Fosforan -Phosphate

Fosforan
Stereofoniczna formuła szkieletowa fosforanu
Aromatyczny model kulki i sztyftu z fosforanów
Wypełniający przestrzeń model fosforanu
Nazwy
Systematyczna nazwa IUPAC
Fosforan
Identyfikatory
Model 3D ( JSmol )
3903772
CZEBI
ChemSpider
1997
Siatka Fosforany
Identyfikator klienta PubChem
UNII
  • InChI=1S/H3O4P/c1-5(2,3)4/h(H3,1,2,3,4)/p-3 sprawdzaćY
    Klucz: NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K sprawdzaćY
  • [O-]P([O-])([O-])=O
  • [O-]P(=O)([O-])[O-]
  • O=P([O-])([O-])[O-]
  • [O-] [P+]([O-])([O-])[O-]
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).
sprawdzaćY zweryfikuj  ( co to jest   ?) sprawdzaćY☒N

W chemii fosforan jest anionem , solą , grupą funkcyjną lub estrem pochodzącym z kwasu fosforowego . Najczęściej oznacza ortofosforan , pochodną kwasu ortofosforowego H
3
PO
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
2
PO
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
4
RR′R″
, gdzie jeden lub więcej atomów wodoru jest zastąpionych grupami organicznymi . Przykładem jest fosforan trimetylu ( CH
3
)
3
PO
4
. Termin odnosi się również do trójwartościowej grupy funkcyjnej OP(O-)
3
w 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
3
PO
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

Specjacja kwasu fosforowego

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
2
PO
4
+ H+
Ka 1 = [ H+
] [ H
2
PO
4
] / [ H
3
PO
4
] ≈ 7,5 × 10 -3
p K a1 = 2,14
H
2
PO
4
HPO2−4
_
+ H+
Ka 2 = [ H+
] [ HPO2−4
_
] / [ H
2
PO
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
2
PO
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
3
PO
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
2
O
7
)4-
, i trifosforan , (P
3
O
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
2
PO
4
]
jony. Przy pH obojętnym, tak jak w cytozolu (pH = 7,0), stężenia kwasu ortofosforowego i jego trzech anionów mają proporcje

[ H
2
PO
4
] / [ H
3
PO
4
] 7,5 × 10 4
[ HPPO2−4
_
] / [ H
2
PO
4
] ≈ 0,62
[ PO3−
4
] / [ HPO2−4
_
] ≈ 2,14 × 10 -6

Tak więc tylko [H
2
PO
4
]
i [HPO
4
]2-
jony są obecne w znacznych ilościach w cytozolu (62% [H
2
PO
4
]
, 38% [HPO
4
]2-
). W płynie zewnątrzkomórkowym (pH = 7,4) proporcja ta jest odwrócona (61% [HPO
4
]2-
, 39% [H
2
PO
4
]
).

Fosforan nieorganiczny może występować również jako anion pirofosforanowy [P
2
O
7
]4-
, który może dawać ortofosforany przez hydrolizę :

[P
2
O
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

Kopalnia fosforanów w pobliżu Flaming Gorge, Utah , USA, 2008
Pociąg załadowany fosforytem, ​​Métlaoui , Tunezja, 2012

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:

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.

Produkcja i światowe rezerwy naturalnych fosforanów według krajów w 2019
r. (USGS, 2021)
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

Fosforan powierzchni morza z Atlasu Oceanów Świata
Związek pobierania fosforanów z azotanami w fotosyntezie w różnych regionach oceanu. Zwróć uwagę, że azotan jest bardziej ograniczający niż fosforan. Zobacz stosunek Redfield .

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

Bibliografia

Zewnętrzne linki