{[ 7 ]}

Die −OH- Gruppen in Phosphorsäuren können mit den Hydroxylgruppen von Alkoholen zu Phosphatestern kondensieren . Da Orthophosphorsäure drei −OH- Gruppen besitzt, kann sie mit einem, zwei oder drei Alkoholmolekülen zu einem Mono-, Di- oder Triester verestern. Die allgemeine Struktur eines Ortho- (oder Mono-)Phosphatesters ist unten links dargestellt; jeder der R- Reste kann ein Wasserstoffatom oder ein organischer Rest sein . Auch Di- und Tripoly- (oder Tri-)Phosphatester usw. sind möglich. Die −OH- Gruppen der Phosphate in diesen Estermolekülen können, abhängig vom pH-Wert der Lösung, H⁺ ^- Ionen abgeben und Anionen bilden. In der Biochemie lebender Organismen existieren zahlreiche (Mono-)Phosphat-, Diphosphat- und Triphosphatverbindungen (im Wesentlichen Ester ), von denen viele eine wichtige Rolle im Stoffwechsel spielen, wie beispielsweise Adenosindiphosphat (ADP) und Triphosphat (ATP) .

• Schröder HC, Kurz L, Müller WE, Lorenz B (März 2000). „Polyphosphat im Knochen“ (PDF) . Biochemistry (Moscow) . 65 (3): 296–303 . PMID  10739471. Archiviert vom Original (PDF) am 25.08.2011.

• Bestimmung von Polyphosphaten mittels Ionenchromatographie mit unterdrückter Leitfähigkeitsdetektion, Anwendungsbericht 71 von Dionex
• US 3044851 , Young, Donald C., "Herstellung von Ammoniumphosphaten und daraus hergestellten Produkten", veröffentlicht am 17.07.1962, zugewiesen an Collier Carbon & Chemical Co.