Фосфат - Phosphate

Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Фосфат
Стерео-скелетная формула фосфата
Ароматический шар и модель клюшки из фосфата
Модель заполнения пространства фосфата
Имена
Систематическое название ИЮПАК
Фосфат
Идентификаторы
3D модель ( JSmol )
3903772
ЧЭБИ
ChemSpider
1997 г.
MeSH Фосфаты
UNII
  • InChI = 1S / H3O4P / c1-5 (2,3) 4 / ч (H3,1,2,3,4) / p-3  контрольный Y
    Ключ: NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K  контрольный Y
  • [O-] P ([O -]) ([O -]) = O
  • [O-] P (= O) ([O -]) [O-]
  • O = P ([O -]) ([O -]) [O-]
  • [O -] [P +] ([O -]) ([O -]) [O-]
Характеристики
PO 3-
4
Молярная масса 94,9714 г моль -1
Конъюгированная кислота Моногидрофосфат
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
контрольный Y   проверить  ( что есть    ?) контрольный Y ☒ 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.
3
PO
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
2
PO
4
] -
и ион гидрофосфата [HPO
4
] 2−
ion соответственно. Эти названия также используются для солей этих анионов, таких как дигидрофосфат аммония и тринатрийфосфат .

В органической химии , фосфат или ортофосфате является фосфорорганическим , сложным эфиром ортофосфорной кислоты вида PO
4
RR'R ″,
где один или несколько атомов водорода заменены органическими группами. Примером может служить триметилфосфат , (СН
3
)
3
PO
4
. Термин также относится к трехвалентной функциональной группе OP (O-)
3
в таких сложных 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

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
3
PO
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. Как правило, водород и дигидрофосфаты немного более растворимы, чем соответствующие фосфаты.

Равновесия в растворе

Кислота фосфорная видообразование

В водном растворе ортофосфорная кислота и три производных от нее аниона сосуществуют в соответствии с приведенными ниже равновесиями диссоциации и рекомбинации.

Равновесие Константа диссоциации K a p K a
H 3 PO 4 H
2
PO -
4
+ H +
K a 1 = [ H +
] [ H
2
PO -
4
] / [ H
3
PO
4
] ≈ 7,5 × 10 −3
p K a1 = 2,14
ЧАС
2
PO -
4
HPO 2-
4
+ H +
K a 2 = [ H +
] [ HPO 2-
4
] / [ H
2
PO -
4
] ≈ 6,2 × 10 −8
р К а2 = 7,20
HPO 2-
4
PO 3-
4
+ H +
K a 3 = [ H +
] [ ЗП 3-
4
] / [ HPO 2-
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
2
PO
4
] -
, является практически единственным существующим видом. 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
3
PO
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
2
О
7
) 4−
, и трифосфат , (P
3
О
10
) 5−
. Различные метафосфат- ионы (которые обычно представляют собой длинные линейные полимеры) имеют эмпирическую формулу (PO
3
) -
и встречаются во многих соединениях.

Биохимия фосфатов

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
2
PO
4
] -
ионы. При нейтральном pH, как в цитозоле (pH = 7,0), концентрации ортофосфорной кислоты и трех ее анионов имеют соотношения

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

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

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


2
О
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 дифосфатов и трифосфат .

Кости и зубы

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

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. Пациентам, 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 лечащим врачом или под его или ее наблюдением.

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.

Метаболизм растений

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

Производство

Геологическое проявление

Фосфатный рудник возле Пылающего ущелья , штат Юта , 2008 г.
Поезд, загруженный фосфоритной рудой ,
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.

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 штата Айдахо и на побережье Северной Каролины . Менее крупные месторождения находятся в Монтане , Теннесси , Джорджии и Южной Каролине . Небольшое островное государство Науру и соседний с ним остров Банаба , на котором раньше находились огромные залежи фосфатов самого высокого качества, были добыты чрезмерно. Фосфатные породы также можно найти в Египте, Палестине, Западной Сахаре, на острове Навасса , Тунисе, Того и Иордании, странах с крупными предприятиями по добыче фосфатов.

Фосфоритовые рудники в основном находятся в:

В 2007 году, при текущих темпах потребления, запас фосфора, по оценкам, иссякнет через 345 лет. 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». Под запасами понимается предполагаемая извлекаемая сумма по текущим рыночным ценам, и в 2012 году Геологическая служба США оценила мировые запасы в 71 миллиард тонн, тогда как в 2011 году мировая добыча составила 0,19 миллиарда тонн. Фосфор составляет 0,1% по массе от средней породы (в то время как, для перспективы, его типичная концентрация в растительности составляет от 0,03% до 0,2%), и, следовательно, в земной коре 3 * 10 19 тонн есть квадриллионы тонн фосфора , хотя и в преимущественно более низкой концентрации, чем отложения, считающиеся запасами из-за инвентаризации и более дешевой извлекать; 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, отличаются наличием значительных количеств радиоактивных изотопов урана. Этот синдром заслуживает внимания, потому что радиоактивность может выделяться в поверхностные воды 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 совместимых с JORC ресурсах своего проекта Hinda в Конго-Браззавиль в размере 531 млн тонн, что сделало его крупнейшим измеренным и указанным месторождением фосфатов в мире.

Добыча

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)
Страна Производство
(в миллионах кг)
Доля в
мировом
производстве (%)
Запасы
(млн кг)
Алжир 1,200 0,54 2 200 000
Австралия 2600 1.17 1 030 000
Бразилия 6700 3,00 315 000
Китай 100 000 44,83 3 700 000
Египет 5 500 2,47 1 250 000
Индия 1,100 0,49 65 000
Ирак 200 0,09 430 000
Израиль 3 300 1,48 130 000
Иордания 7 500 3,36 1 300 000
Казахстан 1,600 0,72 260 000
Мексика 1,700 0,76 30 000
Марокко 30 000 13,45 50 000 000
Перу 4 000 1,79 820 000
Россия 12 500 5,60 1 300 000
Саудовская Аравия 3 300 1,48 956 000
Сенегал 1,000 0,45 50 000
Южная Африка 2200 0,99 1 500 000
Сирия 750 0,34 1,800,000
Идти 1,000 0,45 30 000
Тунис 4 000 1,79 100 000
Соединенные Штаты 27 600 12,37 1 100 000
Вьетнам 2 700 1,21 30 000
Другие страны 2600 1.17 380 000
Общее 223 000 100 69 000 000

Экология

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. Обычно это справедливо для пресноводных сред, тогда 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, может произойти расцвет популяций одних организмов за счет других и исчезновение популяций, лишенных таких ресурсов, как кислород (см. Эвтрофикация ). 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.

Гидроксиапатит кальция и кальцит осадка могут быть найдены вокруг бактерий в аллювиальной верхнем слое почвы. Поскольку глинистые минералы способствуют биоминерализации, присутствие бактерий и глинистых минералов привело к осаждению гидроксиапатита и кальцита кальция.

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.

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки

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