Fosforan -Phosphate
|
|||
Nazwy | |||
---|---|---|---|
Systematyczna nazwa IUPAC
Fosforan |
|||
Identyfikatory | |||
Model 3D ( JSmol )
|
|||
3903772 | |||
CZEBI | |||
ChemSpider | |||
1997 | |||
Siatka | Fosforany | ||
Identyfikator klienta PubChem
|
|||
UNII | |||
|
|||
|
|||
Nieruchomości | |||
PO3− 4 |
|||
Masa cząsteczkowa | 94,9714 g mol -1 | ||
Kwas sprzężony | Fosforan monowodorowy | ||
O ile nie zaznaczono inaczej, dane podano dla materiałów w ich stanie standardowym (przy 25 °C [77 °F], 100 kPa).
zweryfikuj ( co to jest ?)
|
W chemii fosforan jest anionem , solą , grupą funkcyjną lub estrem pochodzącym z kwasu fosforowego . Najczęściej oznacza ortofosforan , pochodną kwasu ortofosforowego H
3PO
4.
Jon fosforanowy lub ortofosforanowy [ PO
4]3-
powstaje z kwasu fosforowego przez usunięcie trzech protonów H+
. Usunięcie jednego lub dwóch protonów daje jon diwodorofosforanowy [H
2PO
4]−
oraz jon wodorofosforanowy [HPO
4]2-
odpowiednio. Nazwy te są również używane dla soli tych anionów, takich jak diwodorofosforan amonu i fosforan trisodu .
W chemii organicznej fosforan lub ortofosforan to organofosforan , ester kwasu ortofosforowego w postaci PO
4RR′R″ , gdzie jeden lub więcej atomów wodoru jest zastąpionych grupami organicznymi . Przykładem jest fosforan trimetylu ( CH
3)
3PO
4. Termin odnosi się również do trójwartościowej grupy funkcyjnej OP(O-)
3w takich estrach.
Ortofosforany są szczególnie ważne wśród różnych fosforanów ze względu na ich kluczową rolę w biochemii , biogeochemii i ekologii oraz ich znaczenie gospodarcze dla rolnictwa i przemysłu. Dodawanie i usuwanie grup fosforanowych ( fosforylacja i defosforylacja ) to kluczowe etapy metabolizmu komórkowego .
Ortofosforany mogą kondensować , tworząc pirofosforany .
Właściwości chemiczne
Jon fosforanowy ma masę molową 94,97 g/mol i składa się z centralnego atomu fosforu otoczonego czterema atomami tlenu w układzie czworościennym . Jest sprzężoną zasadą jonu wodorofosforanowego H(PO
4)2-
, który z kolei jest sprzężoną zasadą jonu diwodorofosforanowego H
2(PO
4)−
, który z kolei jest sprzężoną zasadą kwasu ortofosforowego , H
3PO
4.
Wiele fosforanów jest rozpuszczalnych w wodzie w standardowej temperaturze i ciśnieniu . Fosforany sodu, potasu, rubidu , cezu i amonu są rozpuszczalne w wodzie. Większość innych fosforanów jest tylko słabo rozpuszczalna lub nierozpuszczalna w wodzie. Z reguły wodór i diwodorofosforany są nieco lepiej rozpuszczalne niż odpowiednie fosforany.
Równowagi w roztworze
W roztworze wodnym kwas ortofosforowy i jego trzy pochodne aniony współistnieją zgodnie z poniższymi równowagami dysocjacji i rekombinacji
równowaga | Stała dysocjacji K a | p Ka _ |
---|---|---|
W 3 PO 4 ⇌ W 2PO− 4+ H+ |
Ka 1 = [ H+ ] [ H 2PO− 4] / [ H 3PO 4] ≈ 7,5 × 10 -3 |
p K a1 = 2,14 |
H 2PO− 4⇌ HPO2−4 _+ H+ |
Ka 2 = [ H+ ] [ HPO2−4 _] / [ H 2PO− 4] ≈ 6,2 × 10 -8 |
p Ka2 = 7,20 |
HPO2−4 _PO _3− 4+ H+ |
Ka 3 = [ H+ ] [ PO3− 4] / [ HPO2−4 _] ≈ 2,14 × 10 -13 |
p K a3 = 12,37 |
Wartości podano przy 25 °C i 0 sile jonowej.
Wartości pKa to wartości pH , w których stężenie każdego gatunku jest równe stężeniu jego sprzężonych zasad . Przy pH 1 lub niższym kwas fosforowy jest praktycznie niezdysocjowany. Około pH 4,7 (w połowie drogi między dwiema pierwszymi wartościami p Ka ) jon diwodorofosforanowy [H
2PO
4]−
, jest praktycznie jedynym obecnym gatunkiem. Około pH 9,8 (w połowie drogi między drugą a trzecią wartością p Ka ) jon monowodorofosforanowy [HPO
4]2-
, jest jedynym obecnym gatunkiem. Przy pH 13 lub wyższym kwas jest całkowicie zdysocjowany jako jon fosforanowy (PO
4)3-
.
Oznacza to, że sole jonów mono- i difosforanowych mogą być selektywnie krystalizowane z roztworu wodnego przez ustawienie wartości pH na 4,7 lub 9,8.
W efekcie H
3PO
4, H
2(PO
4)−
i H(PO
4)2-
zachowują się jak oddzielne słabe kwasy, ponieważ kolejne p K a różnią się o więcej niż 4.
Fosforan może tworzyć wiele jonów polimerycznych , takich jak pirofosforan (P
2O
7)4-
, i trifosforan , (P
3O
10)5-
. Różne jony metafosforanowe (które zwykle są długimi liniowymi polimerami) mają wzór empiryczny (PO
3)−
i znajdują się w wielu związkach.
Biochemia fosforanów
W układach biologicznych fosfor występuje w postaci wolnych anionów fosforanowych w roztworze ( fosforan nieorganiczny ) lub jest związany z cząsteczkami organicznymi jako różne organofosforany .
Fosforan nieorganiczny jest ogólnie oznaczany jako Pi , a przy fizjologicznym (homeostatycznym) pH składa się głównie z mieszaniny [HPO
4]2-
i [H
2PO
4]−
jony. Przy pH obojętnym, tak jak w cytozolu (pH = 7,0), stężenia kwasu ortofosforowego i jego trzech anionów mają proporcje
- [ H
2PO−
4] / [ H
3PO
4] 7,5 × 10 4 - [ HPPO2−4
_] / [ H
2PO−
4] ≈ 0,62 - [ PO3−
4] / [ HPO2−4
_] ≈ 2,14 × 10 -6
Tak więc tylko [H
2PO
4]−
i [HPO
4]2-
jony są obecne w znacznych ilościach w cytozolu (62% [H
2PO
4]−
, 38% [HPO
4]2-
). W płynie zewnątrzkomórkowym (pH = 7,4) proporcja ta jest odwrócona (61% [HPO
4]2-
, 39% [H
2PO
4]−
).
Fosforan nieorganiczny może występować również jako anion pirofosforanowy [P
2O
7]4-
, który może dawać ortofosforany przez hydrolizę :
-
[P
2O
7]4-
+ H 2 O ⇌ 2 [HPO
4]2-
Fosforany organiczne występują powszechnie w postaci estrów jako nukleotydy (np . AMP , ADP i ATP ) oraz w DNA i RNA . Wolne aniony ortofosforanowe mogą być uwalniane przez hydrolizę wiązań fosfobezwodnikowych w ATP lub ADP. Te reakcje fosforylacji i defosforylacji są natychmiastowym magazynowaniem i źródłem energii dla wielu procesów metabolicznych . ATP i ADP są często określane jako fosforany wysokoenergetyczne , podobnie jak fosfageny w tkance mięśniowej. Podobne reakcje zachodzą dla innych difosforanów i trifosforanów nukleozydów .
Kości i zęby
Ważnym występowaniem fosforanów w układach biologicznych jest materiał konstrukcyjny kości i zębów. Struktury te zbudowane są z krystalicznego fosforanu wapnia w postaci hydroksyapatytu . Twarde, gęste szkliwo zębów ssaków może zawierać fluoroapatyt , hydroksyfosforan wapnia, w którym niektóre grupy hydroksylowe zostały zastąpione przez jony fluorkowe .
Zastosowania w badaniach medycznych i biologicznych
Medycznym typem (sól) fosforu jest fosforan. Niektóre fosforany, które pomagają leczyć wiele infekcji dróg moczowych, są używane do zakwaszenia moczu. Aby uniknąć rozwoju kamieni wapniowych w drogach moczowych, stosuje się niektóre fosforany. Dla pacjentów, którzy nie są w stanie zapewnić wystarczającej ilości fosforu w codziennej diecie, fosforany stosuje się jako suplement diety, zwykle z powodu pewnych zaburzeń lub chorób. Fosforany do wstrzykiwań mogą być obsługiwane wyłącznie przez pracownika służby zdrowia.
Metabolizm roślin
Rośliny pobierają fosfor kilkoma szlakami: szlak mikoryzowy arbuskularny i szlak bezpośredniego wchłaniania.
Niekorzystne skutki zdrowotne
Hiperfosfatemia , czyli wysoki poziom fosforanów we krwi, wiąże się ze zwiększoną śmiertelnością w populacji ogólnej. Hiperfosfatemia jest zwykle powodowana przez fosforanowe dodatki do żywności , ponieważ fosforany, które są naturalnie obecne w żywności, nie są całkowicie wchłaniane przez przewód pokarmowy . Fosforany wywołują zwapnienie naczyń , a wysokie stężenie fosforanów we krwi jest predyktorem zdarzeń sercowo-naczyniowych .
Fosforany są powszechnie stosowane jako dodatki w przemysłowo przetworzonej żywności i fast foodach . Fast food i gotowe do spożycia przetworzone produkty spożywcze są głównymi przyczynami rosnącego spożycia fosforanów w populacji. Dodatki fosforanowe są również powszechnie spotykane w smakowych napojach bezalkoholowych , a także w niektórych produktach mlecznych .
Produkcja
Zjawisko geologiczne
Fosforany są naturalnie występującą formą pierwiastka fosforowego , występującą w wielu minerałach fosforanowych . W mineralogii i geologii fosforan odnosi się do skały lub rudy zawierającej jony fosforanowe. Fosforany nieorganiczne wydobywane są w celu uzyskania fosforu do wykorzystania w rolnictwie i przemyśle.
Największym światowym producentem i eksporterem fosforanów jest Maroko . W Ameryce Północnej największe złoża znajdują się w regionie Doliny Kości na środkowej Florydzie , regionie Soda Springs w południowo-wschodnim Idaho oraz na wybrzeżu Karoliny Północnej . Mniejsze złoża znajdują się w Montanie , Tennessee , Georgii i Południowej Karolinie . Niewielki wyspiarski kraj Nauru i sąsiadująca z nim wyspa Banaba , na której niegdyś znajdowały się ogromne złoża fosforanów najwyższej jakości, były nadmiernie wydobywane. Fosforan można również znaleźć w Egipcie, Izraelu, Palestynie, Saharze Zachodniej, Wyspie Navassa , Tunezji, Togo i Jordanii, krajach, które mają duży przemysł wydobycia fosforanów.
Kopalnie fosforytów znajdują się przede wszystkim w:
- Ameryka Północna :Północnej Karolinie , Idaho i Tennessee Stany Zjednoczone, zwłaszcza Floryda, z mniejszymi złożami w
- Afryka : Maroko , Algieria , Egipt , Niger , Senegal , Togo , Tunezja .
- Bliski Wschód : Izrael , Arabia Saudyjska , Jordania , Syria , Iran i Irak , w mieście Akashat , w pobliżu granicy z Jordanią.
- Azja Środkowa : Kazachstan
- Oceania : Australia , Makatea , Nauru i Wyspa Banaba
W 2007 roku, przy obecnym tempie zużycia, podaż fosforu wyczerpie się za 345 lat. Jednak niektórzy naukowcy sądzili, że „ szczyt poziomu fosforu ” nastąpi za 30 lat, a Dana Cordell z Institute for Sustainable Futures powiedziała, że „przy obecnych wskaźnikach rezerwy uszczuplą się w ciągu najbliższych 50–100 lat”. Rezerwy odnoszą się do zakładanej kwoty możliwej do odzyskania po bieżących cenach rynkowych. W 2012 r. USGS oszacował światowe rezerwy na 71 mld ton, podczas gdy w 2011 r. wydobyto 0,19 mld ton. Fosfor stanowi 0,1% masy przeciętnej skały (podczas gdy z perspektywy jego typowa koncentracja w roślinności wynosi od 0,03% do 0,2%). , a co za tym idzie, w skorupie ziemskiej 3×10 19 ton znajdują się biliardy ton fosforu, aczkolwiek w przeważającej mierze w niższym stężeniu niż złoża zaliczane do rezerw, które są zinwentaryzowane i tańsze do wydobycia. Jeśli przyjmie się, że minerały fosforanowe w fosforycie to głównie hydroksyapatyt i fluoroapatyt, minerały fosforanowe zawierają około 18,5% wagowych fosforu. Jeśli fosforyt zawiera około 20% tych minerałów, to przeciętny fosforyt zawiera wagowo około 3,7% fosforu.
Niektóre złoża fosforytów, takie jak Mulberry na Florydzie, wyróżniają się dużą zawartością radioaktywnych izotopów uranu. Jest to problem, ponieważ radioaktywność może zostać uwolniona do wód powierzchniowych w wyniku zastosowania powstałego nawozu fosforanowego .
W grudniu 2012 r. Cominco Resources ogłosiło zaktualizowany, zgodny z JORC , zasób projektu Hinda w Kongo-Brazzaville o wartości 531 mln ton, co czyni go największym mierzonym i wskazanym depozytem fosforanów na świecie.
Górnictwo
Trzy główne kraje produkujące fosforany (Chiny, Maroko i Stany Zjednoczone) odpowiadają za około 70% światowej produkcji.
Kraj | Produkcja (miliony kg) |
Udział produkcji globalnej (%) |
Rezerwy (w mln kg) |
---|---|---|---|
Algieria | 1300 | 0,54 | 2 200 000 |
Australia | 2700 | 1,17 | 1 100 000 |
Brazylia | 4700 | 3.00 | 1 600 000 |
Chiny | 95 000 | 44,83 | 3 200 000 |
Egipt | 5000 | 2,47 | 2 800 000 |
Finlandia | 995 | - | 1 000 000 |
Indie | 1480 | 0,49 | 46 000 |
Irak | 200 | 0,09 | 430 000 |
Izrael | 2810 | 1,48 | 57 000 |
Jordania | 9 220 | 3.36 | 800 000 |
Kazachstan | 1500 | 0,72 | 260 000 |
Meksyk | 558 | 0,76 | 30 000 |
Maroko i Sahara Zachodnia | 35 500 | 13.45 | 50 000 000 |
Peru | 4000 | 1,79 | 210 000 |
Rosja | 13.100 | 5.60 | 600 000 |
Arabia Saudyjska | 6500 | 1,48 | 1,400,000 |
Senegal | 3420 | 0,45 | 50 000 |
Afryka Południowa | 2100 | 0,99 | 1,400,000 |
Syria | 2000 | 0,34 | 1 800 000 |
Iść | 800 | 0,45 | 30 000 |
Tunezja | 4110 | 1,79 | 100 000 |
Uzbekistan | 900 | - | 100 000 |
Stany Zjednoczone | 23300 | 12.37 | 1 000 000 |
Wietnam | 4650 | 1,21 | 30 000 |
Inne kraje | 1,140 | 1,17 | 840 000 |
Całkowity | 227 000 | 100 | 71 000 000 |
Ekologia
Z ekologicznego punktu widzenia, ze względu na swoją ważną rolę w układach biologicznych, fosforan jest bardzo poszukiwanym zasobem. Raz użyty, często jest to ograniczający składnik odżywczy w środowisku , a jego dostępność może regulować tempo wzrostu organizmów. Na ogół dotyczy to środowisk słodkowodnych , podczas gdy azot jest częściej ograniczającym składnikiem odżywczym w środowiskach morskich (woda morska). Dodanie wysokich poziomów fosforanów do środowisk i mikrośrodowisk, w których jest to zwykle rzadkie, może mieć poważne konsekwencje ekologiczne. Na przykład może dojść do zakwitów w populacjach jednych organizmów kosztem innych, a także do upadku populacji pozbawionych zasobów takich jak tlen (patrz eutrofizacja ). W kontekście zanieczyszczenia fosforany są jednym ze składników wszystkich rozpuszczonych ciał stałych , głównym wskaźnikiem jakości wody, ale nie cały fosfor jest w formie molekularnej, którą mogą rozkładać i konsumować glony.
Wokół bakterii w wierzchniej warstwie gleby aluwialnej można znaleźć osady hydroksyapatytu wapnia i kalcytu . Ponieważ minerały ilaste sprzyjają biomineralizacji, obecność bakterii i minerałów ilastych spowodowała wytrącanie się hydroksyapatytu wapnia i kalcytu.
Złoża fosforanów mogą zawierać znaczne ilości naturalnie występujących metali ciężkich. Operacje górnicze związane z przetwarzaniem fosforytu mogą pozostawiać hałdy odpadów zawierających podwyższony poziom kadmu , ołowiu , niklu , miedzi , chromu i uranu . O ile nie są one odpowiednio zarządzane, te produkty odpadowe mogą wypłukiwać metale ciężkie do wód gruntowych lub pobliskich ujść rzek. Pobieranie tych substancji przez rośliny i organizmy morskie może prowadzić do koncentracji toksycznych metali ciężkich w produktach spożywczych.
Zobacz też
-
Pirofosforan – (P
2O
7)4-
-
Polifosforan – (HPO
3)
n -
Metafosforan – (POn
3) - Nawóz
-
Podfosforyn – H
2(PO
2)−
- Związki fosforoorganiczne
- Fosforan – OP(OR) 3 , taki jak fosforan trifenylu
- Fosforanowa powłoka konwersyjna
- Soda fosforanowa , napój z fontanny sodowej
- Fosfinian – OP(OR)R 2
- Fosfina – PR 3
- Tlenek fosfiny – OPR 3
- Fosfinit – P(OR)R 2
- Fosforyny – P(OR) 3
- Fosfogips
- Fosfonian – OP(OR) 2 R
- Fosfonit – P(OR) 2 R
- Fosforylacja
- Fosforan dwuamonowy - (NH 4 ) 2 HPO 4
- Fosforan disodowy – Na 2 HPO 4
- Fosforan sodu – NaH 2 PO 4
- Trójpolifosforan sodu – Na 5 P 3 O 10
- Basen Ouled Abdoun
Bibliografia
Zewnętrzne linki
- Przeglądarka danych US Minerals Databrowser zapewnia dane graficzne obejmujące zużycie, produkcję, import, eksport oraz ceny fosforanów i 86 innych minerałów
- Fosforany: monografia analitów – Stowarzyszenie Biochemii Klinicznej i Medycyny Laboratoryjnej