Фосфат

Фосфат

Имена
Название ИЮПАК Фосфат [1]
Другие имена Ортофосфат Тетраоксофосфат(V) Тетраоксидофосфат(V)
Идентификаторы
Номер CAS	14265-44-2 И
3D модель ( JSmol )	гипервалентная форма: Интерактивное изображение ионная форма: Интерактивное изображение
Ссылка Бейльштейна	3903772
ЧЭБИ	ЧЕБИ:18367 И
ChemSpider	1032 И
Ссылка Гмелина	1997
МеШ	Фосфаты
CID PubChem	1061
УНИИ	НК08В8К8ХР И
ИнЧи ИнХI=1S/H3O4P/c1-5(2,3)4/h(H3,1,2,3,4)/p-3 И Ключ: NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K И
УЛЫБКИ гипервалентная форма: [O-]P([O-])([O-])=O ионная форма: [O-][P+]([O-])([O-])[O-]
Характеристики
Химическая формула	ПО3− 4
Молярная масса	94,9714 г моль −1
Сопряженная кислота	Моногидрофосфат
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). И проверить  ( что такое   ?)ИН Ссылки на инфобокс

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 .

• 
  ЧАС
  ₃ПО
  ₄
  Фосфорная
  кислота
• 
  [ЧАС
  ₂ПО
  ₄]⁻
  
  Дигидрофосфат
  ​
• 
  [HPO
  ₄]²⁻
  
  
  Фосфат водорода
• 
  [ПО
  ₄]³⁻
  
  Фосфат или ортофосфат

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]

Равновесие	Константа диссоциации K a [4]	п К а
Н 3 ПО 4 ⇌ Н 2 ПО−4+ Н +	${\displaystyle K_{a1}={\frac {[{\ce {H+}}][{\ce {H2PO4-}}]}{[{\ce {H3PO4}}]}}\около 7,5\times 10 ^{-3}}$	п К а1  = 2,14
Н2ПО​​−4 ⇌ HPO2−4+ Н +	${\displaystyle K_{a2}={\frac {[{\ce {H+}}][{\ce {HPO4^2-}}]}{[{\ce {H2PO4-}}]}}\approx 6.2\times 10^{-8}}$	п К а2  = 7,20
ХПО2−4 ⇌ ПО3−4+ Н +	${\displaystyle K_{a3}={\frac {[{\ce {H+}}][{\ce {PO4^3-}}]}{[{\ce {HPO4^2-}}]}}\ примерно 2,14\times 10^{-13}}$	п К а3  = 12,37

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$${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {[{\ce {H2PO4-}}]}{[{\ce {H3PO4}}]}}&\approx 7,5\times 10^{4}\\[4pt]{\frac {[{\ce {HPO4^2-}}]}{[{\ce {H2PO4-}}]}}&\approx 0,62\\[4pt]{\frac {[{\ce {PO4^3-}}]}{[{\ce {HPO4^2-}}]}}&\approx 2,14\times 10^{-6}\end{aligned}}}$$

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 :

[П
₂О
₇]⁴⁻
+ _Н2О ⇌ 2 [HPO
₄]²⁻

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.

This article needs additional citations for verification. Please help improve this article by adding citations to reliable sources. Unsourced material may be challenged and removed. Find sources: "Phosphate" – news · newspapers · books · scholar · JSTOR (July 2022) (Learn how and when to remove this message)

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:

• Северная Америка : США, особенно Флорида, с меньшими месторождениями в Северной Каролине , Айдахо и Теннесси.
• Африка : Марокко , Алжир , Египет , Нигер , Сенегал , Того , Тунис , Мавритания
• Ближний Восток : Саудовская Аравия , Иордания , Израиль , Сирия , Иран и Ирак , в городе Акашат , недалеко от границы с Иорданией.
• Центральная Азия : Казахстан
• Океания : Австралия , Макатея , Науру и остров Банаба .

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.

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]

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Фосфаты» .

• Браузер данных о минералах США предоставляет графические данные, охватывающие потребление, производство, импорт, экспорт и цены на фосфаты и 86 других минералов.
• Фосфат: монография аналита – Ассоциация клинической биохимии и лабораторной медицины