Phosphate

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Phosphates

Phosphat.PNG PO4_vdW.jpg | Phosphate_Group.PNG

Im engeren Sinne steht die Bezeichnung Phosphate für die Salze und Ester der ortho-Phosphorsäure. Das Ion PO₄^3-, seine Polymere (Kondensate) und organische Verbindungen, die Phosphatgruppen tragen, werden Phosphate genannt. Phosphor liegt bei allen diesen Verbindungen in der Oxidationsstufe (V) vor.

Varianten

primäre, sekundäre und tertiäre Phosphate

Die Salze der der dreibasigen Säure Orthophosphorsäure (H₃PO₄) lassen sich in primäre, sekundäre und tertiäre Phosphate einteilen. Bei einwertigen Kationen M‘ gelten die Summenformeln entsprechend M‘₁H₂PO₄, M‘₂H₁PO₄ und M‘₃PO₄. Durch die teilweise Neutralisation der Phosphorsäure erhält man Hydrogen- oder Dihydrogenphosphate. Diese können sowohl mit Säuren als auch mit Laugen reagieren. Wegen dieser Eigenschaft enthalten viele Pufferlösungen Hydrogenphosphate.

Primäre Phosphate (= Dihydrogenphosphate)	Sekundäre Phosphate (= Hydrogenphosphate)	Tertiäre Phosphate
Natriumdihydrogenphosphat (NaH₂PO₄)	Natriumhydrogenphosphat (Na₂HPO₄)	Natriumphosphat (Na₃PO₄)
Kaliumdihydrogenphosphat (KH₂PO₄)	Kaliumhydrogenphosphat (K₂HPO₄)	Kaliumphosphat (K₃PO₄)
Calciumdihydrogenphosphat (Ca(H₂PO₄)₂)	Calciumhydrogenphosphat (CaHPO₄)	Calciumphosphat (Ca₃(PO₄)₂)

meta- und poly-Phosphate

Diphosphat.png Trimetaphosphat.PNG | Polyphosphate und Metaphosphate sind Polymere von Phosphaten. Metaphosphate kann man als cyclo-Polysulfate bezeichnen.

Pentanatriumtriphosphat Na₅P₃O₁₀

Diphosphate oder auch Pyrophosphate (P₂O₇)^4-

Organische und Biochemische Phosphate (-> Phosphorsäureester)

Gewinnung

Phosphate werden aus Mineralen wie zum Beispiel Apatit, Ca₅^*, gewonnen. Die Hauptvorkommen liegen im nördlichen Afrika (Marokko, Westsahara). Früher fanden sich die Phosphatvorkommen mit der höchsten Konzentration (Naurit, welches aus Guano entstand) auf der Pazifikinsel Nauru. Diese Vorkommen sind jedoch seit 2003 erschöpft.

Die Ressourcen von Phosphaten sind begrenzt. Man spricht davon, das die Phosphatlagerstätten früher erschöpft sind als die weltweiten Erdölvorkommen. Schon heute können sich nur die reichen Industrieländer cadmiumarme Phosphate leisten. Entwicklungsländer düngen bereits mit cadmiumverunreinigten Phosphatdünger.

Es wäre daher sinnvoll die im Klärschlamm vorhandenen gefällten Phosphate zu nutzen oder zurück zu gewinnen. In Deutschland geht man aber immer mehr dazu über den Klärschlamm zu verbrennen.

Eigenschaften

Anion und pH-Wert

In wässriger Lösung existieren Phosphat-Anionen in vier Formen. Unter stark basischen Bedingungen liegt das Phosphat-Anion hauptsächlich als (PO₄³⁻) vor, während unter schwach basischen Bedingungen das Hydrogenphosphat-Anion (HPO₄²⁻) dominiert. Unter schwach sauren Bedingungen liegt hauptsächlich das Dihydrogenphosphat-Anion (H₂PO₄⁻) vor. In stark saurer wässrigen Lösung, ist Phosphorsäure (H₃PO₄) die Hauptform.

Es liegen also drei pH-abhängige Gleichgewichtsreaktionen vor:

	Gleichgewichtsreaktionen	Gleichgewichtskonstante bei 25 °C
(1)	$\mathrm{H_3PO_4 \;\overrightarrow{\longleftarrow}\; H_2PO_4^- + H^+}$	$K_{a1}=\frac{$ ^^}{^*}\simeq 7.5\times10^{-3}
(2)	$\mathrm{H_2PO_4^- \;\overrightarrow{\longleftarrow}\; HPO_4^{2-} + H^+}$	$K_{a2}=\frac{$ ^^}{^*}\simeq 6.2\times10^{-8}
(3)	$\mathrm{HPO_4^{2-} \;\overrightarrow{\longleftarrow}\; PO_4^{3-} + H^+}$	$K_{a3}=\frac{$ ^^}{^*}\simeq 2.14\times10^{-13}

Unter stark akalischen Bedingungen, wie z. B. bei pH = 13 liegt im wesentlichen PO₄³⁻ und HPO_{4_{²⁻ vor.
Ist die Lösung neutral (pH = 7.0) liegen H₂PO₄⁻ (62 %) und HPO₄²⁻ (38 %) vor.
Bei pH = 7.4 dreht sich das Verhältnis der beiden Komponenten etwa um: 39 % H₂PO₄⁻ und 61 % HPO₄²⁻.
Unter stark sauren Bedingungen (pH=1) ist H₃PO₄ dominierend im Vergleich zu H₂PO₄⁻. HPO₄²⁻ und PO₄³⁻ sind praktisch abwesend.}}

Allgemeines

Mit Ausnahme der Alkali- und Ammonium-Verbindungen sind die meisten Phosphate schlecht wasserlöslich.

Phosphate können Verbindungen mit Schwermetallen eingehen. Diese Eigenschaft macht die Verwendung von Phosphaten problematisch, da die Phosphate aus dem Klärschlamm Schwermetalle mobilisieren können.

Zum überwiegenden Teil enthalten Lagerstätten von Phosphatverbindungen auch Schwermetallen, wie z.B. Cadmium.

Bedeutung in der Biochemie

Phosphate bzw. Phosphatreste spielen eine wichtige Rolle in der Biochemie. Sie sind beteiligt am Aufbau biologisch höchst bedeutsamer Moleküle, etwa der Desoxyribonukleinsäure und des Adenosintriphosphats (ATP). Phosphatreste sorgen dafür, dass viele biologisch wichtige Moleküle energetisch „aufgeladen“ werden. Hier treten auch Tri- und Diphosphate auf. Wichtig in der Biochemie ist auch das Phosphat als molekularer Schalter an Proteinen. Sie steuern einen großen Teil der Proteinregulation. Übertragen werden sie hier von der großen Klasse der Proteinkinasen, wieder abgespalten von Proteinphosphatasen.

Im Körper von Menschen und Tieren ist Phosphat ebenfalls von grosser Bedeutung für die Mineralisation der Knochen.

Verwendung

Dünger

Die Hauptmenge der Phosphate kommt als Dünger zum Einsatz. (-> Superphosphat, Doppelsuperphosphat ) Durch Erosion von landwirtschaftlichen Flächen gelangen sie an Tonminerale gebunden in Flüsse und Seen und können dort zur Eutrophierung beitragen.

Waschmittelzusatz

Weitere Verwendungszwecke sind Wasserenthärter, Waschmittel und Ausgangsstoffe für weitere Phosphorverbindungen.

Sonstige Verwendungen

Futtermittel, Korrosionsschutzmittel ( -> Phosphatierung ); Flammschutzmittel; Puffersubstanz für neutralen pH-Bereich (s. o.).

Lebensmittelzusatzstoff

Natriumphosphat (E 339), Kaliumphosphat (E 340), Kalziumphosphat (E 341) und die Salze der ortho-Phosphorsäure Diphosphat (E 450), Triphosphat (E 451) und Polyphosphat (E 452) sind als Lebensmittelzusatzstoffe zugelassen und werden als Konservierungsmittel, Säuerungsmittel, als Säureregulator und Emulgator eingesetzt.

Phosphat wird für nichtalkoholische, aromatisierte Getränke (Colagetränke; in diesen auch als Phosphorsäure (E338)), sterilisierte und ultrahocherhitze Milch, eingedickte Milch, Milch- und Magermilchpulver und als technischer Hilfsstoff (verhindert das Zusammenklumpen von rieselfähigen Lebensmitteln) verwendet. Phosphate spielen auch bei der Lebensmittelherstellung (vor allem in der Fleischindustrie) eine sehr große Rolle und sind Komponenten des Schmelzsalzes für Schmelzkäse.

Bedeutung für die Ernährung

In der menschlichen Ernährung kommt Phosphor eine wesentliche Rolle im Energiestoffewechsel (siehe Abschnitt Biochemie) und im Knochenaufbau zu. Es verbindet sich mit Calcium zum festen Calciumapatit. Die im Zusammenhang mit Calcium oft angesprochene Bedeutung des Phosphors bezieht sich auf die indirekte Regulation des Knochenstoffwechsels. Phosphor steigert das Parathormon und erhöht somit die Ausschleusung von Calcium aus Knochen und Körper, senkt gleichzeitig auch die Calciumaufnahme. Die Bedeutung von Phosphor für das Auftreten von Hyperaktivität bei Kindern gilt als widerlegt.

Nachweis

Nachweisreaktionen von Phosphaten werden unter Phosphor beschrieben.

siehe auch

andere Sauerstoffverbindungen des Phosphors

Stoffgruppe

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