Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья об ортофосфат-ионе. Для фосфорорганических производных см. Фосфорорганические соединения .
Для других фосфатов см фосфорные кислоты и фосфаты .
Не путать с фосфатной содой или фосфонатом .
Фосфат
Стерео скелетная формула фосфата
Ароматическая модель шара и клюшки из фосфата
Модель заполнения пространства фосфата
Имена
Систематическое название ИЮПАК
Фосфат [1]
Идентификаторы
3D модель ( JSmol )
3903772
ЧЭБИ
ChemSpider
1997 г.
MeSHФосфаты
UNII
Характеристики
PO3-
4
Молярная масса94,9714 г моль -1
Конъюгированная кислотаМоногидрофосфат
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
проверитьY проверить  ( что есть   ?)проверитьY☒N
Ссылки на инфобоксы

В химии , А фосфат представляет собой анион , соль , функциональная группа , или сложный эфир , полученная из фосфорной кислоты . Чаще всего это означает ортофосфат , производное ортофосфорной кислоты H.
3PO
4.

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

  • ЧАС
    3    PO
    4
    Фосфорная
    кислота

  • [ЧАС
    2    PO
    4    ]-

    Dihydrogen
    фосфат

  • [HPO
    4    ]2−


    Фосфат водорода

  • [PO
    4    ]3−

    Фосфат

В органической химии , фосфат или ортофосфате является фосфорорганическим , сложным эфиром ортофосфорной кислоты вида PO
4RR'R ″, где один или несколько атомов водорода заменены органическими группами. Примером может служить триметилфосфат , (СН
3)
3PO
4. 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. [2] Добавление и удаление фосфатных групп ( фосфорилирование и дефосфорилирование ) являются ключевыми этапами клеточного метаболизма .

Ортофосфаты могут конденсироваться с образованием пирофосфатов .

Химические свойства [ править ]

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−
, которое, в свою очередь, является сопряженным основанием иона дигидрофосфата H
2(PO
4)-
, которое, в свою очередь, является сопряженным основанием ортофосфорной кислоты , H
3PO
4.

Многие фосфаты не растворяются в воде при стандартной температуре и давлении . Фосфаты натрия, калия, рубидия , цезия и аммония растворимы в воде. Большинство других фосфатов плохо растворимы или нерастворимы в воде. Как правило, водород и дигидрофосфаты немного более растворимы, чем соответствующие фосфаты.

Равновесия в растворе [ править ]

Кислота фосфорная видообразование

В водном растворе ортофосфорная кислота и три ее производных аниона сосуществуют в соответствии с равновесиями диссоциации и рекомбинации, приведенными ниже [3]

РавновесиеКонстанта диссоциации K a [4]p K a
H 3 PO 4 ⇌ H
2PO-
4+ H+
K a 1 = [ H+
] [ H
2PO-
4] / [ H
3PO
4] ≈ 7,5 × 10 −3		p K a1 = 2,14
ЧАС
2PO-
4⇌ HPO2-
4+ H+
K a 2 = [ H+
] [ HPO2-
4] / [ H
2PO-
4] ≈ 6,2 × 10 −8		р К а2 = 7,20
HPO2-
4⇌ PO3-
4+ H+
K a 3 = [ H+
] [ PO3-
4] / [ HPO2-
4] ≈ 2,14 × 10 −13		p K a3 = 12,37

Значения даны при 25  ° C и нулевой ионной силе.

Значения p K a - это значения pH, при которых концентрация каждого вида равна концентрации его сопряженных оснований . При pH 1 или ниже фосфорная кислота практически не диссоциирует. При pH около 4,7 (посередине между первыми двумя значениями p K a ) ион дигидрофосфата, [H
2PO
4]-
, практически единственный вид. При pH около 9,8 (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 фосфат-иона (PO
4)3−
.

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

Фактически, H
3PO
4, H
2(PO
4)-
и H (PO
4)2−
ведут себя как отдельные слабые кислоты, потому что последовательные p K a отличаются более чем на 4.

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

Биохимия фосфатов [ править ]

В биологических системах фосфор можно найти в виде свободных анионов фосфата в растворе ( неорганический фосфат ) или связать с органическими молекулами в виде различных органофосфатов .

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

[ H
2PO-
4] / [ H
3PO
4] ≈ 7,5 × 10 4
[ HPO2-
4] / [ H
2PO-
4 ] ≈ 0,62
[ PO3-
4] / [ HPO2-
4] ≈ 2,14 × 10 −6

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

Неорганический фосфат может присутствовать также в виде пирофосфат- анионов [P
2О
7]4−
, который может дать ортофосфат при гидролизе :

[П
2О
7]4−
+ H 2 O ⇌ 2 [HPO
4]2−

Органические фосфаты обычно встречаются в виде сложных эфиров в виде нуклеотидов (например, AMP , ADP и ATP ), а также в ДНК и РНК . Свободные ортофосфатные анионы могут высвобождаться путем гидролиза фосфоангидридных связей в АТФ или АДФ. Эти реакции фосфорилирования и дефосфорилирования являются непосредственным накопителем и источником энергии для многих метаболических процессов. АТФ и АДФ часто называют высокоэнергетическими фосфатами , как и фосфагены в мышечной ткани. Аналогичные реакции для других нуклеозидов дифосфатови трифосфаты .

Референсные диапазоны для анализов крови , показывающие «неорганический фосфор» фиолетовым цветом справа, почти идентичны молярной концентрации фосфата.

Кости и зубы [ править ]

Фосфаты встречаются в биологических системах как структурный материал костей и зубов. Эти структуры сделаны из кристаллического фосфата кальция в форме гидроксиапатита . Твердая плотная эмаль зубов млекопитающих состоит из фторапатита , гидрокси- фосфата кальция, в котором некоторые гидроксильные группы заменены фторид- ионами.

Использование в медицинских и биологических исследованиях [ править ]

Лечебный вид (соль) фосфора - фосфат. Некоторые фосфаты, которые помогают вылечить многие инфекции мочевыводящих путей, делают мочу более кислой. Чтобы избежать образования кальциевых камней в мочевыводящих путях, используют некоторые фосфаты. [5] Для пациентов, которые не могут получать достаточное количество фосфора в своем ежедневном рационе, фосфаты используются в качестве пищевых добавок, как правило, из-за определенных расстройств или заболеваний. [5] Инъекционные фосфаты могут обрабатываться только врачом или под его или ее наблюдением. [5]

С помощью крошечной иглы врач возьмет образец крови из вены на руке. После введения иглы в пробирку или флакон набирается небольшое количество крови. Когда игла входит или выходит, можно почувствовать небольшую боль. Обычно это занимает менее пяти минут. Этот процесс известен как анализ крови на фосфат. [6]

Метаболизм растений [ править ]

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

Производство [ править ]

Геологическое происхождение [ править ]

Фосфатный рудник возле Пылающего ущелья , штат Юта , 2008 г.
Поезд с фосфоритом, Метлауи , Тунис , 2012 г.

Фосфаты - это естественная форма фосфорного элемента , который содержится во многих фосфатных минералах . В минералогии и геологии фосфат относится к породе или руде, содержащей ионы фосфата. Неорганические фосфаты добывают для получения фосфора для использования в сельском хозяйстве и промышленности. [2]

Крупнейшим мировым производителем и экспортером фосфатов является Марокко . В Северной Америке самые большие месторождения находятся в регионе Боун-Вэлли в центральной Флориде , в регионе 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 остров Банаба, которые раньше имели огромные залежи фосфатов самого высокого качества, разрабатывались чрезмерно. Фосфаты горных пород также можно найти в Египте, Израиле, Западной Сахаре, на острове Навасса , Тунисе, Того и Иордании, странах с крупными предприятиями по добыче фосфатов.

Фосфоритовые рудники в основном находятся в:

  • Северная Америка :
    Основная статья: Добыча фосфатов в США
    США, особенно Флорида, с меньшими месторождениями в Северной Каролине , Айдахо и Теннесси.
  • 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 , Макатеа , Науру и остров Банаба.

В 2007 году, при текущих темпах потребления, запас фосфора, по оценкам, иссякнет через 345 лет. [7] Однако некоторые ученые полагали, что « пик фосфора » произойдет через 30 лет, а Дана Корделл из Института устойчивого будущего заявила, что «при нынешних темпах запасы будут исчерпаны в следующие 50–100 лет». [8] Под запасами понимается предполагаемая извлекаемая сумма по текущим рыночным ценам, и в 2012 году Геологическая служба США оценила мировые запасы в 71 миллиард тонн, в то время как в 2011 году мировая добыча составила 0,19 миллиарда тонн. [9] Фосфор составляет 0,1% по массе средняя порода [10] (в то время как, для перспективы, его типичная концентрация в растительности составляет от 0,03% до 0,2%), [11]и, следовательно, есть квадриллионы тонн фосфора в земной коре 3 * 10 19 тонн [12], хотя и в большей степени с более низкой концентрацией, чем отложения, которые считаются запасами из инвентаризационных запасов и которые дешевле добывать; если предположить, что фосфатные минералы в фосфоритной руде представляют собой гидроксиапатит и фторапатит, фосфатные минералы содержат примерно 18,5% фосфора по весу, а если фосфатная порода содержит около 20% этих минералов, средняя фосфатная порода содержит примерно 3,7% фосфора по весу.

Некоторые месторождения фосфатных пород, такие как Mulberry во Флориде [13] , отличаются наличием значительных количеств радиоактивных изотопов урана. Этот синдром заслуживает внимания, потому что радиоактивность может выделяться в поверхностные воды [14] в процессе внесения полученного фосфатного удобрения (например, во многих операциях по выращиванию табака на юго-востоке США).

В декабре 2012 года Cominco Resources объявила об обновленных ресурсах своего проекта Hinda в Конго-Браззавиль, соответствующих требованиям JORC, в размере 531 млн тонн, что сделало его крупнейшим измеренным и указанным месторождением фосфатов в мире. [15]

Горное дело [ править ]

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

Производство и мировые запасы природного фосфата по странам в 2015 г.
(USGS, 2016) [16]
СтранаПроизводство
(млн кг)		Доля в
мировом
производстве (%)		Запасы
(млн кг)
Алжир1,2000,542 200 000
Австралия26001.171 030 000
Бразилия67003,00315 000
Китай100 00044,833 700 000
Египет5 5002,471,250,000
Индия1,1000,4965 000
Ирак2000,09430 000
Израиль3 3001,48130 000
Иордания7 5003,361 300 000
Казахстан1,6000,72260 000
Мексика1,7000,7630 000
Марокко30 00013,4550 000 000
Перу4 0001,79820 000
Россия12 5005,601 300 000
Саудовская Аравия3 3001,48956 000
Сенегал1,0000,4550 000
Южная Африка22000,991 500 000
Сирия7500,341,800,000
Идти1,0000,4530 000
Тунис4 0001,79100 000
Соединенные Штаты27 60012,371 100 000
Вьетнам2 7001,2130 000
Другие страны26001.17380 000
Общий223 00010069 000 000

Экология [ править ]

Фосфат морской поверхности из Атласа Мирового океана
Связь фосфатов с поглощением нитратов для фотосинтеза в различных регионах океана. Обратите внимание, что нитрат чаще является ограничивающим фактором, чем фосфат. См. Соотношение Редфилда .

С экологической точки зрения, из-за своей важной роли в биологических системах, фосфат является очень востребованным ресурсом. После использования он часто является ограничивающим питательным веществом в окружающей среде , и его доступность может определять скорость роста организмов. Как правило, это справедливо для пресноводных сред, в то время как азот чаще является ограничивающим питательным веществом в морской (морской) среде. Добавление высоких уровней фосфатов в окружающую среду и микросреду, в которых он обычно встречается редко, может иметь серьезные экологические последствия. Например, цветение популяций одних организмов за счет других и исчезновение популяций, лишенных таких ресурсов, как кислород (см. Эвтрофикация) может случиться. В контексте загрязнения фосфаты являются одним из компонентов общих растворенных твердых веществ , основным показателем качества воды, но не весь фосфор находится в молекулярной форме, которую водоросли могут расщеплять и потреблять. [17]

Гидроксиапатит кальция и осадки кальцита могут быть обнаружены вокруг бактерий в аллювиальном верхнем слое почвы. [18] Поскольку глинистые минералы способствуют биоминерализации, присутствие бактерий и глинистых минералов привело к осаждению гидроксиапатита кальция и кальцита. [18]

Фосфатные отложения могут содержать значительные количества встречающихся в природе тяжелых металлов. При горных работах по переработке фосфоритов могут оставаться отвалы хвостов, содержащие повышенные уровни кадмия , свинца , никеля , меди , хрома и урана . Без тщательного обращения с этими отходами тяжелые металлы могут попадать в подземные воды или близлежащие устья. Поглощение этих веществ растениями и морскими обитателями может привести к концентрации токсичных тяжелых металлов в пищевых продуктах. [19]

См. Также [ править ]

  • Пирофосфат - (P
    2    О
    7    )4−
  • Полифосфат - (HPO
    3    )
    п
  • Метафосфат - (ПОп
    3)
  • Удобрение
  • Гипофосфит - H
    2    (PO
    2    )-
  • Фосфорорганические соединения
  • Фосфат - OP (OR) 3 , например трифенилфосфат
  • Фосфатное конверсионное покрытие
  • Фосфатная сода , газированный фонтан
  • Фосфинат - OP (OR) R 2
  • Фосфин - PR 3
  • Оксид фосфина - OPR 3
  • Фосфинит - P (OR) R 2
  • Фосфит - P (OR) 3
  • Фосфогипс
  • Фосфонат - OP (OR) 2 R
  • Фосфонит - P (OR) 2 R
  • Фосфорилирование
  • Диаммонийфосфат - (NH 4 ) 2 HPO 4
  • Динатрий фосфат - Na 2 HPO 4
  • Мононатрий фосфат - NaH 2 PO 4
  • Триполифосфат натрия - Na 5 P 3 O 10
  • Бассейн Улед Абдун

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Фосфаты - публичная химическая база данных PubChem" . Проект PubChem . США: Национальный центр биотехнологической информации.
  2. ^ a b «Фосфатная грунтовка» . Флоридский промышленный и исследовательский институт фосфатов . Политехнический университет Флориды. Архивировано 29 августа 2017 года . Проверено 30 марта 2018 .
  3. ^ Кэмпбелл, Нил А .; Рис, Джейн Б. (2005). Биология (Седьмое изд.). Сан-Франциско, Калифорния: Бенджамин Каммингс . п. 65. ISBN 0-8053-7171-0.
  4. ^ Киптон Дж. Пауэлл, Пол Л. Браун, Роберт Х. Бирн, Тамаш Гайда, Гленн Хефтер, Стаффан Сьёберг, Ханс Ваннер (2005): «Химическое определение экологически значимых тяжелых металлов с неорганическими лигандами. Часть 1: Hg2+
    , Cl - , OH - , CO2-
    3    , ТАК2-
    4    , и ПО3-
    4    водные системы ». Чистая и прикладная химия , том 77, выпуск 4, страницы 739–800. doi : 10.1351 / pac200577040739
  5. ^ a b c "Фосфатная добавка (пероральный путь, парентеральный путь) Описание и торговые марки - клиника Мэйо" . www.mayoclinic.org . Проверено 20 ноября 2020 .
  6. ^ «Фосфат в крови: медицинский тест MedlinePlus» . medlineplus.gov . Проверено 20 ноября 2020 .
  7. ↑ Рейли, Майкл (26 мая 2007 г.). "Как долго это продлится?". Новый ученый . 194 (2605): 38–9. Bibcode : 2007NewSc.194 ... 38R . DOI : 10.1016 / S0262-4079 (07) 61508-5 .
  8. ^ Лео Льюис (2008-06-23). «Ученые предупреждают об отсутствии жизненно необходимого фосфора, поскольку биотопливо повышает спрос» . The Times .
  9. ^ Фосфористая порода Геологической службы США
  10. ^ Образцы фосфорной почвы Геологической службы США
  11. ^ Этаж Антони. «Изобилие стихий» . Seafriends.org.nz . Проверено 10 января 2013 .
  12. ^ Американского геофизического союза , Fall Meeting 2007, аннотация # V33A-1161. Масса и состав континентальной коры
  13. ^ Фосфатная промышленность Центральной Флориды: Заявление о воздействии на окружающую среду . 2 . Соединенные Штаты. Агентство по охране окружающей среды. 1979 г.
  14. ^ С. Майкл Хоган (2010). «Загрязнение воды» . В книге Марка МакГинли и К. Кливленда (Вашингтон, округ Колумбия: Национальный совет по науке и окружающей среде ) (ред.). Энциклопедия Земли . Архивировано из оригинала на 2010-09-16.
  15. ^ «Обновленное объявление о ресурсах на хинде: теперь крупнейшее в мире месторождение фосфатов (12.04.2012)» . Cominco Resources . Архивировано из оригинала на 2016-10-05 . Проверено 3 мая 2013 .
  16. ^ Ежегодник полезных ископаемых USGS - Фосфатная порода
  17. ^ Hochanadel, Дэйв (10 декабря 2010). «Ограниченное количество общего фосфора на самом деле питает водоросли, - показывают исследования» . Ученый озера . Проверено 10 июня 2012 года . [B] Доступный фосфор - фосфор, который может быть использован растениями и бактериями - составляет лишь небольшую часть от общего количества, по словам Майкла Бретта, профессора инженерных наук из Вашингтонского университета ...
  18. ^ a b Шмитнер К.Э., Жирес П. (1999). «Микроэкологический контроль биоминерализации: поверхностные процессы осаждения апатита и кальцита в четвертичных почвах, Руссильон, Франция». Седиментология . 46 (3): 463–76. Bibcode : 1999Sedim..46..463S . DOI : 10.1046 / j.1365-3091.1999.00224.x .
  19. ^ Gnandi, K .; Tchangbedjil, G .; Killil, K .; Babal, G .; Аббель, Э. (март 2006 г.). «Влияние хвостов фосфатных рудников на биоаккумуляцию тяжелых металлов в морской рыбе и ракообразных из прибрежной зоны Того». Шахтная вода и окружающая среда . 25 (1): 56–62. DOI : 10.1007 / s10230-006-0108-4 . S2CID 129497587 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • US Minerals Databrowser предоставляет графики данных, охватывающих потребление, производство, импорт, экспорт и цены на фосфаты и 86 других минералов.
  • Фосфат: монография аналита - Ассоциация клинической биохимии и лабораторной медицины