Polyphosphorsäuren

Strukturformel
Allgemeines
Name	Polyphosphorsäure, Diphosphorpentoxid-Gehalt von ca. 85 %
Andere Namen	PPA
CAS-Nummer	8017-16-1
EG-Nummer	232-417-0
ECHA-InfoCard	100.029.466
Monomer	Orthophosphorsäure
Summenformel der Wiederholeinheit	HPO3
Molare Masse der Wiederholeinheit	79,97 g/mol
Art des Polymers	Monomer
Kurzbeschreibung	farb- und geruchlose Flüssigkeit[1]
Eigenschaften
Aggregatzustand	flüssig[1]
Dichte	2,06 g·cm−3[1]
Schmelzpunkt	ca. −20 °C[1]
Löslichkeit	hydrolysiert in Wasser[1]
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[1] Gefahr H- und P-Sätze H: 290​‐​314 P: 234​‐​280​‐​303+361+353​‐​304+340+310​‐​305+351+338​‐​363[1]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Polyphosphorsäuren sind chemische Verbindungen aus der Gruppe der Phosphorverbindungen. Es sind von der Orthophosphorsäure H₃PO₄ durch Dehydratisierung abgeleitete ketten- oder ringförmige Polymere, in denen die [PO₄]-Tetraeder über Sauerstoffbrücken miteinander verknüpft sind.^[2] Zur besseren Unterscheidung von den kettenförmigen Polyphosphorsäuren werden ringförmige Polyphosphorsäuren als Metapolyphosphorsäuren und Polyphosphorsäuren mit verzweigten Ketten als Ultraphosphorsäuren bezeichnet.^[3] Die Verbindung kommt mit unterschiedlichen Gehalten an Diphosphorpentoxid P₂O₅ in den Handel. Die Angaben in der Box beziehen sich auf ein handelsübliches Produkt mit einem Diphosphorpentoxid-Gehalt von ca. 85 %.^[1] Die Salze der Polyphosphorsäuren werden als Polyphosphate (systematisch: catena-Polyphosphate) bzw. Metapolyphosphate bezeichnet.^[4]

Ketten und ringförmige Polyphosphorsäuren bilden sich beim Erwärmen über 300 °C via Kondensationsreaktionen (Wasserabspaltung). Die einfachsten Vertreter sind Diphosphorsäure, auch als Pyrophosphorsäure bezeichnet, und Triphosphorsäure, die durch Kondensation von zwei beziehungsweise drei Orthophosphorsäuremolekülen im Drehrohrofen bei Temperaturen zwischen 400 und 600 °C entstehen. Je nach Zeitdauer der Wärmeeinwirkung und Temperatur kann der Kondensationsgrad n bis auf 10.000 anwachsen.^[4]

Die Pyrophosphorsäure ist die einzige von den linearen Polyphosphorsäuren, die leicht in kristalliner Form erhalten werden kann. Sie besitzt einen theoretischen Diphosphorpentoxid-Gehalt von 79,8 %. Bringt man eine flüssige Säure mit dieser Konzentration zum Kristallisieren, erhält man Pyrophosphorsäure (Form I), die gewöhnliche Form (Schmelztemperatur 54,3 °C), als weißen Festkörper. Wird die kristalline Form I in einem abgeschlossenen Rohr mehrere Stunden auf 50 °C erhitzt, dann erfolgt eine Umwandlung in eine Form II (Schmelztemperatur 71,5 °C), die bei Raumtemperatur die stabile Form ist.^[5]

Durch Zugabe von wenig Wasser zu Diphosphorpentoxid sind sie ebenfalls zugänglich.^[6] Zum Beispiel erhält man Tetrametaphosphorsäure, wenn hexagonales P₄O₁₀ langsam in Eiswasser gegeben wird.^[5] Außerdem entstehen Polyphosphorsäuren beim thermischen Zerfall der als Flammschutzmittel verwendeten Ammoniumphosphate.^[6]

Die Salze der Metapolyphosphorsäuren können beispielsweise durch alkalische Hydrolyse von Phosphorpentoxid gewonnen werden.^[4]

Polyphosphorsäuren sind je nach Polymerisationsgrad farblose, hochviskose bis glasartige Stoffe, deren Säurestärke mit zunehmender Kettenlänge zunimmt.^[4] In allen Phosphorsäuren und Polyphosphaten teilen die aufbauenden PO₄-Tetraeder miteinander nur die Ecken, nie Kanten oder gar Flächen. Die POP-Winkel besitzen Werte zwischen 120 und 180° (je nach dem Ausmaß der Bildung von d_πp_π-Bindungen).^[7]

Handelsübliche Polyphosphorsäure ist eine hygroskopische, viskose, farb- und geruchlose Flüssigkeit, die in Wasser hydrolysiert. Ihre wässrige Lösung reagiert stark sauer.^[1]

Polyphosphorsäuren werden als Zwischenprodukt zur Herstellung abgeleiteter Verbindungen verwendet. Die Salze der Polyphosphorsäuren bilden mit Metallionen wasserlösliche Komplexverbindungen. So ist insbesondere das Pentanatriumtripolyphosphat kommerziell bedeutsam, das als Wasserenthärtungsmittel Verwendung findet.^[4] Auch werden sie zur Herstellung von Ammoniumphosphaten eingesetzt.^[8]

1. ↑ ^{a b c d e f g h i} Eintrag zu Polyphosphorsäure in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 29. Januar 2024. (JavaScript erforderlich)
2. ↑ Lexikon der Chemie: Polyphosphorsäuren, abgerufen am 27. Mai 2022.
3. ↑ Erwin Riedel, Christoph Janiak: Anorganische Chemie. De Gruyter, 2015, ISBN 978-3-11-038774-2 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
4. ↑ ^{a b c d e} Josef K. Felixberger: Chemie für Einsteiger. Springer Berlin Heidelberg, 2017, ISBN 978-3-662-52821-1, S. 211 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
5. ↑ ^{a b} E. Schwarzmann: Hydroxide, Oxidhydrate und Oxide Neue Entwicklungen. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-87024-8, S. 55 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
6. ↑ ^{a b} Chemgapedia: Polyphosphorsäure, abgerufen am 27. Mai 2022.
7. ↑ A. F. Holleman, Wiberg Nils: Lehrbuch der anorganischen Chemie. De Gruyter, 2019, ISBN 978-3-11-083817-6, S. 660 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
8. ↑ Martin Bertau, Peter Fröhlich, Michael Katzberg: Industrielle Anorganische Chemie. Wiley-VCH, 2013, ISBN 978-3-527-33019-5, S. 178 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).