Was ist P4O10: Phosphorpentoxid
Phosphorpentoxid ist der gebräuchliche Name für eine Verbindung mit der chemischen Formel P4O10. Phosphorpentoxid ist eine kovalente Verbindung, die aus 4 Phosphoratomen (P) und 10 Sauerstoffatomen (O) besteht. Es wird manchmal auch als Diphosphorpentoxid, Phosphorsäureanhydrid und Tetraphosphordecoxid bezeichnet.
„Ohne Phosphor gäbe es keine Gedanken.“ – Ludwig Buchner
HINWEIS
Phosphorpentoxid ist ein fester, weißer, bei Raumtemperatur wachsartiger Stoff, der in 4 verschiedenen kristallinen Strukturen vorliegt. Es ist ein Anhydrid der Phosphorsäure und sehr hygroskopisch, d. h., es nimmt leicht Wasser aus der umgebenden Atmosphäre auf. Daher wird phosphoriges Pentoxid oft als Trockenmittel verwendet, um Orte trocken und frei von Luftfeuchtigkeit zu halten.
Während der Lagerung reagiert phosphoriges Pentoxid mit der Atmosphäre und bildet eine Haut aus Phosphorsäure um die Verbindung. Diese Säureschicht kann verhindern, dass Phosphorpentoxid Wasser aus der Luft aufnimmt, so dass es als Trockenmittel weniger wirksam ist. Um dies zu verhindern, wird Phosphorpentoxid für die Verwendung als Trockenmittel in der Regel in eine körnige Form gebracht. Früher wurde Phosphorpentoxid durch eine Reaktion mit weißem Phosphor und Sauerstoff hergestellt, aber andere, effizientere Produktionsmethoden haben sich durchgesetzt.
Molekulare vs. empirische Formel
Einem aufmerksamen Leser wird etwas Seltsames auffallen. Warum heißt die Verbindung mit der chemischen Formel P4O10 Phosphorpentoxid? Schließlich ist Pent- die Vorsilbe der chemischen Nomenklatur und bedeutet „fünf“, und die Formel P4O10 weist eindeutig darauf hin, dass es 10 Sauerstoffatome gibt. Was bedeutet das?
In der Chemie gibt es zwei Arten von chemischen Formeln, die Summenformel und die Summenformel. Beide stellen die atomaren Bestandteile einer bestimmten Verbindung dar, aber auf unterschiedliche Weise. Die Summenformel gibt die Art und Anzahl der Atome in einem freistehenden Einzelmolekül der Verbindung an. Die empirische Formel gibt das einfachste ganzzahlige Verhältnis der Elemente in einer Verbindung an. Zwei Verbindungen können unterschiedliche Summenformeln und die gleiche Summenformel haben, wie z. B. Acetylen (C2H2) und Benzol (C6H6), die beide die Summenformel CH haben. Ebenso lautet die Summenformel für Ethylen (C2H4) und Buten (C4H8) CH2. Die Summenformel einer Verbindung ist entweder gleich oder ein ganzzahliges Vielfaches ihrer Summenformel.
Manchmal wird der gebräuchliche Name einer Verbindung von ihrer Summenformel und nicht von ihrer Summenformel abgeleitet. Dies ist der Fall bei Phosphordioxid. Phosphorpentoxid hat die Summenformel P4O10 und damit die Summenformel P2O5. Das „pent-“ in „pentoxide“ kommt von der Summenformel P2O5.
Im Fall von Phosphorpentoxid verbinden sich Moleküle mit der Formel P2O5 miteinander und bilden größere Moleküle aus P4O10. Obwohl die Summenformel von Phosphorpentoxid also P4O10 lautet, wird es aufgrund seiner Summenformel P2O5 immer noch Phosphorpentoxid genannt.
Phosphorpentoxid: Physikalische Eigenschaften
„Wer weiß, ob es nicht wahr ist, dass Phosphor und Geist nicht ein und dasselbe sind?“ – Stendhal
Phosphorpentoxid ist insofern einzigartig, als es in bis zu 4 verschiedenen polymorphen Formen vorkommen kann. Die häufigste Form ist ein einzelnes Molekül P4O10, das sich aus dem Zusammenhalt von zwei kleineren P2O5-Molekülen bildet. P2O5 hat eine sehr instabile Molekülkonfiguration, so dass sich zwei Moleküle zu einem größeren Einzelmolekül von P4O10 zusammenschließen und sich gemäß dem folgenden Diagramm anordnen:
Diese besondere Konfiguration besteht aus vier Tetraedern, die sich jeweils ein Bein mit einem anderen teilen. Jedes Tetraeder besteht aus einem zentralen Phosphoratom, das von 4 Sauerstoffatomen umgeben ist, wobei die drei Basissauerstoffatome jedes Tetraeders gemeinsam genutzt werden. Ein einzelnes Phosphorpentoxidmolekül sieht ein wenig wie eine kleine sechseckige Zelle aus, bei der die endständigen Sauerstoffatome aus den Seiten herausragen. Durch die besondere Konfiguration der Moleküle hat Phosphorpentoxid eine geringere Dichte als die meisten kristallinen Feststoffe, nämlich nur 2,3 g/cm3. Die geometrische Struktur von Phosphorpentoxid ähnelt dem Kohlenwasserstoffkristall Adamantan und hat einen für kovalent gebundene Verbindungen relativ hohen Schmelzpunkt von 340 °C. Der Siedepunkt von Phosphorpentoxid liegt nur 20 °C über seinem Schmelzpunkt, so dass es oft nicht schmilzt, sondern direkt in ein Gas übergeht.
Die hexagonale Zelle eines Phosphorpentoxidmoleküls wird durch schwache van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten – die elektrostatische Anziehung zwischen Molekülen. Phosphorpentoxid enthält 6 P-O-P-Bindungen und 4 P=O-Bindungen. Die Dipol-Dipol-Wechselwirkungen der P-O-P-Bindungen sind es, die das Molekül zusammenhalten. P-O-P-Bindungen sind polar mit einer negativen Valenz des Sauerstoffatoms.
Alle Polymorphien von Phosphorpentoxid basieren auf tetraedrischen Anordnungen von Phosphor- und Sauerstoffatomen. Sie werden im Allgemeinen mit P=O-Doppelbindungen gebildet, wie die unten gezeigte o‘-(P2O5)-Form.
Viele der Polymorphe haben eine etwas andere Molekülanordnung als normales Phosphorpentoxid. So besteht beispielsweise die stabile „O“-Form aus zyklischen Anordnungen von P6O6-Ringen, ähnlich der Struktur verschiedener Silikatminerale. Eines der Polymorphe von Phosphorpentoxid ist ein amorphes Glas, das durch Verschmelzen von zwei verschiedenen Polymorphen entsteht.
Phosphorpentoxid: Chemische Eigenschaften
Phosphorpentoxid ist eine polare Verbindung. Der Elektronegativitätsunterschied zwischen Sauerstoff und Phosphor beträgt 1,4, so dass P-O-Bindungen von Natur aus eher polar sind. Obwohl Phosphorpentoxid polar ist, wird es von Wasser nicht aufgelöst, da es stattdessen einer exothermen Hydrolyse unterliegt. Phosphorpentoxid ist ein Anhydrid, d. h., es entsteht, indem Wasser (H2O) aus einer Verbindung entfernt wird. Phosphorpentoxid ist das entsprechende Anhydrid der Phosphorsäure (H3PO4) und reagiert heftig mit Wasser, um Phosphorsäure zu bilden, gemäß der Gleichung:
P4O10 + 6H2O → 4H3PO4
Die Änderungsenthalpie dieser Reaktion beträgt -177 kJ/mol, was bedeutet, dass für jedes Mol P4O10 177 kJ Energie in Form von Wärme freigesetzt werden. Diese Reaktion mit Wasser ist eine der wichtigsten Methoden zur Herstellung industrieller Mengen von Phosphorsäure, einem äußerst wichtigen Bestandteil von Düngemitteln.
Phosphorpentoxid ist nicht brennbar und reagiert nicht mit Sauerstoff, um eine Flamme zu erzeugen. Die Hydrolysereaktion von Phosphorpentoxid mit Wasser und wasserhaltigen Stoffen wie Holz ist jedoch sehr exotherm und kann genug Energie freisetzen, um eine Verbrennungsreaktion zwischen dem wasserhaltigen Material und der Atmosphäre zu katalysieren. Phosphorpentoxid ist sehr korrosiv gegenüber Metallen und bildet verschiedene Metalloxide und Phosphatmetalle, wenn es mit Metallen in Berührung kommt. Es ist auch sehr ätzend für menschliches Gewebe und kann selbst bei niedrigen Konzentrationen Verätzungen und Entzündungen der Atemwege verursachen.
Phosphorpentoxid: Herstellung und Verwendung
Historisch gesehen ist die wichtigste Methode zur Bildung von Phosphorpentoxid die Verbrennung von elementarem Phosphor und Sauerstoff. Weißer Phosphor, eines der Allotrope des elementaren Phosphors, besteht aus Molekülen, die aus 4 Phosphoratomen bestehen, die in einer Tetraederstruktur angeordnet sind. Elementarer Tetraphosphor verbrennt in Sauerstoff zu Phosphorpentoxid nach folgender Reaktion:
P4 + 5O2 → P4O10
Das meiste auf diese Weise hergestellte Phosphorpentoxid dient der Herstellung von Phosphorsäure, obwohl neuere Methoden die Notwendigkeit beseitigt haben, mit weißem Phosphor zu beginnen, um Phosphorsäure herzustellen.
Die Hauptverwendung von Phosphorpentoxid ist als Trockenmittel. Da es leicht mit Wasser reagiert, kann Phosphorpentoxid Spuren von Wasser aus der Atmosphäre ziehen, um einen Raum trocken und frei von Feuchtigkeit zu halten. Bei der Hydrolyse von Wasser mit Phosphorpentoxid entsteht eine gummiartige Phosphorsäureschicht, die seine wasserentziehenden Eigenschaften beeinträchtigen kann. Aus diesem Grund wird das meiste Phosphorpentoxid, das für industrielle Zwecke verwendet wird, in Granulatform hergestellt. Es ist nicht möglich, Phosphorpentoxid durch Dehydratisierung von Phosphorsäure zu bilden, da die zur Katalyse der Reaktion erforderliche Wärme ausreicht, um das überschüssige Wasser zu verdampfen.
Die Trockenmitteleigenschaften von Phosphorpentoxid werden häufig zur Umwandlung einer Reihe von Säuren in ihre entsprechenden Anhydride genutzt. Zum Beispiel wandelt Phosphorpentoxid Salpetersäure (HNO3) in ihr Anhydrid Distickstoffpentoxid (N2O5) um. Es wandelt auch Schwefelsäure (H2SO4) in Schwefeltrioxid (SO3) um, indem es einen Sauerstoff und zwei Wasserstoffe entfernt; ein einziges Molekül Wasser, und es wandelt Wasserstoffperchlorat (HClO4) in Dichlorheptoxid (Cl2O7) um.
„Wir definieren die organische Chemie als die Chemie der Kohlenstoffverbindungen.“ – August Kekule
Der größte Teil des Phosphorpentoxids, der nicht als Trocknungsmittel verwendet wird, dient als Zwischenreaktion zur Herstellung anderer Verbindungen. In der organischen Chemie wird Phosphorpentoxid zur Dehydratisierung organischer Verbindungen verwendet, z. B. zur Umwandlung von Amiden in Nitrile, einer wichtigen Klasse organischer Moleküle, die bei der Gummiherstellung und in Laborverfahren verwendet werden.
Zusammenfassend ist Phosphorpentoxid eine kovalente Anhydridverbindung, die durch die Verbrennung von elementarem Phosphor und Sauerstoff entsteht. Phosphorpentoxid ist stark hygroskopisch, d. h. es zieht Wasser aus der näheren Umgebung an und reagiert zu Phosphorsäure. Phosphorpentoxid wird normalerweise als industrielles Trockenmittel verwendet und spielt eine Rolle als Zwischenreaktant bei der Umwandlung von Säuren in ihre Anhydrid-Gegenstücke. Auch wenn ein einzelnes Molekül der Verbindung die Summenformel P4O10 hat, wird es aufgrund seiner Summenformel P2O5 als Phosphorpentoxid bezeichnet. Phosphorpentoxid ist insofern einzigartig, als es in mehreren verschiedenen Polymorphen mit unterschiedlichen Molekülgeometrien vorkommt. Die häufigste Form ist eine hexagonale Zelle, die aus 4 verschiedenen Phosphortetraedern besteht. Phosphorpentoxid wirkt korrosiv auf Metalle und kann bereits in geringen Konzentrationen menschliches Gewebe schädigen.