Phosphorsäure H3PO4
Die Phosphorsäure als eine mehrprotonige Säure ist durch folgende drei Reaktionsgleichungen und deren pKS-Wert definiert 1:
| (1) | H3PO4 = H+ + H2PO4- | pKS = 2.14 |
| (2) | H2PO4- = H+ + HPO4-2 | pKS = 7.207 |
| (3) | HPO4-2 = H+ + PO4-3 | pKS = 12.346 |
Die Ionen bezeichnet man als
| H2PO4- | Dihydrogenphosphat |
| HPO4-2 | Hydrogenphosphat |
| PO4-3 | Phosphat (Orthophosphat) |
Für vorgegebene H3PO4-Anfangskonzentrationen (PO4_total) lässt sich nun anhand der oberen Reaktionsdaten der pH-Wert berechnen 2. Die Ergebnisse für einen Konzentrationsbereich von 1 bis 10-10 mol/L sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:
| PO4_total | PO4_total | pH | H3PO4 | H2PO4- | HPO4-2 | PO4-3 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| mol/L | mM | % | % | % | % | |
| 1E+00 | 1000 | 1.08 | 89.91 | 10.09 | 0.0000158 | 2.94E-16 |
| 1E-01 | 100 | 1.63 | 73.54 | 26.46 | 0.000112 | 4.72E-15 |
| 1E-02 | 10 | 2.26 | 41.32 | 58.68 | 0.000852 | 1.06E-13 |
| 1E-03 | 1 | 3.06 | 10.51 | 89.48 | 0.00709 | 4.36E-12 |
| 1E-04 | 0.1 | 4.01 | 1.33 | 98.6 | 0.0649 | 3.18E-10 |
| 1E-05 | 0.01 | 5.00 | 0.139 | 99.2 | 0.662 | 2.85E-08 |
| 1E-06 | 0.001 | 5.97 | 0.0141 | 94.5 | 5.54 | 2.36E-06 |
| 1E-07 | 0.0001 | 6.74 | 0.00189 | 74.4 | 25.6 | 6.39E-05 |
| 1E-08 | 0.00001 | 6.97 | 0.000951 | 63.3 | 36.7 | 0.000155 |
| 1E-09 | 0.000001 | 7.00 | 0.000874 | 61.8 | 38.2 | 0.000171 |
| 1E-10 | 0.0000001 | 7.00 | 0.000866 | 61.7 | 38.3 | 0.000173 |
Die berechnenten Gleichgewichtskonzentration der Phosphat-Spezies (entnommen aus Tabelle Ions in mmol/L) ist hier als prozentualer Anteil angegeben:
| (4) | Spezies in % = Spezies in mM / PO4_total in mM × 100 % |
In diesen Rechnungen ist die Aktivitätskorrektur berücksichtigt.
Diskussion der Ergebnisse
Bei großen Anfangskonzentrationen dominiert die (undissozierte) Spezies H3PO4. Bei 10-2 M liegt der pH in Nähe von pKS = 2.14, was zu einer etwa gleichmäßigen Verteilung zwischen H3PO4 und H2PO4- führt.
Unterhalb von 10-3 M dominiert nun H2PO4-. Bei sehr kleinen Anfangskonzentrationen ≤10-6 M kommt auch Hydrogenphosphat HPO4-2ins Spiel; das Phoshat-Ion selbst PO4-3 ist allerdings so gut wie bedeutungslos.
Es ist interessant die obere Tabelle mit den Ergebnissen aus Wikipedia zu vergleichen. Dort wird eine Gleichung 5. Grades numerisch gelöst, allerdings erfolgen beim Wikipedia-Modell keine Aktivitätskorrektur. Das hat, wie die aqion-Rechnung zeigt, Auswirkungen besonders bei hohen Anfangskonzentrationen.
Anmerkungen
1 Die thermodynamischen Datenbank wateq4f enthält nur Gl.(2) und Gl.(3). Aus diesem Grund wurde die noch fehlende Gl.(1) in das Programm aufgenommen (aus der thermodynamischen Datenbank minteq).
2 Man startet jeweils mit reinem Wasser (Taste New im Hauptfenster), danach Taste Reac. Dort gibt man für “H3PO4” die entsprechenden Konzentrationen in mmol/L ein (Maßeinheit beachten!). Das Ergebnis wird sofort angezeigt. (Ein Rechenbeispiel ist hier gegeben.)