Aufgabe 1 · Abitur NRW Chemie LK · Phosphorsäure-EN 2025

Material 1: Phosphorsäure [1]

Phosphorsäure ($\text{H}_3\text{PO}_4$) ist in einigen Nahrungsmitteln als Lebensmittelzusatzstoff enthalten. Phosphorsäure-Moleküle können stufenweise bis zu drei Protonen in Säure-Base-Reaktionen abgeben. Bei den einzelnen Deprotonierungsstufen bilden sich ausgehend vom Phosphorsäure-Molekül nacheinander das Dihydrogenphosphat-Ion, das Hydrogenphosphat-Ion und das Phosphat-Ion.

Material 2: Bestimmung des Gehaltes an Phosphorsäure in Cola [2]

Cola ist ein kohlensäure- und phosphorsäurehaltiges Erfrischungsgetränk. In Cola sind bis zu $700\text{ mg}$ Phosphorsäure pro Liter zulässig. Ein Hersteller gibt an, dass einem Liter Cola bei der Herstellung $170\text{ mg}$ Phosphorsäure zugesetzt werde und der pH-Wert $2{,}5$ betrage. Im Labor soll die Cola dieses Herstellers auf ihren Phosphorsäure-Gehalt überprüft werden.

Zur Vorbehandlung der Cola werden zwei verschiedene Möglichkeiten vorgeschlagen:

a) eine Probe von $50\text{ mL}$ Cola in einem großen Gefäß über Nacht stehen lassen,

b) Cola längere Zeit am Sieden halten, abkühlen lassen und danach eine Probe von $50\text{ mL}$ entnehmen.

Eine Cola-Probe wird vorbehandelt und danach mit einer Natronlauge-Maßlösung der Stoffmengenkonzentration $c(\text{NaOH}) = 0{,}025\text{ }\frac{\text{mol}}{\text{L}}$ titriert. Dabei erhält man folgende Titrationskurve (Abb. 1):

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

Ein vermeidbares Gesundheitsproblem verbirgt sich hinter der verbreiteten 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 z. B. Brühwürste und 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 Aufnahme von Phosphor in Verbindungen (z. B. Phosphorsäure, Phosphate, Polyphosphate oder ähnliches), festgelegt. Der ADI-Wert ( a cceptable d aily i ntake) ist die geschätzte Menge eines Stoffes in Lebensmitteln pro Kilogramm Körpergewicht, die täglich im Laufe eines Lebens konsumiert werden kann, ohne dass sie ein merkliches Risiko für die Gesundheit birgt. Der ADI-Wert für Phosphor in Verbindungen beträgt $40\text{ mg}$ pro $\text{kg}$ Körpergewicht.

1 Formulieren Sie eine Reaktionsgleichung für die zweite Stufe der Protolyse von Phosphorsäure-Molekülen in wässriger Lösung.

Erläutern Sie anhand dieser Reaktionsgleichung das Säure-Base-Konzept nach Brönsted und am Beispiel des Dihydrogenphosphat-Ions den Begriff Ampholyt (M 1).

Begründen Sie, dass für den pH-Wert einer wässrigen Phosphorsäure-Lösung hauptsächlich die erste Protolysestufe ausschlaggebend ist (M 1).