Фосфат -Phosphate

Фосфат
Стереоскелетная формула фосфата
Ароматический шарик и палочка модели фосфата
Заполняющая пространство модель фосфата
Имена
Систематическое название ИЮПАК
Фосфат
Идентификаторы
3D модель ( JSmol )
3903772
ЧЭБИ
ХимПаук
1997 г.
МеШ Фосфаты
УНИИ
  • InChI=1S/H3O4P/c1-5(2,3)4/h(H3,1,2,3,4)/p-3 ПроверьтеД
    Ключ: NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K ПроверьтеД
  • [О-]П([О-])([О-])=О
  • [О-] Р (= О) ([О-]) [О-]
  • О=П([О-])([О-])[О-]
  • [О-] [П+]([О-])([О-])[О-]
Характеристики
ПО3−
4
Молярная масса 94,9714 г моль -1
Сопряженная кислота Моногидрофосфат
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа).
ПроверьтеД проверить  ( что   ?) ПроверьтеД☒Н

В химии фосфат представляет собой анион , соль , функциональную группу или эфир, полученный из фосфорной кислоты . Чаще всего это означает ортофосфат , производное ортофосфорной кислоты H.
3
ПО
4
.

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

В органической химии фосфат или ортофосфат — это органофосфат , эфир ортофосфорной кислоты формы PO .
4
RR'R",
где один или несколько атомов водорода заменены органическими группами. Примером является триметилфосфат ( CH
3
)
3
ПО
4
. Этот термин также относится к трехвалентной функциональной группе OP(O-)
3
в таких эфирах.

Ортофосфаты особенно важны 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

Ион фосфата 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
(ПО
4
)
, которое, в свою очередь, является сопряженным основанием ортофосфорной кислоты , H
3
ПО
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. Водородные и дигидрофосфаты, как правило, несколько более растворимы, чем соответствующие фосфаты.

Равновесия в растворе

Форма фосфорной кислоты

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

Равновесие Константа диссоциации K a р К а
Н 3 ПО 4Н
2
ПО
4
+ Н+
К а 1 = [ Н+
] [ Н
2
ПО
4
] / [ Ч
3
ПО
4
] ≈ 7,5 × 10–3
р К а1 = 2,14
ЧАС
2
ПО
4
ГПО2−
4
+ Н+
К а 2 = [ Н+
] [ ГПО2−
4
] / [ Ч
2
ПО
4
] ≈ 6,2 × 10–8
р К а2 = 7,20
ГПО2−
4
ПО3−
4
+ Н+
К а 3 = [ Н+
] [ ЗП3−
4
] / [ ГПО2−
4
] ≈ 2,14 × 10–13
р К а3 = 12,37

Значения даны при 25  °C и нулевой ионной силе.

Значения p K a представляют собой значения pH , при которых концентрация каждого вида равна концентрации сопряженных с ним оснований . При рН 1 и ниже фосфорная кислота практически не диссоциирует. Около pH 4,7 (посередине между первыми двумя значениями p K a ) ион дигидрофосфата [H
2
ПО
4
]
, является практически единственным присутствующим видом. Около pH 9,8 (посередине между вторым и третьим значениями p K a ) ион моногидрофосфата [HPO
4
]2-
, является единственным присутствующим видом. При pH 13 или выше кислота полностью диссоциирует в виде иона фосфата ( PO
4
)3-
.

Это означает, что соли моно- и дифосфат-ионов можно селективно кристаллизовать из водного раствора, установив значение рН либо 4,7, либо 9,8.

Фактически, Н
3
ПО
4
, ч
2
(ПО
4
)
и H(PO
4
)2-
ведут себя как отдельные слабые кислоты, так как последовательные p K a различаются более чем на 4.

Фосфат может образовывать множество полимерных ионов, таких как пирофосфат ( P
2
О
7
)4-
, и трифосфат , ( P
3
О
10
)5-
. Различные ионы метафосфата (которые обычно представляют собой длинные линейные полимеры) имеют эмпирическую формулу (PO
3
)
и находятся во многих соединениях.

Биохимия фосфатов

В биологических системах Ф. может находиться в виде свободных анионов фосфатов в растворе ( неорганический фосфат ) или связан с органическими молекулами в виде различных фосфорорганических соединений .

Неорганический фосфат обычно обозначается P i и при физиологическом (гомеостатическом) pH в основном состоит из смеси [HPO
4
]2-
и
2
ПО
4
]
ионы. При нейтральном рН, как и в цитозоле (рН = 7,0), концентрации ортофосфорной кислоты и трех ее анионов имеют соотношения

[ Ч
2
ПО
4
] / [ Ч
3
ПО
4
] ≈ 7,5 × 10 4
[ ГПО2−
4
] / [ Ч
2
ПО
4
] ≈ 0,62
[ ЗП3−
4
] / [ ГПО2−
4
] ≈ 2,14 × 10–6

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

Неорганический фосфат может присутствовать также в виде анионов пирофосфата [P
2
О
7
]4-
, который может дать ортофосфат путем гидролиза :


2
О
7
]4-
+ H 2 O ⇌ 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 ортофосфатные анионы могут высвобождаться при гидролизе фосфоангидридных связей в 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. Аналогичные реакции существуют и для других нуклеозиддифосфатов и трифосфатов .

Кости и зубы

Важное местонахождение фосфатов в биологических системах - это 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

Лекарственная форма (соль) фосфора – фосфат. Некоторые фосфаты, помогающие вылечить многие инфекции мочевыводящих путей, используются для повышения кислотности мочи. Во избежание образования кальциевых камней в мочевыводящих путях применяют некоторые фосфаты. Для пациентов, которые не могут получать достаточное количество фосфора в своем ежедневном рационе, фосфаты используются в качестве пищевых добавок, как правило, из-за определенных нарушений или заболеваний. Инъекционные фосфаты могут обрабатываться только поставщиком медицинских услуг.

Метаболизм растений

Растения поглощают фосфор несколькими путями: путем арбускулярной микоризы и путем прямого поглощения.

Неблагоприятные последствия для здоровья

Гиперфосфатемия , или высокий уровень фосфатов в крови, связана с повышенной смертностью среди населения в целом. Гиперфосфатемия обычно вызывается фосфатными пищевыми добавками , так как фосфаты, естественно присутствующие в пище, не полностью всасываются в желудочно- кишечном тракте . Фосфаты вызывают кальцификацию сосудов , и было обнаружено, что высокая концентрация фосфатов в крови является предиктором сердечно- сосудистых событий .

Фосфаты обычно используются в качестве добавок в промышленно обработанных пищевых продуктах и ​​фаст-фуде . Фаст-фуд и готовые к употреблению обработанные пищевые продукты являются основными причинами роста потребления фосфатов среди населения. Добавки фосфатов также часто встречаются в ароматизированных безалкогольных напитках , а также в некоторых молочных продуктах .

Производство

Геологическое происхождение

Фосфатный рудник возле Пылающего ущелья, Юта , США, 2008 г.
Поезд с фосфоритами, Метлауи , Тунис, 2012 г.

Фосфаты представляют собой встречающуюся в природе 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 самые большие залежи находятся в районе Боун-Вэлли в центральной Флориде , 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 соседний с ним остров Банаба , на котором раньше имелись массивные месторождения фосфатов самого высокого качества, добывались в чрезмерном количестве. Горный фосфат также можно найти в Египте, Израиле, Палестине, Западной Сахаре, на острове Навасса , Тунисе, Того и Иордании, в странах с крупными предприятиями по добыче фосфатов.

Фосфоритовые рудники в основном находятся в:

В 2007 году при нынешних темпах потребления запасы фосфора иссякнут 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 будут истощены в ближайшие 50–100 лет». Резервы относятся к сумме, которую предполагается возместить 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. , и, следовательно, в земной коре размером 3×10 19 тонн находятся квадриллионы тонн фосфора , хотя и в преимущественно более низкой концентрации, чем месторождения, учитываемые как запасы, которые учтены и дешевле извлекать. Если предположить, что фосфатные минералы в фосфатной породе в основном представляют собой гидроксиапатит и фторапатит, фосфатные минералы содержат примерно 18,5% фосфора по весу. Если фосфатная порода содержит около 20% этих минералов, средняя фосфатная порода содержит примерно 3,7% фосфора по весу.

Некоторые месторождения фосфатных пород, такие как Малберри во Флориде, примечательны наличием значительного количества радиоактивных изотопов урана. Это вызывает озабоченность, поскольку радиоактивность может попасть в поверхностные воды в результате применения полученного фосфатного удобрения .

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

Добыча

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

Производство и мировые запасы природного фосфата по странам в 2019
г. (USGS, 2021 г.)
Страна Производство
(млн кг)
Доля в
мировом
производстве (%)
Запасы
(млн кг)
Алжир 1300 0,54 2 200 000
Австралия 2700 1,17 1 100 000
Бразилия 4700 3.00 1 600 000
Китай 95 000 44,83 3 200 000
Египет 5000 2,47 2 800 000
Финляндия 995 - 1 000 000
Индия 1480 0,49 46000
Ирак 200 0,09 430 000
Израиль 2810 1,48 57000
Иордания 9220 3,36 800 000
Казахстан 1500 0,72 260 000
Мексика 558 0,76 30 000
Марокко и Западная Сахара 35 500 13.45 50 000 000
Перу 4000 1,79 210 000
Россия 13 100 5,60 600 000
Саудовская Аравия 6500 1,48 1 400 000
Сенегал 3420 0,45 50 000
Южная Африка 2100 0,99 1 400 000
Сирия 2000 0,34 1 800 000
Идти 800 0,45 30 000
Тунис 4110 1,79 100 000
Узбекистан 900 - 100 000
Соединенные Штаты 23 300 12.37 1 000 000
Вьетнам 4650 1,21 30 000
Другие страны 1140 1,17 840 000
Общий 227 000 100 71 000 000

Экология

Фосфаты поверхности моря из Атласа Мирового океана
Взаимосвязь поглощения фосфатов и нитратов для фотосинтеза в различных районах океана. Обратите внимание, что нитраты чаще являются лимитирующими, чем фосфаты. См. коэффициент Редфилда .

С точки зрения экологии, из-за своей важной роли в биологических системах фосфаты являются очень востребованным ресурсом. После использования он часто является ограничивающим питательным веществом в окружающей среде , и его доступность может определять скорость роста организмов. Обычно это относится к пресноводным средам, тогда как азот чаще является ограничивающим питательным веществом в морской среде (морской воде). Добавление высоких уровней фосфатов в окружающую среду и микроокружение, в которых он обычно встречается редко, может иметь серьезные экологические последствия. Например, может происходить расцвет 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 расщепить и потреблять.

Осадки гидроксиапатита кальция и кальцита можно найти вокруг бактерий в аллювиальном верхнем слое почвы. Поскольку глинистые минералы способствуют биоминерализации, присутствие бактерий и глинистых минералов приводило к образованию осадков гидроксиапатита кальция и кальцита.

Отложения фосфатов могут содержать значительные количества встречающихся в природе тяжелых металлов. При добыче полезных ископаемых при переработке фосфоритов могут оставаться хвостохранилища с повышенным содержанием кадмия , свинца , никеля , меди , хрома и урана . Без тщательного контроля эти отходы могут выщелачивать тяжелые металлы в грунтовые воды или близлежащие эстуарии. Поглощение этих веществ растениями и морскими обитателями может привести к концентрации токсичных тяжелых металлов в пищевых продуктах.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки