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.)

[last modified: 2013-08-05]