Polyprotische zuren en basen in coladranken
Wat hebben polyprotische zuren met coladranken te maken?
Cola-dranken bevatten fosforzuur
Fosforzuur en zouten daarvan maken 25% uit van alle zuren die in de voedingsindustrie worden gebruikt. Fosforzuur wordt vooral gebruikt in de frisdrankindustrie, met name in cola- en root beer-dranken. Fosforzuur fungeert als een acidulant en zorgt voor de specifieke zure smaak van deze producten.
Reguliere consumptie van coladranken is in verband gebracht met een lage botmineraaldichtheid (BMD) bij vrouwen. Dit is een probleem voor de volksgezondheid vanwege de populariteit van coladranken en het feit dat BMD sterk samenhangt met het risico op botbreuken. Hoewel de specifieke rol van fosforzuur in coladrankjes op een lage BMD niet duidelijk is, is aangetoond dat fosforzuur de calciumabsorptie verstoort en bijdraagt aan onevenwichtigheden die leiden tot extra calciumverlies.
Het volgende is een oud recept voor Coca Cola, gepubliceerd in “Beverages and their adulteration” in 1919 door Harvey Wiley, die door velen wordt beschouwd als de vader van de FDA.
Tabel
(\PageIndex{1})Coca Cola Recept
| Ingrediënt / Verbinding (eenheden) | Aantal |
| Cafeïne (korrels* per fluid ounce) | 0.92-1,30 |
| Fosforzuur, H3PO4 (procent) | 0.26-0,30 |
| Suiker, totaal (procent) | 48,86-58,00 |
| Alcohol (volumeprocent) | 0,90-1.27 |
|
Karamel, glycerine, limoensap, essentiële oliën, en plantenextractief
|
Aanwezig |
| Water (procent) | 34.00-41,00 |
*1 grain=65 mg
Volgens dezelfde referentie wordt de drank coca cola gemaakt door één ons van deze siroop per glas te mengen.
Voor polyproteenzuren (d.w.z. fosforzuur en appelzuur) kunnen we een evenwichtsconstante opschrijven voor elk proton dat verloren gaat. Deze constanten worden met subscript 1, 2, enz. aangeduid om ze te onderscheiden. De dissociatie-evenwichten van fosforzuur, een triprotoëtisch zuur, zijn:
=69 maal 10}^{-text{3}}{ mol dm}^{-text{3}}]
{ 10}^{-text{3}}=text{6}}{.1 keer \text{ 10}^{-\text{8}}{ mol dm}^{-\text{3}}]
en
\text{ } }=\text{4}\text{.8 maal 10}^{-text{13}}{ mol dm}^{-text{3}}]
Een algemene behandeling van de pH van oplossingen van polyprotische stoffen valt buiten het bestek van deze studie, maar het is goed om op te merken dat we in veel gevallen polyprotische stoffen als monoprotisch kunnen behandelen. In het geval van H3PO4, bijvoorbeeld, is Ka1 veel groter dan Ka2 en dit veel groter dan Ka3 hetgeen aangeeft dat H3PO4 een veel sterker zuur is dan H2PO4- en dit veel sterker dan HPO42-. Dit verschil betekent dat wanneer H3PO4 in water wordt opgelost, we het kunnen behandelen als een monoprotisch zuur en het mogelijke verlies van een tweede proton kunnen negeren.
Voorbeeld pH van Cola
Cola-dranken bevatten tussen 50 en 70 mg fosforzuur per 100 mL (referenties 1 en 5). Wat is de verwachte pH-waarde van een coladrank met 0,07% fosforzuur?
Oplossing 0,07% fosforzuur is gelijk aan 70 mg fosforzuur per 100 mL drank. Als we het bijbehorende aantal mol berekenen, dan hebben we
( n_{H_{3}PO_{4}} = \dfrac{0,07 g} \text{H}_3\text{PO}_4}{\text{98}
( = \text{7.14} maal \text{10}^{-4} \text{mol} \text{H}_3}{PO}_4)
en de concentratie is dan
( = \dfrac{ n_{H_{3}PO_{4}}}{\text{V}_{oplossing}} = \dfrac{\text{7,14} maal \text{10}^{-4}} \text{mol}}{\text{1.0}
Gebruik makend van de vergelijking
( \afwijking \sqrt{K}_ac_a})
die besproken is in pH van oplossingen van zwakke zuren en de Ka1= 6.9 X 10-3mol dm-3 voor de dissociatie van fosforzuur kunnen we de concentratie van hydronium-ionen berekenen.
( \approx \sqrt{\text{6.9}
0,9} x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x
(((((((((((((() 10}^{{-5} ^{mol}^2 ^{-6}})
(((((((() 10}^{7.02} maal \text{10}^{-3}{mol dm}^{-3}})
Als we de nauwkeurigheid van de benadering controleren, vinden we
(\dfrac{}{c_a} = \dfrac{0,00702}}{0,00714}} = \text{0,98} \of
Gezien het feit dat de verhouding /ca veel meer dan 5% is, is de bovenstaande benadering niet geldig. Omdat de verhouding bijna 100% is, zijn zelfs meervoudige benaderingen met de vergelijking
( = \sqrt{K}_a(c_a – )}
getal (7) in De pH van oplossingen van zwakke zuren, zal geen aanvaardbare waarde opleveren voor de concentratie van hydromiun-ionen in deze cola-drank.De reden is dat de concentratie en de Ka1 van fosforzuur in dit voorbeeld van dezelfde orde van grootte zijn (10-3) en dat het gebruik van een kwadratische vergelijking om de concentratie van hydronium-ionen te vinden eigenlijk noodzakelijk is.
Gezien het evenwicht
(\text{H}_{3}}{PO}_{4} + text{H}_{2}\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_{3}\text{O}^{+} + \text{H}_{2}\text{PO}_{4}^{-
en de uitdrukking van zijn constante
(K_{a>1}}==6 keer \text{.9 keer 10}^{-{3}}{ mol dm}^{-{3}})
Met een beginconcentratie van fosforzuur van 7.14 x 10-3mol dm-3, kunnen we de volgende tabel opstellen waarin de evenwichtsconcentraties van alle soorten worden uitgedrukt in termen van :
| Soorten | Initiële concentratiea | Verandering in concentratiea | Equilibriumconcentratiea |
| H3O+ | 10-7 b | ||
| H2PO4- | 0 | ||
| H3PO4 | 7.14 x 10-3 | – | 7,14 x 10-3- |
amol dm-3
kan worden verwaarloosd omdat de concentratie hydronium-ionen die door fosforzuur wordt geproduceerd veel groter zal zijn.
Herschrijf de evenwichtsconstante voor de eerste dissociatie van fosforzuur in termen van en de beginconcentratie van het zuur en we hebben:
(\text{K}_{a1} = \dfrac{ }{7,14} \maal \text{10}^{-3}} – } = \text{6.9} \times \text{10}^{-3}
Als we de berekeningen uitvoeren en de bovenstaande uitdrukking herschikken, krijgen we
(-^2 – text{6.9} + ^4.93}
Een kwadratische vergelijking waarvan de wortelwaarden met de formule gevonden kunnen worden:
(\text{x} = \dfrac{-\text{b} \pm \sqrt{\text{b}^2 – \text{4ac}}{\text{2a}})
waar,
(\text{x} = \)
(\text{a} = – \text{1}})
(\text{b} = – \text{6.9} keer \text{10}^{-3})
(\text{c} = – \text{4.93} keer \text{10}^{-5})
Daaruit volgen de mogelijke waarden van:
(_1 = – \text{1.13} maal \text{10}^{-2} \text{mol dm}^{-3})
(_2 = \text{4,37} \t maal \text{10}^{-3} \text{mol dm}^{-3})
De eerste wortel heeft een negatieve waarde en die laten we buiten beschouwing. De concentratie hydronium-ionen in de coladrank is dus 4,37 x 10-3 mol dm-3 en de pH is
(text{pH} = -text{log} ( \text{4,37} maal \text{10}^{-3}) = \text{2,36})
Dit is een vrij lage pH. Wanneer we coladranken proeven, ervaren we ze echter niet als zuur. De reden hiervoor is dat ze over het algemeen zeer zoet zijn (10-11% suiker) en de waarneming van de zure smaak wordt verminderd. We moeten ook in gedachten houden dat in koolzuurhoudende dranken CO2 aanwezig is dat koolzuur vormt en op een minder significante manier de pH van de oplossing wijzigt.
Fosforzuur wordt ook gebruikt in vruchtengelei, smeltkaas, karnemelk, en gistingsprocessen waar het wordt gebruikt om specifieke pH-waarden aan te passen of te handhaven (buffermiddel). De van fosforzuur afgeleide zouten hebben talrijke toepassingen in de levensmiddelenindustrie, waarvan de onderstaande tabel er enkele geeft.
Tabel Toepassing van fosfaten in voedselverwerking
| Fosfaat | Levensmiddelen | Functie |
| Ca(H2PO4)2:H2 Na3Al2H15(PO4)8 | Bakwaren | Zuurstof |
| Zeevruchten | Behouden vocht, remmen kleur en lipide oxidatie, beschermen natieve proteïne, verminderen druipen | |
| Na2HPO4 en Na3Al2H15(PO4)8 | Verwerkte kaas en kaassauzen | “Smeltzouten”: Emulsieontwikkeling en stabiliteit |
| (NaPO3)n | Slasauzen | Verdikkingsmiddel, sequestrant, stabilisator |
| K2HPO4 | Imitatie koffiemelk | Aanpassen pH en voorkomen “feathering” |
| Na2HPO4 | Geëvaporeerde, gecondenseerde, of gedroogde melk | Remt eiwitcoagulatie |
| Ca(H2PO4)2 | Fruit- en groenteconserven | Versteviging van de textuur |
| Friet | Sequestrant van ijzer om het zwart worden na frituren | |
| (NH4)2HPO4 | Bier en wijn | Voedingsstof voor gist |
| (NaPO3)n | Bier en wijn | Voorkom vertroebeling |
| KH2PO4 (of Na) (NaPO3)n Na5P3O10 | Verwerkte eieren | Behoud kleur, eiwit beschermen tegen stolling, betere opklopbaarheid (eiwitten) |
In het geval van polyprotische basen kunnen we de vergelijking opstellen voor de evenwichtsconstante voor elk gewonnen proton. Het carbonaat ion, CO32-, is een voorbeeld van een diprotische base waarvoor de bijbehorende baseconstanten zijn
2}1 keer \text{ 10}^{-text{4}}{ mol dm}^{-text{3}}]
en
{ 10}^{-text{4}}{ mol dm}^{-text{3}}= {{ 2}}{.4 keer 10}^{-\text{8}}{ mol dm}^{-\text{3}]
Oplossingen van zouten die het carbonaation bevatten, zoals Na2CO3 of K2CO3, kunnen op dezelfde manier behandeld worden.
Voorbeeld pH van natriumcarbonaat
Bepaal de pH van een 0,100-M oplossing van natriumcarbonaat, Na2CO3. Gebruik de baseconstante Kb1 = 2,10 × 10-4 mol dm-3.
Oplossing We negeren de acceptatie van een tweede proton en behandelen het carbonaation als een monoprotische base. We hebben dan
(\begin{align}c_{b}=\sqrt{K_{b}c_{b}=\sqrt{text{2}{.10 keer mol dm}^{-text{4}}^{-text{3}} = 4 maal 10 maal mol dm^{-text{3}}
Cheterend vinden we dat
{c_{b}}= {frac{text{4}}{.58}}}{ 10}^{-\text{3}}{0}\text{.1}}]
Dus onze benadering is maar net geldig.
We vinden nu
terwijl
Het carbonaat-ion is een wat sterkere base dan NH3, dus verwachten we dat een 0,1-M oplossing wat basischer is, zoals in werkelijkheid het geval is.
Een blik op de tabellen met Ka en Kb leert dat de meeste zuur- en basenconstanten getallen met negatieve machten van 10 betreffen. Net als in het geval van en is het dus handig om te definiëren
Met behulp van deze definities is het zo dat hoe groter Ka of Kb is (d.w.z. hoe sterker een zuur of base, respectievelijk), hoe kleiner pKa of pKb zal zijn. Voor een sterk zuur als HNO3 is Ka = 20 mol dm-3 en
Dus voor zeer sterke zuren of basen kunnen pK-waarden zelfs negatief zijn.
Van Kernchem: 14.5: Polyprotische zuren en basen