Phosphate

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Phosphate
Phosphate
Phosphat-Ion.svg
Das Anion PO43‚ąí
Diphosphat-Ion.svg
Ein Kondensat: Diphosphat
Phosphate Group.svg
Ein Ester: Phosphorsäureester

Phosphate sind im engen Sinn die Salze und Ester der Orthophosphorsäure (H3PO4).[1] Im weiteren Sinn werden auch die Kondensate (Polymere) der Orthophosphorsäure und ihre Ester Phosphate genannt.[1] Die Ester werden unter Phosphorsäureester beschrieben. Phosphor liegt bei allen diesen Verbindungen in der Oxidationsstufe (V) vor. Sauerstoffverbindungen des Phosphors mit anderen Oxidationsstufen sind unter Phosphor aufgelistet.

Inhaltsverzeichnis

Varianten

Primäre, sekundäre und tertiäre Phosphate

Die Salze der dreibasigen ortho-Phosphorsäure (H3PO4) lassen sich in primäre, sekundäre und tertiäre Phosphate einteilen. Bei einwertigen Kationen M′ gelten die Summenformeln entsprechend M′H2PO4, M′2H1PO4 und M′3PO4. Durch die teilweise Neutralisation der Phosphorsäure erhält man Hydrogen- oder Dihydrogenphosphate. Diese können sowohl mit Säuren als auch mit Basen 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
Weitere Beispiele siehe Kategorie:Phosphat

Kondensate

Phosphorsäure kann in einer Kondensationsreaktion (Wasserabspaltung) Diphosphorsäure (H4P2O7) bilden. Analog gibt es entsprechende Salze, die Diphosphate (Pyrophosphate) M'4P2O7. Bei einer fortgesetzten Reaktion bilden sich auch poly- oder cyclo-Phosphate. cyclo-Phosphate werden oft Metaphosphate genannt. Polyphosphate und Metaphosphate sind also Polymere der Salze der Phosphorsäure.

di-, poly- und cyclo-Phosphate
Name Reaktion Struktur des Anions
di-Phosphat
(auch: Pyrophosphat)
\mathrm{2 \ H_3PO_4 \ \xrightarrow{\Delta} \ H_4P_2O_7 \ + \ H_2O} Diphosphat-Ion.svg
tri-Phosphat
(allg.: poly-Phosphat)
\mathrm{H_4P_2O_7 \ + \ H_3PO_4 \ \xrightarrow{\Delta} \ H_5P_3O_{10} \ + \ H_2O} Triphosphat-Ion.svg
meta-Phosphat
(allg.: cyclo-Phosphat)
\mathrm{H_5P_3O_{10} \ \xrightarrow{\Delta} \ H_3P_3O_{9} \ + \ H_2O} Trimetaphosphat.svg

Pentanatriumtriphosphat (Na5P3O10) und Metaphosphate wurden zur Wasserenthärtung in Waschmitteln verwendet. Als Lebensmittelzusatzstoffe finden z.B. Pentanatriumtriphosphat und Diphosphate Anwendung.

Gewinnung

Phosphate werden aus Mineralen wie zum Beispiel Apatit, Ca5[(PO4)3(OH,F,Cl)], gewonnen. Die Hauptvorkommen liegen im n√∂rdlichen Afrika (Marokko, Westsahara), Florida, Russland (Kola-Halbinsel), S√ľdafrika und China. Fr√ľher fanden sich die Phosphatvorkommen mit der h√∂chsten Konzentration (Nauruit, welches aus Guano entstand) auf der Pazifikinsel Nauru. Die urspr√ľnglichen Vorkommen sind seit 2003 ersch√∂pft. 2004 wurden neue Vorkommen auf Nauru erschlossen. Saudi-Arabien beabsichtigt (2005), in den n√§chsten Jahren die Ausbeutung seines Phosphatvorkommens voranzutreiben.

Die Ressourcen von Phosphaten sind begrenzt, und die meisten sind belastet mit Cadmium und/oder radioaktiven Schwermetallen. Manche Phosphatlagerst√§tten dienten bislang als Quelle f√ľr Uran. Man geht davon aus, dass die zur D√ľngerproduktion nutzbaren Phosphatlagerst√§tten fr√ľher ersch√∂pft sein werden als die weltweiten Erd√∂lvorkommen. Der Cadmiumgehalt der Phosphatlagerst√§tten ist sehr unterschiedlich. Viele Industriel√§nder haben bereits einen Grenzwert f√ľr Cadmium in D√ľngemitteln eingef√ľhrt. So ist weltweit nur noch eine Lagerst√§tte bekannt, die den Grenzwert der EU unterschreitet (Kola). In Entwicklungsl√§ndern dagegen wird D√ľngung mit billigeren cadmiumverunreinigten Phosphatd√ľngern durchgef√ľhrt.

Die fr√ľher in den Industriel√§ndern praktizierte Nutzung von Thomasmehl (einem Nebenprodukt der Eisenerz-Verh√ľttung) ist auf Grund der hohen Chrombelastung aus Gesundheitsgr√ľnden ausgeschlossen. Eine weitere M√∂glichkeit w√§re die im Kl√§rschlamm vorhandenen gef√§llten oder biologisch angereicherten Phosphate zu nutzen oder zur√ľckzugewinnen. In Deutschland und anderen L√§ndern geht man allerdings immer mehr dazu √ľber, Kl√§rschlamm zu verbrennen, da er neben den interessanten Phosphaten auch zahlreiche Schwermetalle und endokrine Disruptoren enth√§lt.

Eigenschaften

Anionen und pH-Werte

In w√§ssriger L√∂sung existieren Phosphat-Anionen in vier Formen. Unter stark basischen Bedingungen liegt das Phosphat-Anion haupts√§chlich als (PO43‚ąí) vor, w√§hrend unter schwach basischen Bedingungen das Hydrogenphosphat-Anion (HPO42‚ąí) dominiert. Unter schwach sauren Bedingungen liegt haupts√§chlich das Dihydrogenphosphat-Anion (H2PO4‚ąí) vor. In stark saurer w√§ssriger L√∂sung, ist Phosphors√§ure (H3PO4) die Hauptform.

Es liegen also drei pH-abhängige Gleichgewichtsreaktionen vor:

Gleichgewichtsreaktionen Gleichgewichtskonstante bei 25 ¬įC PH-Phosphat-plot.svg
(1) \mathrm{H_3PO_4 + H_2O \ \rightleftharpoons \ H_2PO_4^- + H_3O^+}  K_{a1}=\mathrm{\frac{[H_2PO_4^-][H_3O^+]}{[H_3PO_4]}} \simeq 7{,}5\times10^{-3}
(2) \mathrm{H_2PO_4^- + H_2O \ \rightleftharpoons \ HPO_4^{2-} + H_3O^+}  K_{a2}=\mathrm{\frac{[HPO_4^{2-}][H_3O^+]}{[H_2PO_4^-]}} \simeq 6{,}2\times10^{-8}
(3) \mathrm{HPO_4^{2-} + H_2O \ \rightleftharpoons \ PO_4^{3-} + H_3O^+}  K_{a3}=\mathrm{\frac{[PO_4^{3-}][H_3O^+]}{[HPO_4^{2-}]}} \simeq 2{,}14\times10^{-13}

Unter stark alkalischen Bedingungen, wie z. B. bei pH = 13 liegt im Wesentlichen PO43‚ąí und HPO42‚ąí vor. Ist die L√∂sung neutral (pH = 7.0) liegen H2PO4‚ąí (62 %) und HPO42‚ąí (38 %) vor. Bei pH = 7.4 dreht sich das Verh√§ltnis der beiden Komponenten etwa um: 39 % H2PO4‚ąí und 61 % HPO42‚ąí. Unter stark sauren Bedingungen (pH=1) ist H3PO4 dominierend im Vergleich zu H2PO4‚ąí. HPO42‚ąí und PO43‚ąí 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 √ľberwiegenden Teil enthalten Lagerst√§tten von Phosphatverbindungen auch Schwermetalle, wie z.B. Cadmium und Uran.

Bedeutung f√ľr die Ern√§hrung

In der menschlichen Ern√§hrung spielt Phosphat eine wesentliche Rolle im Energiestoffwechsel und im Knochenaufbau. Es verbindet sich mit Calcium zum festen Calciumapatit. Der Phosphatspiegel ist wichtig im Zusammenhang mit dem Calciumstoffwechsel (siehe hierzu Hyperphosphat√§mie). Die Bedeutung von Phosphat f√ľr das Auftreten von Hyperaktivit√§t bei Kindern gilt als widerlegt.

Verwendung

D√ľnger

Die Hauptmenge der Phosphate kommt als D√ľnger zum Einsatz (siehe Superphosphat, Doppelsuperphosphat). Die Eignung von Phosphaten f√ľr die D√ľngung wurde durch Zufall entdeckt: bei der Eisen- und Stahlerzeugung nach dem Thomas-Verfahren fiel als Nebenprodukt das phosphatreiche Thomasmehl an, das sich als hervorragender D√ľnger entpuppte.

Durch Erosion von landwirtschaftlichen Fl√§chen gelangen Phosphate an Tonminerale gebunden in Fl√ľsse und Seen. Dort k√∂nnen sie zur Eutrophierung beitragen.

Waschmittelzusatz

Zur Enth√§rtung von Wasser kann Pentanatriumtriphosphat verwendet werden. Auf den Einsatz von Phosphaten in Waschmitteln wird in Teilen Europas inzwischen verzichtet, da sie zu einer √úberd√ľngung und schlie√ülich zum Umkippen von Gew√§ssern gef√ľhrt haben.

Lebensmittelzusatzstoff

Natriumphosphat (E 339), Kaliumphosphat (E 340), Calciumphosphat (E 341) und die Salze der ortho-Phosphors√§ure Diphosphat (E 450), Triphosphat (E 451) und Polyphosphat (E 452) sind als Lebensmittelzusatzstoffe zugelassen und werden als Konservierungsmittel, S√§uerungsmittel, als S√§ureregulator und Emulgator eingesetzt. Phosphat wird f√ľr nichtalkoholische, aromatisierte Getr√§nke (Colagetr√§nke; in diesen auch als Phosphors√§ure (E 338)), sterilisierte und ultrahocherhitze Milch, eingedickte Milch, Milch- und Magermilchpulver und als technischer Hilfsstoff (verhindert das Zusammenklumpen von rieself√§higen Lebensmitteln) verwendet. Phosphate spielen auch bei der Lebensmittelherstellung (vor allem in der Fleischindustrie) eine sehr gro√üe Rolle und sind Komponenten des Schmelzsalzes f√ľr Schmelzk√§se.

Sonstige Verwendungen

Futtermittel, Korrosionsschutzmittel (siehe Phosphatierung); Flammschutzmittel; Puffersubstanz f√ľr neutralen pH-Bereich (s.o.).

32P, ein radioaktives Isotop des Phosphors, wird in Form von Dihydrogenphosphat (oder Natriumphosphat) vielseitig in der Forschung und in der nuklearmedizinischen Therapie speziell bei Polycythaemia vera eingesetzt (Radiophosphortherapie).

Nachweis

Nachweisreaktionen von Phosphaten werden unter Phosphor beschrieben.

Einzelnachweise

  1. ‚ÜĎ a b Hans-Dieter Jakubke, Ruth Karcher (Hrsg.): Lexikon der Chemie, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 2001.

Weblinks

Wikibooks Wikibooks: Praktikum Anorganische Chemie/ Phosphat ‚Äď Lern- und Lehrmaterialien

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  • Phosphate ‚ÄĒ Systematic name ‚Ķ   Wikipedia

  • phosphate ‚ÄĒ [ f…Ēsfat ] n. m. ‚ÄĘ 1782; de phosphore ‚ô¶ Sel r√©sultant de l action d un des acides phosphoriques avec une base (ex. pyrophosphates). Lessive sans phosphates. G√©ol. Phosphates naturels : apatite, phosphorite, monazite. ‚ôĘ Cour. Phosphate de calcium… ‚Ķ   Encyclop√©die Universelle

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  • Phosphate ‚ÄĒ Phosphate. Die Salze der drei verschiedenen Phosphors√§uren bezeichnet man als Phosphate, und zwar je nach der Phosphors√§ure, von der sie sich ableiten, als Ortho , als Pyro oder als Metaphosphate. Da die Orthophosphors√§ure eine dreibasische S√§ure ‚Ķ   Lexikon der gesamten Technik

  • Phosphate ‚ÄĒ ¬† [zu griechisch ph√Ķs ¬ĽLicht¬ę], Singular Phosphat das, (e)s, im weiteren Sinn die Salze und Ester der verschiedenen Phosphorsauerstoffs√§uren (Phosphorverbindungen); im engeren Sinn die Phosphate(V), d. h. die Salze und Ester der Phosphor(V) s√§ure ‚Ķ   Universal-Lexikon

  • phosphat√© ‚ÄĒ phosphat√©, √©e (fo sfa t√©, t√©e) adj. Terme de chimie. Qui est √† l √©tat de phosphate. ¬†¬†¬†S. f. pl. Terme de min√©ralogie. Les phosphat√©es, ordre de roches pierreuses ‚Ķ   Dictionnaire de la Langue Fran√ßaise d'√Čmile Littr√©

  • phosphate ‚ÄĒ a salt of phosphoric acid, 1795, from Fr. phosphate (1787), from phosphore (see PHOSPHORUS (Cf. phosphorus)) + ATE (Cf. ate) (3) ‚Ķ   Etymology dictionary

  • Phosphate ‚ÄĒ Phos phate, n. (Chem.) A salt of phosphoric acid. [1913 Webster] ‚Ķ   The Collaborative International Dictionary of English

  • Phosphate ‚ÄĒ Phosphate, so v.w. Phosphorsaure Salze ‚Ķ   Pierer's Universal-Lexikon

  • Phosphate ‚ÄĒ Phosphate, soviel wie Phosphors√§uresalze, z. B. Natriumphosphat, phosphorsaures Natron ‚Ķ   Meyers Gro√ües Konversations-Lexikon


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