fosfato -Phosphate

Fosfato
Formula stereo scheletrica del fosfato
Modello aromatico a pallina e bastoncino di fosfato
Modello di riempimento dello spazio del fosfato
Nomi
Nome IUPAC sistematico
Fosfato
Identificatori
Modello 3D ( JSmol )
3903772
ChEBI
ChemSpider
1997
Maglia Fosfati
UNII
  • InChI=1S/H3O4P/c1-5(2,3)4/h(H3,1,2,3,4)/p-3 dai un'occhiataY
    Legenda: NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K dai un'occhiataY
  • [O-]P([O-])([O-])=O
  • [O-]P(=O)([O-])[O-]
  • O=P([O-])([O-])[O-]
  • [O-] [P+]([O-])([O-])[O-]
Proprietà
PO3-4
_
Massa molare 94,9714 g mol -1
Acido coniugato Monoidrogeno fosfato
Salvo diversa indicazione, i dati sono forniti per i materiali nel loro stato standard (a 25 °C [77 °F], 100 kPa).
dai un'occhiataY verifica  ( che cos'è   ?) dai un'occhiataY☒N

In chimica , un fosfato è un anione , sale , gruppo funzionale o estere derivato da un acido fosforico . Più comunemente significa ortofosfato , un derivato dell'acido ortofosforico H
3
PO
4
.

Lo ione fosfato o ortofosfato [PO
4
]3-
è derivato dall'acido fosforico dalla rimozione di tre protoni H+
. La rimozione di uno o due protoni fornisce lo ione diidrogeno fosfato [H
2
PO
4
]
e lo ione idrogeno fosfato [HPO
4
]2-
ione, rispettivamente. Questi nomi sono usati anche per i sali di quegli anioni, come diidrogeno fosfato di ammonio e fosfato trisodico .

In chimica organica , fosfato o ortofosfato è un organofosfato , un estere dell'acido ortofosforico della forma PO
4
RR′R″
dove uno o più atomi di idrogeno sono sostituiti da gruppi organici . Un esempio è il trimetilfosfato , (CH
3
)
3
PO
4
. Il termine si riferisce anche al gruppo funzionale trivalente OP(O-)
3
in tali esteri.

Gli ortofosfati sono particolarmente importanti tra i vari fosfati a causa dei loro ruoli chiave in biochimica , biogeochimica ed ecologia e la loro importanza economica per l'agricoltura e l'industria. L'aggiunta e la rimozione dei gruppi fosfato ( fosforilazione e defosforilazione ) sono fasi chiave del metabolismo cellulare .

Gli ortofosfati possono condensare per formare pirofosfati .

Proprietà chimiche

Lo ione fosfato ha una massa molare di 94,97 g/mol ed è costituito da un atomo di fosforo centrale circondato da quattro atomi di ossigeno in una disposizione tetraedrica . È la base coniugata dello ione idrogeno fosfato H(PO
4
)2-
, che a sua volta è la base coniugata dello ione diidrogeno fosfato H
2
(PO
4
)
, che a sua volta è la base coniugata dell'acido ortofosforico , H
3
PO
4
.

Molti fosfati sono solubili in acqua a temperatura e pressione standard . I fosfati di sodio, potassio, rubidio , cesio e ammonio sono tutti idrosolubili. La maggior parte degli altri fosfati sono solo leggermente solubili o insolubili in acqua. Di norma, l'idrogeno e il diidrogeno fosfato sono leggermente più solubili dei corrispondenti fosfati.

Equilibri in soluzione

Speciazione dell'acido fosforico

In soluzione acquosa, l'acido ortofosforico e i suoi tre anioni derivati ​​coesistono secondo gli equilibri di dissociazione e ricombinazione sotto indicati

Equilibrio Costante di dissociazione K a p K a
H 3 PO 4H
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
H
2
PO
4
HPO2-4
_
+ H+
K a 2 = [ H+
] [ HPO2-4
_
] / [ H
2
PO
4
] ≈ 6,2 × 10 −8
p K a2 = 7,20
HPO2-4
_
PO3-4
_
+ H+
K a 3 = [ H+
] [ PO3-4
_
] / [ HPO2-4
_
] ≈ 2,14 × 10 −13
p K a3 = 12,37

I valori sono a 25  °C e 0 forza ionica.

I valori p K a sono i valori di pH in cui la concentrazione di ciascuna specie è uguale a quella delle sue basi coniugate . A pH 1 o inferiore, l'acido fosforico è praticamente indissociato. Intorno a pH 4,7 (a metà strada tra i primi due valori di p K a ) lo ione diidrogeno fosfato, [H
2
PO
4
]
, è praticamente l'unica specie presente. Intorno a pH 9,8 (a metà strada tra il secondo e il terzo valore di p K a ) lo ione monoidrogeno fosfato, [HPO
4
]2-
, è l'unica specie presente. A pH 13 o superiore, l'acido è completamente dissociato come ione fosfato, (PO
4
)3-
.

Ciò significa che i sali degli ioni mono e difosfato possono essere cristallizzati selettivamente dalla soluzione acquosa impostando il valore del pH su 4,7 o 9,8.

In effetti, H
3
PO
4
, H
2
(PO
4
)
e H(PO
4
)2-
si comportano come acidi deboli separati perché i successivi p K a differiscono di più di 4.

Il fosfato può formare molti ioni polimerici come il pirofosfato , (P
2
o
7
)4-
, e trifosfato , (P
3
o
10
)5-
. I vari ioni metafosfato (che di solito sono lunghi polimeri lineari) hanno una formula empirica di (PO
3
)
e si trovano in molti composti.

Biochimica dei fosfati

Nei sistemi biologici , il fosforo può essere trovato come anioni fosfato liberi in soluzione ( fosfato inorganico ) o legato a molecole organiche come vari organofosfati .

Il fosfato inorganico è generalmente indicato con P i e a pH fisiologico (omeostatico) è costituito principalmente da una miscela di [HPO
4
]2-
e [H
2
PO
4
]
ioni. A pH neutro, come nel citosol (pH = 7,0), le concentrazioni dell'acido ortofosforico e dei suoi tre anioni hanno i rapporti

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

Pertanto, solo [H
2
PO
4
]
e [HPO
4
]2-
gli ioni sono presenti in quantità significative nel citosol (62% [H
2
PO
4
]
, 38% [HPO
4
]2-
). Nel liquido extracellulare (pH = 7,4), questa proporzione è invertita (61% [HPO
4
]2-
, 39% [H
2
PO
4
]
).

Il fosfato inorganico può essere presente anche come anioni pirofosfato [P
2
o
7
]4-
, che può dare ortofosfato per idrolisi :

[P
2
o
7
]4-
+ H 2 O ⇌ 2 [HPO
4
]2-

I fosfati organici si trovano comunemente sotto forma di esteri come nucleotidi (ad es . AMP , ADP e ATP ) e nel DNA e nell'RNA . Gli anioni ortofosfato liberi possono essere rilasciati dall'idrolisi dei legami fosfoanidride nell'ATP o nell'ADP. Queste reazioni di fosforilazione e defosforilazione sono l'immagazzinamento immediato e la fonte di energia per molti processi metabolici . ATP e ADP sono spesso indicati come fosfati ad alta energia , così come i fosfageni nel tessuto muscolare. Reazioni simili esistono per gli altri nucleosidi difosfati e trifosfati .

Ossa e denti

Un'importante presenza di fosfati nei sistemi biologici è come materiale strutturale di ossa e denti. Queste strutture sono costituite da fosfato di calcio cristallino sotto forma di idrossiapatite . Lo smalto duro e denso dei denti dei mammiferi può contenere fluoroapatite , un idrossi calcio fosfato in cui alcuni dei gruppi idrossile sono stati sostituiti da ioni fluoruro .

Usi della ricerca medica e biologica

Il tipo medicinale (sale) del fosforo è il fosfato. Alcuni fosfati, che aiutano a curare molte infezioni del tratto urinario, sono usati per rendere l'urina più acida. Per evitare lo sviluppo di calcoli di calcio nelle vie urinarie, vengono utilizzati alcuni fosfati. Per i pazienti che non sono in grado di assumere abbastanza fosforo nella loro dieta quotidiana, i fosfati vengono utilizzati come integratori alimentari, di solito a causa di determinati disturbi o malattie. I fosfati iniettabili possono essere gestiti solo da un operatore sanitario.

Metabolismo vegetale

Le piante assorbono il fosforo attraverso diverse vie: la via micorrizica arbuscolare e la via di assorbimento diretto.

Effetti negativi sulla salute

L'iperfosfatemia , o livelli elevati di fosfati nel sangue, è associata a un'elevata mortalità nella popolazione generale. L'iperfosfatemia è generalmente causata da additivi alimentari a base di fosfati , poiché i fosfati naturalmente presenti negli alimenti non vengono completamente assorbiti dal tratto gastrointestinale . I fosfati inducono calcificazione vascolare e un'elevata concentrazione di fosfati nel sangue è risultata essere un fattore predittivo di eventi cardiovascolari .

I fosfati sono comunemente usati come additivi negli alimenti trasformati industrialmente e nei fast food . I fast food e gli alimenti trasformati pronti sono i principali fattori che contribuiscono all'aumento del consumo di fosfato tra la popolazione. Gli additivi ai fosfati si trovano comunemente anche nelle bevande analcoliche aromatizzate e in alcuni prodotti lattiero-caseari .

Produzione

Evento geologico

Miniera di fosfato vicino a Flaming Gorge, Utah , USA, 2008
Treno carico di roccia fosfatica, Métlaoui , Tunisia, 2012

I fosfati sono la forma naturale dell'elemento fosforo , presente in molti minerali fosfati . In mineralogia e geologia, fosfato si riferisce a una roccia o un minerale contenente ioni fosfato. I fosfati inorganici vengono estratti per ottenere fosforo da utilizzare nell'agricoltura e nell'industria.

Il più grande produttore ed esportatore mondiale di fosfati è il Marocco . All'interno del Nord America, i giacimenti più grandi si trovano nella regione della Bone Valley della Florida centrale , nella regione di Soda Springs nell'Idaho sudorientale e nella costa della Carolina del Nord . I depositi più piccoli si trovano in Montana , Tennessee , Georgia e Carolina del Sud . La piccola nazione insulare di Nauru e la sua vicina isola di Banaba , che in passato avevano enormi depositi di fosfato della migliore qualità, sono state estratte in modo eccessivo. Il fosfato di roccia può essere trovato anche in Egitto, Israele, Palestina, Sahara occidentale, Isola di Navassa , Tunisia, Togo e Giordania, paesi che hanno grandi industrie minerarie di fosfato.

Le miniere di fosforite si trovano principalmente in:

Nel 2007, al tasso di consumo attuale, si stima che la fornitura di fosforo si esaurirà in 345 anni. Tuttavia, alcuni scienziati pensavano che un " picco di fosforo " si sarebbe verificato in 30 anni e Dana Cordell dell'Institute for Sustainable Futures ha affermato che "ai tassi attuali, le riserve si esauriranno nei prossimi 50-100 anni". Le riserve si riferiscono all'importo ipotizzato recuperabile a prezzi correnti di mercato. Nel 2012 l' USGS ha stimato le riserve mondiali a 71 miliardi di tonnellate, mentre 0,19 miliardi di tonnellate sono state estratte a livello globale nel 2011. Il fosforo comprende lo 0,1% in massa della roccia media (mentre, in prospettiva, la sua concentrazione tipica nella vegetazione è compresa tra lo 0,03% e lo 0,2%) , e di conseguenza ci sono quadrilioni di tonnellate di fosforo nella crosta terrestre 3×10 da 19 tonnellate, anche se a una concentrazione prevalentemente inferiore rispetto ai depositi conteggiati come riserve, che sono inventariati e meno costosi da estrarre. Se si presume che i minerali fosfatici nella roccia fosfatica siano principalmente idrossiapatite e fluoroapatite, i minerali fosfati contengono circa il 18,5% di fosforo in peso. Se la roccia fosfatica contiene circa il 20% di questi minerali, la roccia fosfatica media ha circa il 3,7% di fosforo in peso.

Alcuni depositi di roccia fosfatica, come Mulberry in Florida, sono noti per la loro inclusione di quantità significative di isotopi radioattivi dell'uranio. Questa è una preoccupazione perché la radioattività può essere rilasciata nelle acque superficiali dall'applicazione del fertilizzante fosfato risultante .

Nel dicembre 2012, Cominco Resources ha annunciato una risorsa aggiornata conforme JORC del loro progetto Hinda in Congo-Brazzaville di 531 milioni di tonnellate, rendendolo il più grande giacimento di fosfato misurato e indicato al mondo.

Estrazione

I tre principali paesi produttori di fosfati (Cina, Marocco e Stati Uniti) rappresentano circa il 70% della produzione mondiale.

Produzione e riserve globali di fosfato naturale per paese nel 2019
(USGS, 2021)
Paese Produzione
(milioni di kg)
Quota della produzione
globale
(%)
Riserve
(milioni di kg)
Algeria 1.300 0,54 2.200.000
Australia 2.700 1.17 1.100.000
Brasile 4.700 3.00 1.600.000
Cina 95.000 44.83 3.200.000
Egitto 5.000 2.47 2.800.000
Finlandia 995 - 1.000.000
India 1.480 0,49 46.000
Iraq 200 0.09 430.000
Israele 2.810 1.48 57.000
Giordania 9.220 3.36 800.000
Kazakistan 1.500 0,72 260.000
Messico 558 0,76 30.000
Marocco e Sahara occidentale 35.500 13.45 50.000.000
Perù 4.000 1.79 210.000
Russia 13.100 5.60 600.000
Arabia Saudita 6.500 1.48 1.400.000
Senegal 3.420 0,45 50.000
Sud Africa 2.100 0,99 1.400.000
Siria 2.000 0,34 1.800.000
Andare 800 0,45 30.000
Tunisia 4.110 1.79 100.000
Uzbekistan 900 - 100.000
stati Uniti 23.300 12.37 1.000.000
Vietnam 4.650 1.21 30.000
Altri paesi 1.140 1.17 840.000
Totale 227.000 100 71.000.000

Ecologia

Relazione dell'assorbimento di fosfato e nitrato per la fotosintesi in varie regioni dell'oceano. Si noti che il nitrato è più spesso limitante del fosfato. Vedi il rapporto Redfield .

In termini ecologici, a causa del suo ruolo importante nei sistemi biologici, il fosfato è una risorsa molto ricercata. Una volta utilizzato, è spesso un nutriente limitante negli ambienti e la sua disponibilità può regolare il tasso di crescita degli organismi. Questo è generalmente vero per gli ambienti di acqua dolce , mentre l'azoto è più spesso il nutriente limitante negli ambienti marini (di mare). L'aggiunta di livelli elevati di fosfato agli ambienti e ai microambienti in cui è tipicamente raro può avere conseguenze ecologiche significative. Ad esempio, possono verificarsi fioriture nelle popolazioni di alcuni organismi a spese di altri, e il collasso di popolazioni prive di risorse come l'ossigeno (vedi eutrofizzazione ). Nel contesto dell'inquinamento, i fosfati sono un componente dei solidi totali disciolti , un importante indicatore della qualità dell'acqua, ma non tutto il fosforo è in una forma molecolare che le alghe possono scomporre e consumare.

L'idrossiapatite di calcio e i precipitati di calcite si trovano intorno ai batteri nel terriccio alluvionale . Poiché i minerali argillosi promuovono la biomineralizzazione, la presenza di batteri e minerali argillosi ha prodotto precipitati di idrossiapatite di calcio e calcite.

I depositi di fosfato possono contenere quantità significative di metalli pesanti presenti in natura. Le operazioni minerarie che lavorano la roccia fosfatica possono lasciare cumuli di sterili contenenti livelli elevati di cadmio , piombo , nichel , rame , cromo e uranio . Se non gestiti con attenzione, questi prodotti di scarto possono lisciviare metalli pesanti nelle acque sotterranee o negli estuari vicini. L'assorbimento di queste sostanze da parte delle piante e della vita marina può portare alla concentrazione di metalli pesanti tossici nei prodotti alimentari.

Guarda anche

Riferimenti

link esterno