Aufgabe 1 · Abitur NRW Chemie GK · Phosphorsäure-GN 2025

E 338 – ein vielfach verwendeter Lebensmittelzusatzstoff

Bei dem Lebensmittelzusatzstoff E 338 handelt es sich um Phosphorsäure, die in einigen Lebensmitteln als Säuerungs- und Konservierungsmittel enthalten ist. Doch seit einigen Jahren kommen Zweifel hinsichtlich der Unbedenklichkeit des ungebremsten Konsums an Phosphorsäure und ihren Salzen auf.

Material 1: Phosphorsäure [1], [2]

Phosphorsäure ($\text{H}_3\text{PO}_4$) ist in einigen Nahrungsmitteln, wie z. B. Cola-Getränken, als Säuerungsmittel enthalten (Lebensmittelzusatzstoff E 338).

Reine Phosphorsäure kann in zwei Schritten aus Phosphor hergestellt werden: Elementarer Phosphor ($\text{P}_4$) wird verbrannt und das dabei entstehende Oxid ($\text{P}_4\text{O}_{10}$) wird anschließend mit Wasser umgesetzt.

Phosphorsäure-Moleküle sind dreiprotonig, das heißt, sie können stufenweise bis zu drei Protonen in Säure-Base-Reaktionen abgeben.

Bei den einzelnen Protolysestufen bilden sich ausgehend vom Phosphorsäure-Molekül nacheinander das Dihydrogenphosphat-Ion ($\text{H}_2\text{PO}_4^-$), das Hydrogenphosphat-Ion ($\text{HPO}_4^{2-}$) und das Phosphat-Ion ($\text{PO}_4^{3-}$).

Material 2: Bestimmung der Stoffmengenkonzentration der Phosphorsäure in Cola [3]

Neben der in den meisten Erfrischungsgetränken enthaltenen Kohlensäure findet sich in Cola zusätzlich Phosphorsäure als Säuerungsmittel.

Vor der Bestimmung der Stoffmengenkonzentration der Phosphorsäure in einer Cola-Probe wird die Probe ca. 5 Minuten lang unter Rühren auf 60 °C erhitzt. Beim Erhitzen kann das Entweichen eines Gases beobachtet werden. Nach dem Abkühlen wird die Probe titriert.

Bei einer in einem Lebensmittellabor untersuchten Cola wurde eine Stoffmengenkonzentration an Phosphorsäure von $c = 0{,}007\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$ ermittelt.

Material 3: Phosphorsäure, Phosphate und unsere Gesundheit [4] – [6]

Ein vermeidbares Gesundheitsproblem verbirgt sich hinter der Verwendung von Phosphorsäure und deren Salzen als Zusatzstoffe in Nahrungsmitteln. Dieses „freie“ Phosphat wird sehr effektiv vom Körper aufgenommen. Neben der Verwendung der Phosphorsäure in Cola werden in fast allen verarbeiteten Fleischprodukten (wie Brühwürste, Kochschinken), aber auch in Schmelzkäse und anderen Käsezubereitungen sowie in vielen Fertiggerichten Phosphate eingesetzt, um Wasser zu binden.

Im Jahr 2019 wurde deshalb ein ADI-Wert bezogen auf die tägliche Aufnahme von Phosphor in Verbindungen (z. B. Phosphorsäure, Phosphate, Polyphosphate oder Ähnliches) festgelegt. Der ADI-Wert (acceptable daily intake) ist die geschätzte Menge eines Stoffes in Lebensmitteln pro Kilogramm Körpergewicht, die täglich ein Leben lang konsumiert werden kann, ohne dass sie ein merkliches Risiko für die Gesundheit birgt. Der ADI-Wert für Phosphor beträgt 40 mg pro kg Körpergewicht. Eine 70 kg schwere, gesunde Person hat daher bei einer täglichen Aufnahme von 2,8 g Phosphor in Verbindungen nicht mit gesundheitlichen Beeinträchtigungen zu rechnen. Zu berücksichtigen ist hierbei aber, dass viele eiweißreiche Lebensmittel wie Milchprodukte einen natürlichen, hohen Gehalt an Phosphaten aufweisen. Schätzungen zufolge kann der ADI-Wert insbesondere bei Säuglingen, Kleinkindern und Kindern bereits mit einer durchschnittlichen Aufnahme von Phosphat über die Ernährung überschritten werden. Dies gilt auch für Jugendliche, deren Ernährung reich an Phosphorsäure bzw. Phosphaten ist. Ebenso ist zu beachten, dass für Personen mit mittelschwerer bis schwerer Einschränkung der Nierenfunktion ein ADI-Wert von 1000 mg pro Tag als Orientierung gilt.

1 Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen für die Herstellung von Phosphorsäure aus Phosphor (M 1).

Begründen Sie für eine der beiden Reaktionen, dass es sich um eine Elektronenübertragungsreaktion handelt.