Phosphate

Das Anion PO₄^3-

Ein Kondensat: Diphosphat

Ein Ester: Phosphorsäureester

Phosphate sind die Salze und Ester der ortho-Phosphorsäure. Das Anion PO₄^3-, sowie seine Kondensate (Polymere) und Phosphorsäureester werden Phosphate genannt. Phosphor liegt bei allen diesen Verbindungen in der Oxidationsstufe (V) vor.

Varianten

primäre, sekundäre und tertiäre Phosphate

Die Salze 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)	Dinatriumhydrogenphosphat (Na₂HPO₄)	Natriumphosphat (Na₃PO₄)
Kaliumdihydrogenphosphat (KH₂PO₄)	Dikaliumhydrogenphosphat (K₂HPO₄)	Kaliumphosphat (K₃PO₄)
Calciumdihydrogenphosphat (Ca(H₂PO₄)₂)	Calciumhydrogenphosphat (CaHPO₄)	Calciumphosphat (Ca₃(PO₄)₂)

Kondensate

Datei:Trimetaphosphat.PNG

Trimetaphosphat

Polyphosphate und Metaphosphate sind Polymere von Phosphaten. Metaphosphate kann man als cyclo-Polyphosphate bezeichnen.

Pentanatriumtriphosphat Na₅P₃O₁₀

Diphosphate oder auch Pyrophosphate (P₂O₇)^4-

Phosphorsäureester

Phosphorsäureester sind Ester der ortho-Phosphorsäure.

Beispiele:

Gewinnung

Phosphate werden aus Mineralen wie zum Beispiel Apatit, Ca₅[(PO₄)₃(OH,F)], gewonnen. Die Hauptvorkommen liegen im nördlichen Afrika (Marokko, Westsahara), Florida, Russland (Kola-Halbinsel), Südafrika und China. Früher fanden sich die Phosphatvorkommen mit der höchsten Konzentration (Nauruit, welches aus Guano entstand) auf der Pazifikinsel Nauru. Die ursprünglichen Vorkommen sind seit 2003 erschöpft. 2004 wurden neue Vorkommen auf Nauru erschlossen. Saudi-Arabien beabsichtigt (2005), in den nächsten Jahren die Ausbeutung seines Phosphatvorkommens voranzutreiben.

Die Ressourcen von Phosphaten sind begrenzt, und die meisten sind belastet mit Cadmium und/ oder radioaktiven Schwermetallen. Manche Phosphatlagerstätten dienten bislang als Quelle für Uran. Man geht davon aus, dass die zur Düngerproduktion nutzbaren Phosphatlagerstätten früher erschöpft sein werden als die weltweiten Erdölvorkommen. Der Cadmiumgehalt der Phosphatlagerstätten ist sehr unterschiedlich. Viele Industrieländer haben bereits einen Grenzwert für Cadmium in Düngemitteln eingeführt. So ist weltweit nur noch eine Lagerstätte bekannt, die den Grenzwert der EU unterschreitet (Kola). Entwicklungsländer düngen dagegen mit billigeren cadmiumverunreinigten Phosphatdüngern.

Die früher in den Industrieländern praktizierte Nutzung von Thomasmehl (einem Nebenprodukt der Eisenerz-Verhüttung) ist auf Grund der hohen Chrombelastung aus Gesundheitsgründen ausgeschlossen.

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

Eigenschaften

Anionen und pH-Werte

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	Datei:PH-Phosphat-plot.png
(1)	$\mathrm {H_{3}PO_{4}+H_{2}O~~{\overrightarrow {\leftarrow }}~~H_{2}PO_{4}^{-}+H_{3}O^{+}}$	$K_{a1}=\mathrm {\frac {[H_{2}PO_{4}^{-}][H_{3}O^{+}]}{[H_{3}PO_{4}]}} \simeq 7.5\times 10^{-3}$
(2)	$\mathrm {H_{2}PO_{4}^{-}+H_{2}O~~{\overrightarrow {\leftarrow }}~~HPO_{4}^{2-}+H_{3}O^{+}}$	$K_{a2}=\mathrm {\frac {[HPO_{4}^{2-}][H_{3}O^{+}]}{[H_{2}PO_{4}^{-}]}} \simeq 6.2\times 10^{-8}$
(3)	$\mathrm {HPO_{4}^{2-}+H_{2}O~~{\overrightarrow {\leftarrow }}~~PO_{4}^{3-}+H_{3}O^{+}}$	$K_{a3}=\mathrm {\frac {[PO_{4}^{3-}][H_{3}O^{+}]}{[HPO_{4}^{2-}]}} \simeq 2.14\times 10^{-13}$

Unter stark akalischen Bedingungen, wie z. B. bei pH = 13 liegt im wesentlichen PO₄³⁻ und HPO₄²⁻ 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 Schwermetalle, wie z.B. Cadmium und Uran.

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.

Bedeutung für die Ernährung

In der menschlichen Ernährung kommt Phosphat 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.

Verwendung

Dünger: Vor- und Nachteile

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. Dort können sie zur Eutrophierung beitragen. Aber nicht nur in Süßwasserbiotopen, sondern weltweit tragen sie zur Überdüngung mineralsalzarmer Biotope (z.B. Magerwiesen) bei, was letztendlich zu deren Vernichtung führt. Mit dem Einsatz von mineralischer Phosphate werden auch viele Schwermetallsalze sowohl in unsere Nahrung als auch in die Umwelt ausgebracht. Dies ist auch einer der Gründe, warum Klärschlamm so hoch mit Schwermetallen belastet ist, dass viele Landwirte von seiner Verwendung als Dünger absehen.

Waschmittelzusatz

Zur Enthärtung von Wasser kann Pentanatriumtriphosphat verwendet werden. Auf den Einsatz von Phosphaten in Waschmitteln wird in Teilen Europas verzichtet.

Sonstige Verwendungen

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

Lebensmittelzusatzstoff

Natriumphosphat (E 339), Kaliumphosphat (E 340), Calciumphosphat (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.

Nachweis

Nachweisreaktionen von Phosphaten werden unter →Phosphor beschrieben.

siehe auch

andere Sauerstoffverbindungen des Phosphors

Quellen

Schmitt, Stefan. Das Klo der Zukunft: Mischen verboten! In: Zeit Wissen 04 2005 [1]

IGBCE. Stellungnahme der IG Bergbau, Chemie, Energie zum Entwurf für eine EU-weite Regelung des Europäischen Parlamentes und Rates für Cadmium in Düngemitteln [2]

Umweltbundesamt: Grundsätze und Maßnahmen für eine vorsorgeorientierte Begrenzung von Schadstoffeinträgen in landwirtschaftlich genutzte Böden. In: Bodenschutz digital 3/2001. Erich Schmitt Verlag. Berlin 2001 [3]

Umweltbundesamt. Noch zu viele Schwermetalle in der Gülle. Berlin 2004 [4]