Фосфат

Эта статья о ортофосфат-ионе. Чтобы узнать о фосфорорганических производных, см. Органофосфаты . Чтобы узнать о других фосфатах, см. фосфорные кислоты и фосфаты .

Не путать с фосфатной содой , фосфонатом или фосфором .

Фосфат

Aromatic ball and stick model of phosphate Space-filling model of phosphate
Имена
Название ИЮПАК Фосфат
Другие имена Ортофосфат Тетраоксофосфат(V) Тетраоксидофосфат(V)
Идентификаторы
Номер CAS	14265-44-2  И
3D model ( JSmol )	гипервалентная форма: интерактивное изображение ионная форма: Интерактивное изображение
Справочник Байльштейна	3903772
КЭБ	ЧЕБИ:18367  И
ХимическийПаук	1032  И
Справочник Гмелина	1997
МеШ	Фосфаты
ПабХим CID	1061
НЕКОТОРЫЙ	НК08В8К8HR  И
показывать ИнЧИ InChI=1S/H3O4P/c1-5(2,3)4/h(H3,1,2,3,4)/p-3 Y Key: NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K Y
показывать УЛЫБКИ hypervalent form: [O-]P([O-])([O-])=O ionic form: [O-][P+]([O-])([O-])[O-]
Характеристики
Химическая формула	PO 3− 4
Молярная масса	94.9714 g mol −1
Конъюгатная кислота	Моногидрофосфат
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). Y   проверить ( что такое  И Н  ?) Ссылки на инфобоксы

В химии фосфат – это анион , соль , функциональная группа или сложный эфир, полученный из фосфорной кислоты . Чаще всего это означает ортофосфат , производное ортофосфорной кислоты, также известное как фосфорная кислота. Н ₃ ПО ₄ .

Фосфат ион или ортофосфат- [ PO
₄ ] ³⁻
получается из фосфорной кислоты путем удаления трех протонов H ⁺
. Удаление одного протона дает дигидрофосфата ион [ H
₂ ПО
₄ ] ⁻
а удаление двух протонов дает гидрофосфата ион [HPO
₄ ] ²⁻
. Эти названия также используются для солей этих анионов, таких как дигидрофосфат аммония и тринатрийфосфат .

• 
  ЧАС
  ₃ НОЧИ
  ₄
  Фосфорный
  кислота
• 
  [ЧАС
  ₂ ПО
  ₄ ] ⁻
  
  Дигидроген
  фосфат
• 
  [HPO
  ₄ ] ²⁻
  
  Водород
  фосфат
• 
  [PO
  ₄ ] ³⁻
  
  Фосфат или ортофосфат

В органической химии фосфат или ортофосфат — органофосфат , сложный эфир ортофосфорной кислоты формы PO.
₄ RR'R″, где один или несколько атомов водорода заменены органическими группами. Примером является триметилфосфат CH (
₃ )
₃ НОЧИ
₄ . Этот термин также относится к трехвалентной функциональной группе OP(O-)
₃ в таких эфирах. Фосфаты могут содержать серу вместо одного или нескольких атомов кислорода ( тиофосфаты и органотиофосфаты ).

Ортофосфаты занимают особенно важное место среди различных фосфатов из-за их ключевой роли в биохимии , биогеохимии и экологии , а также их экономического значения для сельского хозяйства и промышленности. Добавление и удаление фосфатных групп ( фосфорилирование и дефосфорилирование ) являются ключевыми этапами клеточного метаболизма .

Ортофосфаты могут конденсироваться с образованием пирофосфатов .

Химические свойства

Фосфат-ион имеет молярную массу 94,97 г/моль и состоит из центрального атома фосфора, окруженного четырьмя атомами кислорода в тетраэдрическом расположении. Это сопряженное основание иона гидрофосфата H (PO
₄ ) ²⁻
, который, в свою очередь, является сопряженным основанием иона дигидрофосфата H
₂ (PO
₄ ) ⁻
, которое, в свою очередь, является сопряженным основанием ортофосфорной кислоты , H
₃ НОЧИ
₄ .

Многие фосфаты растворимы в воде при стандартной температуре и давлении . Фосфаты натрия, калия, рубидия , цезия и аммония растворимы в воде. Большинство других фосфатов мало растворимы или нерастворимы в воде. Как правило, водородные и дигидрофосфаты несколько более растворимы, чем соответствующие фосфаты.

Равновесия в растворе

фосфорной кислоты Вид

В водном растворе ортофосфорная кислота и три ее производных аниона сосуществуют в соответствии с приведенными ниже равновесиями диссоциации и рекомбинации.

Равновесие	Константа диссоциации K a	п К а
Ч 3 ПО 4 ⇌ Ч 2 ПО − 4 + Ч +	$K_{a1}={\frac {[{\ce {H+}}][{\ce {H2PO4-}}]}{[{\ce {H3PO4}}]}}\approx 7.5\times 10^{-3}$	р К а1 = 2,14
H 2 PO − 4 ⇌ HPO 2− 4 + H +	$K_{a2}={\frac {[{\ce {H+}}][{\ce {HPO4^2-}}]}{[{\ce {H2PO4-}}]}}\approx 6.2\times 10^{-8}$	р К а2 = 7,20
ПО 2- 4 ⇌ ПО 3- 4 + Н +	$K_{a3}={\frac {[{\ce {H+}}][{\ce {PO4^3-}}]}{[{\ce {HPO4^2-}}]}}\approx 2.14\times 10^{-13}$	р К а3 = 12,37

Значения указаны при температуре 25   °C и ионной силе 0.

Значения p K _a представляют собой значения pH , при которых концентрация каждого вида равна концентрации его сопряженных оснований . При pH 1 или ниже фосфорная кислота практически не диссоциирует. При pH 4,7 (середина между первыми двумя значениями p K _a ) ион дигидрофосфата [H
₂ ПО
₄ ] ⁻
, практически единственный присутствующий вид. При pH 9,8 (середина между вторым и третьим значениями p K _a ) ион моногидрофосфата [HPO
₄ ] ²⁻
, единственный присутствующий вид. При pH 13 или выше кислота полностью диссоциирует в виде фосфат-иона (PO
₄ ) ³⁻
.

Это означает, что соли моно- и дифосфат-ионов можно избирательно кристаллизовать из водного раствора, установив значение pH на уровне 4,7 или 9,8.

Фактически, Х
₃ НОЧИ
₄ , Ч
₂ (PO
₄ ) ⁻
и H(PO
₄ ) ²⁻
ведут себя как отдельные слабые кислоты , поскольку последовательные p K _a различаются более чем в 4 раза.

Фосфат может образовывать множество полимерных таких как пирофосфат ионов , (P
₂2О
₇ ) ⁴⁻
и трифосфат , (P
₃3О
₁₀ ) ⁵⁻
. Различные ионы метафосфата (которые обычно представляют собой длинные линейные полимеры) имеют эмпирическую формулу (PO
₃ ) ⁻
и встречаются во многих соединениях.

Биохимия фосфатов

В биологических системах фосфор может находиться в виде свободных фосфат-анионов в растворе ( неорганический фосфат ) или в виде связанных с органическими молекулами в виде различных органофосфатов .

Неорганический фосфат обычно обозначается и _Pi при физиологическом ( гомеостатическом ) pH состоит в основном из смеси [HPO
₄ ] ²⁻
и [Ч
₂ ПО
₄ ] ⁻
ионы. При нейтральном pH, как и в цитозоле (pH = 7,0), концентрации ортофосфорной кислоты и трех ее анионов имеют соотношения $${\begin{aligned}{\frac {[{\ce {H2PO4-}}]}{[{\ce {H3PO4}}]}}&\approx 7.5\times 10^{4}\\[4pt]{\frac {[{\ce {HPO4^2-}}]}{[{\ce {H2PO4-}}]}}&\approx 0.62\\[4pt]{\frac {[{\ce {PO4^3-}}]}{[{\ce {HPO4^2-}}]}}&\approx 2.14\times 10^{-6}\end{aligned}}$$

Таким образом, только [H
₂ ПО
₄ ] ⁻
и [HPO
₄ ] ²⁻
ионы присутствуют в цитозоле в значительных количествах (62% [H
₂ ПО
₄ ] ⁻
, 38% [ГПО
₄ ] ²⁻
). Во внеклеточной жидкости (рН = 7,4) эта пропорция обратная (61% [HPO
₄ ] ²⁻
, 39% [Н
₂ ПО
₄ ] ⁻
).

Неорганический фосфат также может присутствовать в виде пирофосфат- анионов [P
₂2О
₇ ] ⁴⁻
, которые при гидролизе дают ортофосфат :

[П
₂2О
₇ ] ⁴⁻
+ Н ₂ О ⇌ 2 [HPO
₄ ] ²⁻

Органические фосфаты обычно встречаются в форме сложных эфиров в виде нуклеотидов (например, АМФ , АДФ и АТФ ), а также в ДНК и РНК . Свободные ортофосфат-анионы могут высвобождаться при гидролизе фосфоангидридных связей АТФ или АДФ. Эти реакции фосфорилирования и дефосфорилирования являются непосредственным хранилищем и источником энергии для многих метаболических процессов. АТФ и АДФ часто называют высокоэнергетическими фосфатами , как и фосфагены в мышечной ткани. Подобные реакции существуют и для других нуклеозиддифосфатов и трифосфатов .

Кости и зубы

Важным явлением фосфатов в биологических системах является структурный материал костей и зубов. Эти структуры состоят из кристаллического фосфата кальция в форме гидроксиапатита . Твердая плотная эмаль зубов млекопитающих может содержать фторапатит , гидроксифосфат кальция , в котором некоторые гидроксильные группы заменены ионами фтора .

Использование в медицинских и биологических исследованиях

Фосфаты – это лекарственные соли фосфора. Некоторые фосфаты, которые помогают вылечить многие инфекции мочевыводящих путей , используются для повышения кислотности мочи. Чтобы избежать развития кальциевых камней в мочевыводящих путях, применяют некоторые фосфаты. Пациентам, которые не могут получать достаточное количество фосфора с ежедневным рационом, фосфаты используются в качестве пищевых добавок, обычно из-за определенных нарушений или заболеваний. С инъекционными фосфатами могут обращаться только квалифицированные медицинские работники.

Метаболизм растений

Растения поглощают фосфор несколькими путями: арбускулярным микоризным путем и путем прямого поглощения.

Неблагоприятные последствия для здоровья

Гиперфосфатемия , или высокий уровень фосфатов в крови, связана с повышенной смертностью среди населения в целом. Наиболее распространенной причиной гиперфосфатемии у людей, собак и кошек является почечная недостаточность. В случаях гиперфосфатемии ограничение потребления продуктов, богатых фосфатами, таких как некоторые мясные и молочные продукты, а также продуктов с высоким соотношением фосфатов к белкам, таких как безалкогольные напитки, фаст-фуд, обработанные пищевые продукты, приправы и другие продукты, содержащие фосфат. -рекомендуются солевые добавки.

Фосфаты вызывают кальцификацию сосудов , а высокая концентрация фосфатов в крови оказалась предиктором сердечно-сосудистых событий .

Производство

Геологическое явление

Фосфатный рудник возле Флэйминг-Гордж, штат Юта , США, 2008 г.

Поезд с фосфоритом, Метлауи , Тунис, 2012 г.

Фосфаты представляют собой природную форму элемента фосфора , который содержится во многих фосфатных минералах . В минералогии и геологии фосфатом называют горную породу или руду, содержащую ионы фосфата. Неорганические фосфаты добывают для получения фосфора для использования в сельском хозяйстве и промышленности.

Крупнейшим мировым производителем и экспортером фосфатов является Марокко . В Северной Америке крупнейшие месторождения находятся в районе Bone Valley в центральной Флориде , в районе Сода-Спрингс на юго-востоке Айдахо и на побережье Северной Каролины . Меньшие месторождения расположены в Монтане , Теннесси , Джорджии и Южной Каролине . Небольшое островное государство Науру и его соседний остров Банаба , где раньше располагались огромные месторождения фосфатов самого высокого качества, были добыты в чрезмерном количестве. Фосфат также можно найти в Египте, Израиле, Палестине, Западной Сахаре, на острове Навасса , Тунисе, Того и Иордании, странах с крупной промышленностью по добыче фосфатов.

Фосфоритовые рудники в основном находятся в:

• Северная Америка :
  Основная статья: Добыча фосфатов в США
  Соединенные Штаты, особенно Флорида, с меньшими месторождениями в Северной Каролине , Айдахо и Теннесси.
• Африка : Марокко , Алжир , Египет , Нигер , Сенегал , Того , Тунис , Мавритания.
• Ближний Восток : Саудовская Аравия , Иордания , Израиль , Сирия , Иран и Ирак , в городе Акашат , недалеко от иорданской границы.
• Центральная Азия : Казахстан
• Океания : Австралия , Макатея , Науру и остров Банаба .

По оценкам, в 2007 году при нынешних темпах потребления запасы фосфора исчерпаются через 345 лет. Однако некоторые ученые считали, что « пик фосфора » наступит через 30 лет, а Дана Корделл из Института устойчивого будущего заявила, что «при нынешних темпах запасы фосфора будут истощены в ближайшие 50–100 лет». Под резервами понимается сумма, предположительно возмещаемая по текущим рыночным ценам. В 2012 году Геологическая служба США оценила мировые запасы в 71 миллиард тонн, тогда как в 2011 году во всем мире было добыто 0,19 миллиарда тонн. Фосфор составляет 0,1% по массе средней породы. (при этом его типичная концентрация в растительности составляет от 0,03% до 0,2%), и, следовательно, в 3×10 Земли содержится квадриллионы тонн фосфора. ¹⁹ -тонная корочка, хотя и преимущественно с более низкой концентрацией, чем месторождения, считающиеся запасами, которые инвентаризированы и их добыча дешевле. Если предположить, что фосфатные минералы в фосфоритной породе представляют собой в основном гидроксиапатит и фторапатит, фосфатные минералы содержат примерно 18,5% фосфора по массе. Если фосфоритная руда содержит около 20% этих минералов, то средняя фосфоритная руда содержит примерно 3,7% фосфора по весу.

Некоторые месторождения фосфоритов, такие как Малберри во Флориде, примечательны наличием значительных количеств радиоактивных изотопов урана. Это вызывает беспокойство, поскольку радиоактивность может попасть в поверхностные воды. от внесения полученного фосфорного удобрения .

В декабре 2012 года Cominco Resources объявила об обновленных соответствующих требованиям JORC ресурсах своего проекта Хинда в Конго-Браззавиле, , в размере 531 миллиона тонн, что делает его крупнейшим измеренным и выявленным месторождением фосфатов в мире.

Примерно в 2018 году в Норвегии были обнаружены залежи фосфатов, почти равные запасам на всей остальной Земле вместе взятые.

В июле 2022 года Китай объявил о квотах на экспорт фосфатов.

Крупнейшими импортерами фосфатов в миллионах тонн являются Бразилия (3,2), Индия (2,9) и США (1,6).

Горное дело

Импорт/экспорт фосфатов в 1937 г.

На три основные страны-производителя фосфатов (Китай, Марокко и США) приходится около 70% мирового производства.

Производство и мировые запасы природного фосфата по странам в 2019 г.
(Геологическая служба США, 2021 г.)

Страна	Производство (миллионы кг)	Доля глобальный производство (%)	Резервы (миллионы кг)
Алжир	1,300	0.54	2,200,000
Австралия	2,700	1.17	1,100,000
Бразилия	4,700	3.00	1,600,000
Китай	95,000	44.83	3,200,000
Египет	5,000	2.47	2,800,000
Финляндия	995	-	1,000,000
Индия	1,480	0.49	46,000
Ирак	200	0.09	430,000
Израиль	2,810	1.48	57,000
Иордания	9,220	3.36	800,000
Казахстан	1,500	0.72	260,000
Мексика	558	0.76	30,000
Марокко и Западная Сахара	35,500	13.45	50,000,000
Перу	4,000	1.79	210,000
Россия	13,100	5.60	600,000
Саудовская Аравия	6,500	1.48	1,400,000
Сенегал	3,420	0.45	50,000
ЮАР	2,100	0.99	1,400,000
Сирия	2,000	0.34	1,800,000
Togo	800	0.45	30,000
Тунис	4,110	1.79	100,000
Узбекистан	900	-	100,000
Соединенные Штаты	23,300	12.37	1,000,000
Вьетнам	4,650	1.21	30,000
Другие страны	1,140	1.17	840,000
Общий	227,000	100	71,000,000

Экология

Фосфат морской поверхности из Атласа Мирового океана

Связь потребления фосфатов и нитратов для фотосинтеза в различных регионах океана. Обратите внимание, что нитраты чаще являются лимитирующими, чем фосфаты. См. соотношение Редфилда .

С экологической точки зрения, из-за своей важной роли в биологических системах фосфат является весьма востребованным ресурсом. После использования он часто становится лимитирующим питательным веществом в окружающей среде , и его доступность может определять скорость роста организмов. В целом это справедливо для пресноводной среды, тогда как азот чаще является ограничивающим питательным веществом в морской среде (морской воде). Добавление высоких уровней фосфатов в окружающую среду и микросреду, где они обычно встречаются редко, может иметь серьезные экологические последствия. Например, может произойти цветение популяций одних организмов за счет других, а также коллапс популяций, лишенных таких ресурсов, как кислород (см. Эвтрофикация ). В контексте загрязнения фосфаты являются одним из компонентов общего количества растворенных твердых веществ , что является основным показателем качества воды, но не весь фосфор находится в молекулярной форме, которую водоросли могут расщеплять и потреблять.

верхнем слое почвы можно обнаружить осадки гидроксиапатита кальция и кальцита Вокруг бактерий в аллювиальном . Поскольку глинистые минералы способствуют биоминерализации, присутствие бактерий и глинистых минералов приводило к выпадению в осадок гидроксиапатита кальция и кальцита.

Отложения фосфатов могут содержать значительные количества встречающихся в природе тяжелых металлов. При горнодобывающей деятельности по переработке фосфоритной руды могут образовываться отвалы отходов с повышенным содержанием кадмия , свинца , никеля , меди , хрома и урана . Без тщательного обращения эти отходы могут привести к выщелачиванию тяжелых металлов в грунтовые воды или близлежащие устья рек. Поглощение этих веществ растениями и морскими обитателями может привести к концентрации токсичных тяжелых металлов в пищевых продуктах.

См. также

• Диаммонийфосфат - (NH ₄ ) ₂ HPO ₄
• Динатрийфосфат – Na ₂ HPO ₄
• Удобрения
• Гипофосфит – H
  ₂ (PO
  ₂ ) ⁻
  
• Метафосфат - (PO
  ₃ )
  _н
• Монофосфат натрия – NaH ₂ PO ₄
• Фосфорорганические соединения
• Бассейн Улед-Абдун
• Фосфат – OP(OR) ₃ , например трифенилфосфат.
• Фосфатное конверсионное покрытие
• Фосфатная сода , газированный напиток
• Фосфинат – OP(OR)R ₂
• Фосфин – ПР ₃
• Оксид фосфина – OPR ₃
• Фосфинит – P(OR)R ₂
• Фосфит – P(OR) ₃
• фосфогипс
• Фосфонат – ОП(ОР) ₂ Р
• Фосфонит – P(OR) ₂ R
• фосфорилирование
• Полифосфат – (HPO
  ₃ )
  _н
• Пирофосфат - (P
  ₂2О
  ₇ ) ⁴⁻
  
• Триполифосфат натрия – Na ₅ P ₃ O ₁₀

Внешние ссылки

• Браузер данных о минералах США предоставляет графические данные о потреблении, производстве, импорте, экспорте и ценах на фосфаты и 86 других полезных ископаемых.
• Фосфат: монография по аналитам – Ассоциация клинической биохимии и лабораторной медицины