Фосфат -Phosphate
|
|||
Имена | |||
---|---|---|---|
Систематическое название ИЮПАК
Фосфат |
|||
Идентификаторы | |||
3D модель ( JSmol )
|
|||
3903772 | |||
ЧЭБИ | |||
ХимПаук | |||
1997 г. | |||
МеШ | Фосфаты | ||
PubChem CID
|
|||
УНИИ | |||
|
|||
|
|||
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).
|
В химии фосфат представляет собой анион , соль , функциональную группу или эфир, полученный из фосфорной кислоты . Чаще всего это означает ортофосфат , производное ортофосфорной кислоты H.
3ПО
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
2ПО
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 .
4RR'R", где один или несколько атомов водорода заменены органическими группами. Примером является триметилфосфат ( CH
3)
3ПО
4. Этот термин также относится к трехвалентной функциональной группе OP(O-)
3в 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
3ПО
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
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 4 ⇌ Н 2ПО− 4+ Н+ |
К а 1 = [ Н+ ] [ Н 2ПО− 4] / [ Ч 3ПО 4] ≈ 7,5 × 10–3 |
р К а1 = 2,14 |
ЧАС 2ПО− 4⇌ ГПО2− 4+ Н+ |
К а 2 = [ Н+ ] [ ГПО2− 4] / [ Ч 2ПО− 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
2ПО
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
3ПО
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
2О
7)4-
, и трифосфат , ( P
3О
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 [Н
2ПО
4]−
ионы. При нейтральном рН, как и в цитозоле (рН = 7,0), концентрации ортофосфорной кислоты и трех ее анионов имеют соотношения
- [ Ч
2ПО−
4] / [ Ч
3ПО
4] ≈ 7,5 × 10 4 - [ ГПО2−
4] / [ Ч
2ПО−
4] ≈ 0,62 - [ ЗП3−
4] / [ ГПО2−
4] ≈ 2,14 × 10–6
Таким образом, только [H
2ПО
4]−
и [HPO
4]2-
ионы в значительных количествах присутствуют в цитозоле (62% [H
2ПО
4]−
, 38% [ГПО
4]2-
). Во внеклеточной жидкости (pH = 7,4) эта пропорция обратная (61% [HPO
4]2-
, 39% [Н
2ПО
4]−
).
Неорганический фосфат может присутствовать также в виде анионов пирофосфата [P
2О
7]4-
, который может дать ортофосфат путем гидролиза :
-
[П
2О
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
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:
- Северная Америка :Северной Каролине , Айдахо и Теннесси. Соединенные Штаты, особенно Флорида, с меньшими месторождениями в
- Африка : Марокко , Алжир , Египет , Нигер , Сенегал , Того , Тунис .
- Ближний Восток : Израиль , Саудовская Аравия , Иордания , Сирия , Иран и Ирак , в городе Акашат , недалеко от границы с Иорданией.
- Центральная Азия : Казахстан
- Океания : Австралия , Макатея , Науру и остров Банаба .
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.
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
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
-
Пирофосфат - (P
2О
7)4-
-
Полифосфат - (HPO
3)
н -
Метафосфат - (POп
3) - Удобрение
-
Гипофосфит – Н
2(ПО
2)−
- Фосфорорганические соединения
- Фосфат – OP(OR) 3 , такой как трифенилфосфат
- Фосфатное конверсионное покрытие
- Фосфатная сода , газированный напиток из фонтана
- Фосфинат – OP(OR)R 2
- Фосфин – PR 3
- Оксид фосфина – OPR 3
- Фосфинит – P(OR)R 2
- Фосфит – П(ОР) 3
- Фосфогипс
- Фосфонат – OP(OR) 2 R
- Фосфонит – P(OR) 2 R
- фосфорилирование
- Диаммонийфосфат - (NH 4 ) 2 HPO 4
- Фосфат динатрия – Na 2 HPO 4
- Монофосфат натрия – NaH 2 PO 4
- Триполифосфат натрия – Na 5 P 3 O 10
- Бассейн Улед Абдун
использованная литература
внешние ссылки
- Браузер данных US Minerals предоставляет графические данные о потреблении, производстве, импорте, экспорте и ценах на фосфат и 86 других полезных ископаемых .
- Фосфат: монография аналита - Ассоциация клинической биохимии и лабораторной медицины