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Phosphorpentoxid

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Phosphorpentoxid, genauer Diphosphorpentoxid, ist ein Oxid des Elementes Phosphor und gehört zur Stoffgruppe der Phosphoroxide. Es ist ein farb- und geruchloses, äußerst hygroskopisches Pulver, das mit Wasser in stark exothermer Reaktion zu Phosphorsäure umgesetzt wird.
Obwohl lange bekannt ist, dass das Molekül durch die Summenformel P4O10 beschrieben werden kann, ist die historische Bezeichnung
(Di)phosphorpentoxid
, also P2O5, erhalten geblieben.

Herstellung

Phosphorpentoxid entsteht bei der Verbrennung von weißem Phosphor in einem trockenen Luftstrom unter starker Wärmeentwicklung:
\mathrm{P_4 + 5\,O_2 \rightarrow P_4O_{10 + 2986 \frac {kJ{mol

Bei Sauerstoffmangel entsteht auch Phosphortrioxid P4O6, bei dem die vier „äußeren“ (in der obigen Formel doppelt an ein Phosphoratom gebundenen) Sauerstoffatome fehlen.G. Brauer (Hrsg.): Handbook of Preparative Inorganic Chemistry. 2. Auflage. vol. 1, Academic Press, 1963, S. 541–542.

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

leftminiSchichtstruktur von bei Zimmertemperatur stabilem Phosphorpentoxid.
Phosphor, Sauerstoff. Phosphorpentoxid sublimiert bei 362 °C, der Schmelzpunkt lässt sich nur unter Druck in einer geschlossenen Ampulle zu 562 °C bestimmen.
Phosphorpentoxid ist polymorph. Die Umwandlung einer hexagonalen H-Form erfolgt bei 450 °C unter Druck über 24 Stunden über die flüssige und Glasphase zur orthorhombischen O-Form und weiter zur stabilen ebenfalls orthorhombischen O'-Form. Die bei Zimmertemperatur stabile orthorhombische Form kristallisiert mit der und den Gitterparametern a = 9,193 Å, b = 4,89 Å und c = 7,162 Å.D. Stachel, I. Svoboda, H. Fuess: Phosphorus Pentoxide at 233 K. In: Acta Crystallographica, C51, 1995, S. 1049–1050, doi:10.1107/S0108270194012126. Diese besteht aus unendlichen Schichten, die aus Sechsringen von PO4-Tetraedern aufgebaut sind. Daneben existiert eine metastabile trigonale Struktur mit der Raumgruppe und den Gitterparametern a = 10,2 Å und c = 13,5 Å.D.W.J. Cruickshank: Refinements of structures containing bonds between Si, P, S or Cl and O or N. V. P4O10. In: Acta Crystallographica, 17, 1964, S. 677–679, doi:10.1107/S0365110X64001670. Diese besteht aus isolierten P4O10-Molekülen. Des Weiteren gibt es die o-Form, die nicht aus isolierten Molekülen, sondern aus Ketten von über drei Sauerstoffatomen verknüpften PO4-Tetraedern besteht. Diese Form ist ebenfalls orthorhombisch, Raumgruppe , mit den Gitterparametern a = 16,31 Å, b = 8,115 Å und c = 5,265 Å.E.H. Arbib, B. Elouadi, J.P. Chaminade, J. Darriet: New refinement of the crystal structure of o-P2O5. In: Journal of Solid State Chemistry, 127, 1996, S. 350–353, doi:10.1006/jssc.1996.0393. In der Gasphase liegen P4O10-Moleküle vor. Mittels Elektronenbeugung konnten die Bindungslängen der P=O-Doppelbindung mit 143 pm und der P-O-Einfachbindung mit 160 pm bestimmt werden. Die Bindungswinkel betragen für P-O-P 123,5°, für O=P-O 116,5° und für O-P-O 101,6°.Ralf Steudel: Chemie der Nichtmetalle, Synthesen - Strukturen - Bindung - Verwendung, 4. Auflage, 2014 Walter de Gruyter GmbH & Co. KG, Berlin/Boston, ISBN 978-3-11-030439-8, S. 408–409, (abgerufen über De Gruyter Online).

Chemische Eigenschaften


Phosphorpentoxid hat ein großes Bestreben, Wasser aufzunehmen und Tetrametaphosphorsäure zu bilden:
\mathrm{P_4O_{10 + 2\ H_2O \longrightarrow H_4P_4O_{12
Das Gleichgewicht liegt hier fast vollständig auf der rechten Seite, so dass sich in einem Phosphorpentoxid enthaltenden, abgeschlossenen Raum ein Wasserdampfdruck von unter 1,3·10−4 Pa einstellt.
Weitere Wasseraufnahme führt über die einfachste Polyphosphorsäure Diphosphorsäure
\mathrm{H_4P_4O_{12 + 2\ H_2O \longrightarrow 2\ H_4P_2O_7
zu Orthophosphorsäure
\mathrm{H_4P_2O_7 + H_2O \longrightarrow 2\ H_3PO_4
Die Bruttoreaktion
\mathrm{P_4O_{10 + 6\ H_2O \longrightarrow 4\ H_3PO_4
verläuft stark exotherm. Hierbei wird eine molare Reaktionswärme von −377 kJ·mol−1 realisiert.K. Schrödter, G. Bettermann, T. Staffel, F. Wahl, T. Klein, T. Hofmann: Phosphoric Acid and Phosphates. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2008. Phosphorpentoxid spaltet Wasser auch aus Verbindungen ab. So resultieren aus Salpetersäure das Anhydrid Distickstoffpentoxid, aus Perchlorsäure das Dichlorheptaoxid, aus Schwefelsäure das Schwefeltrioxid und aus Malonsäure das Kohlensuboxid.

Verwendung

Phosphorpentoxid ist auf Grund des vorstehend dargestellten Gleichgewichts ein äußerst wirksames Trocknungsmittel (siehe Exsikkator): Wassermoleküle aus der umgebenden Luft, die auf Phosphorpentoxid treffen, werden sehr stark gebunden. Kommerzielle Trocknungsmittel enthalten 75 % Phosphorpentoxid und 25 % inertes anorganisches Trägermaterial, wodurch eine rieselfähige Struktur des Trocknungsmittels erhalten bleibt. Durch Zusatz von Wasser-Indikatoren wird der Erschöpfungsgrad des Mittels angezeigt. Bei Wasseraufnahme verfärbt sich der ursprünglich farblose Indikator über grün, blaugrün nach blau (Wassergehalt ca. 33 %).
In Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen enthaltenes Wasser hat einen höheren Wasserdampfdruck, wodurch die Wassermoleküle nach und nach fast vollständig zum Phosphorpentoxid wandern. Davon betroffen sind auch chemisch gebundenes Wasser (siehe Kristallwasser) und sogar getrennt gebundene Wasserstoff- und Hydroxygruppen in organischen Molekülen oder biologischem Material: Auch diese haben einen gewissen Wasserdampfdruck, d. h., eine OH-Gruppe bildet mit einem benachbart gebundenen H-Atom gelegentlich ein Wassermolekül, das bei extremer Lufttrockenheit verdunstet. In der uns umgebenden, Wasserdampf enthaltenden Luft spielt dieses Gleichgewicht keine Rolle, aber ein Stück Würfelzucker wird im Exsikkator schwarz wie der im Backofen vergessene Kuchen (dem das Wasser auf dem gleichen Wege durch die Hitze verloren ging).
Düngemittel enthalten Phosphate wie z. B. Kaliumdihydrogenphosphat KH2PO4 oder Diammoniumhydrogenphosphat
(NH4)2HPO4
, wobei der Gehalt an Phosphor oft auf Phosphorpentoxid (P2O5) umgerechnet angegeben wird.
Zwar wird Phosphorpentoxid in der organischen Chemie praktisch nur als Trocknungsmittel eingesetzt, experimentell konnte jedoch gezeigt werden, dass das Kation von Phosphorpentoxid in der Gasphase so reaktiv ist, dass es sogar die stabilste aller Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen, und zwar die von Methan, effektiv bei Raumtemperatur aktivieren kann.R. Crabtree: C–H bond activation: A radical non-metal solution. In: Nature Chemistry. 1, 2009, S. 348–349. (Originalarbeit: N. Dietl, M. Engeser. H. Schwarz: Aktivierung der C–H-Bindung von Methan bei Raumtemperatur durch nacktes P4O10+. In: Angewandte Chemie. 121, 2009, S. 4955–4957 doi:10.1002/ange.200901596)
Industrielle Verwendung findet die Verbindung zur Herstellung sehr reiner thermischer Phosphorsäure und zur Synthese von organischen Phosphorsäureestern. Die Umsetzung mit Ethern führt zu den Triestern.
\mathrm{P_4O_{10 + 6\,H_5C_2OC_2H_5 \rightarrow 4\,PO(OC_2H_5)_3
Mit Alkoholen werden Mono- und Diester gebildet.
\mathrm{P_4O_{10 + 6\,ROH \rightarrow 2\,ROPO(OH)_2 + 2\,(RO)_2PO(OH)

Sicherheitshinweise

Phosphorpentoxid ruft schwere Verätzungen hervor. Deswegen sind bei der Handhabung Handschuhe, Atemschutz und entsprechende Laborkleidung zu tragen.

Einzelnachweise


Kategorie:Phosphorverbindung
Kategorie:Oxid
Kategorie:Trockenmittel
 
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