В химии фосфат — это анион , соль , функциональная группа или эфир , полученный из фосфорной кислоты . Чаще всего это ортофосфат , производное ортофосфорной кислоты, также известной как фосфорная кислота H 3 PO 4 .
Ион фосфата или ортофосфата [ PO
4]3−
получается из фосфорной кислоты путем удаления трех протонов H+
. Удаление одного протона дает ион дигидрофосфата [H
2ПО
4]−
в то время как удаление двух протонов дает ион фосфата водорода [HPO
4]2−
. Эти названия также используются для солей этих анионов, таких как дигидрофосфат аммония и тринатрийфосфат .
![[H2PO4]− Дигидрофосфат](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/db/2-dihydrogenphosphate-3D-balls.png/1280px-2-dihydrogenphosphate-3D-balls.png)
![[HPO4]2− Фосфат водорода](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/87/1-hydrogenphosphate-3D-balls.png/1280px-1-hydrogenphosphate-3D-balls.png)
![[PO 4]3− Фосфат или ортофосфат](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b0/0-phosphate-3D-balls.png/1280px-0-phosphate-3D-balls.png)
В органической химии фосфат или ортофосфат — это органофосфат , сложный эфир ортофосфорной кислоты формы PO
4RR′R″ , где один или несколько атомов водорода заменены органическими группами. Примером является триметилфосфат , (CH
3)
3ПО
4. Термин также относится к трехвалентной функциональной группе OP(O-)
3в таких эфирах. Фосфаты могут содержать серу вместо одного или нескольких атомов кислорода ( тиофосфаты и органотиофосфаты ).
Ортофосфаты особенно важны среди различных фосфатов из-за их ключевой роли в биохимии , биогеохимии и экологии , а также их экономической значимости для сельского хозяйства и промышленности. [2] Добавление и удаление фосфатных групп ( фосфорилирование и дефосфорилирование ) являются ключевыми этапами в клеточном метаболизме .
Ортофосфаты могут конденсироваться с образованием пирофосфатов .
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 гидрофосфат-иона H(PO
4)2−
, который в свою очередь является сопряженным основанием дигидрофосфат-иона H
2(ПО)
4)−
, которая 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 лишь немного растворимы или нерастворимы в воде. Как правило, гидро- и дигидрофосфаты немного более растворимы, чем соответствующие фосфаты.
В водном растворе ортофосфорная кислота и три ее производных аниона сосуществуют в соответствии с равновесиями диссоциации и рекомбинации, приведенными ниже [3]
Значения приведены при температуре 25 °C и нулевой ионной силе.
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 недиссоциирована. При pH около 4,7 (середина между первыми двумя значениями p K a ) ион дигидрофосфата, [H
2ПО
4]−
, является практически единственным присутствующим видом. Около pH 9,8 (середина между вторым и третьим значениями p K a ) моногидрофосфатный ион, [HPO
4]2−
, является единственным присутствующим видом. При pH 13 или выше кислота полностью диссоциирует в виде фосфат-иона (PO
4)3−
.
Это означает, что соли моно- и дифосфат-ионов можно селективно кристаллизовать из водного раствора, устанавливая значение pH либо 4,7, либо 9,8.
В действительности, H
3ПО
4, Н
2(ПО)
4)−
и Н(РО
4)2−
ведут себя как отдельные слабые кислоты , поскольку 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 метафосфатные ионы (которые обычно представляют собой длинные линейные полимеры) имеют эмпирическую формулу (PO
3)−
и встречаются во многих соединениях.
В биологических системах фосфор может находиться в виде свободных фосфатных анионов в растворе ( неорганический фосфат ) или быть связанным с органическими молекулами в виде различных органофосфатов .
Неорганический фосфат обычно обозначается Pi и при физиологическом ( гомеостатическом ) pH в основном состоит из смеси [HPO
4]2−
и [Н
2ПО
4]−
ионы. При нейтральном pH, как в цитозоле (pH = 7,0), концентрации ортофосфорной кислоты и ее трех анионов имеют соотношения
Таким образом, только [H
2ПО
4]−
и [HPO
4]2−
ионы присутствуют в цитозоле в значительных количествах (62% [H
2ПО
4]−
, 38% [HPO
4]2−
). Во внеклеточной жидкости (рН = 7,4) эта пропорция обратная (61% [HPO
4]2−
, 39% [Н
2ПО
4]−
).
Неорганический фосфат может также присутствовать в виде пирофосфатных анионов [P
2О
7]4−
, которые дают ортофосфат при гидролизе :
Органические фосфаты обычно встречаются в форме эфиров в виде нуклеотидов (например, AMP , ADP и ATP ), а также в ДНК и РНК . Свободные анионы ортофосфата могут высвобождаться путем гидролиза 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 для других нуклеозиддифосфатов и трифосфатов .
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 .
Фосфаты — это лечебные соли фосфора. Некоторые фосфаты, которые помогают лечить многие инфекции мочевыводящих путей , используются для повышения кислотности мочи. Чтобы избежать образования кальциевых камней в мочевыводящих путях, используются некоторые фосфаты. [5] Для пациентов, которые не могут получать достаточно фосфора в своем ежедневном рационе, фосфаты используются в качестве пищевых добавок, как правило, из-за определенных расстройств или заболеваний. [5] Инъекционные фосфаты могут применяться только квалифицированными медицинскими работниками. [5]
Растения усваивают фосфор несколькими путями: арбускулярно-микоризным путем и путем прямого поглощения.
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 рекомендуется ограничить потребление продуктов, богатых фосфатом, таких как некоторые виды мяса и молочных продуктов, а также продуктов с высоким соотношением фосфата к белку, таких как газированные напитки, фастфуд, обработанные пищевые продукты, приправы и другие продукты, содержащие добавки фосфатной соли. [6]
Фосфаты вызывают кальцификацию сосудов , и было обнаружено, что высокая концентрация фосфатов в крови является предиктором сердечно-сосудистых событий . [7]
Фосфаты являются естественной формой элемента фосфора , который содержится во многих фосфатных минералах . В минералогии и геологии фосфат относится к горной породе или руде, содержащей фосфатные ионы. Неорганические фосфаты добываются для получения фосфора для использования в сельском хозяйстве и промышленности. [2]
Крупнейшим мировым производителем и экспортером фосфатов является Марокко . В Северной Америке крупнейшие месторождения находятся в регионе Боун-Вэлли в центральной Флориде , регионе Сода-Спрингс на юго-востоке Айдахо и на побережье Северной Каролины . Меньшие месторождения находятся в Монтане , Теннесси , Джорджии и Южной Каролине . Небольшое островное государство Науру и его соседний остров Банаба , которые раньше имели огромные месторождения фосфатов самого высокого качества, подвергались чрезмерной добыче. Фосфорит также можно найти в Египте, Израиле, Палестине, Западной Сахаре, на острове Навасса , в Тунисе, Того и Иордании — странах, где есть крупные отрасли по добыче фосфатов.
Фосфоритовые рудники в основном находятся в:
В 2007 году при нынешних темпах потребления запасы фосфора, по оценкам, иссякнут через 345 лет. [8] Однако некоторые ученые считали, что « пик фосфора » наступит через 30 лет, а Дэна Корделл из Института устойчивого будущего заявила, что «при нынешних темпах запасы будут истощены в течение следующих 50–100 лет». [9] Запасы относятся к количеству, которое, как предполагается, можно извлечь по текущим рыночным ценам. В 2012 году USGS оценила мировые запасы в 71 миллиард тонн, в то время как в 2011 году во всем мире было добыто 0,19 миллиарда тонн. [10] Фосфор составляет 0,1% по массе средней породы [11] (в то время как, для перспективы, его типичная концентрация в растительности составляет от 0,03% до 0,2%), [12] и, следовательно, в земной коре весом 3× 1019 тонн находятся квадриллионы тонн фосфора , [13] хотя и в преимущественно более низкой концентрации, чем месторождения, учитываемые как запасы, которые инвентаризированы и извлекаются дешевле. 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, то средняя фосфатная порода содержит примерно 3,7% фосфора по весу.
Некоторые месторождения фосфатных пород, такие как Малберри во Флориде, [14] примечательны включением в них значительных количеств радиоактивных изотопов урана. Это вызывает беспокойство, поскольку радиоактивность может высвобождаться в поверхностные воды [15] при применении полученного фосфатного удобрения .
В декабре 2012 года компания Cominco Resources объявила об обновленных ресурсах своего проекта Hinda в Конго-Браззавиль, соответствующих кодексу JORC , в размере 531 миллиона тонн, что делает его крупнейшим измеренным и предполагаемым месторождением фосфата в мире. [16]
Около 2018 года в Норвегии были обнаружены залежи фосфатов, почти равные по объему всем остальным странам Земли вместе взятым. [17] [18]
В июле 2022 года Китай объявил квоты на экспорт фосфатов. [19]
Крупнейшими импортерами в миллионах метрических тонн фосфата являются Бразилия 3,2, Индия 2,9 и США 1,6. [20]
На три основные страны-производителя фосфатов (Китай, Марокко и США) приходится около 70% мирового производства.
.png/1280px-Annual_mean_sea_surface_phosphate_(World_Ocean_Atlas_2009).png)
С экологической точки зрения, из-за своей важной роли в биологических системах, фосфат является весьма востребованным ресурсом. После использования он часто становится ограничивающим питательным веществом в окружающей среде , и его доступность может определять скорость роста организмов. Это, как правило, верно для пресноводной среды, тогда как азот чаще является ограничивающим питательным веществом в морской (морской) среде. Добавление высоких уровней фосфата в окружающую среду и микросреду, в которой он обычно редок, может иметь значительные экологические последствия. Например, может произойти цветение популяций некоторых организмов за счет других и крах популяций, лишенных таких ресурсов, как кислород (см. эвтрофикация ). В контексте загрязнения фосфаты являются одним из компонентов общего количества растворенных твердых веществ , основного показателя качества воды, но не весь фосфор находится в молекулярной форме, которую водоросли могут расщеплять и потреблять. [22]
Осадки гидроксиапатита кальция и кальцита можно обнаружить вокруг бактерий в верхнем слое аллювиальной почвы. [23] Поскольку глинистые минералы способствуют биоминерализации, присутствие бактерий и глинистых минералов привело к образованию осадков гидроксиапатита кальция и кальцита. [23]
Фосфатные месторождения могут содержать значительное количество встречающихся в природе тяжелых металлов. Горнодобывающие работы по переработке фосфатной породы могут оставлять отвалы , содержащие повышенные уровни кадмия , свинца , никеля , меди , хрома и урана . Если не управлять ими осторожно, эти отходы могут выщелачивать тяжелые металлы в грунтовые воды или близлежащие эстуарии. Поглощение этих веществ растениями и морской жизнью может привести к концентрации токсичных тяжелых металлов в пищевых продуктах. [24]
Б]иодоступный фосфор — фосфор, который может быть использован растениями и бактериями — составляет лишь часть от общего количества, по словам Майкла Бретта, профессора инженерии Вашингтонского университета...
![{\displaystyle {\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}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a7bfb55f5ed7d0ba3805ba68970255099eca8291)