磷酸盐

化合物大類

磷酸盐phosphate,符号:PO3−
4
),是磷酸,在无机化学生物化学生物地质化学上是很重要的物质

磷酸盐
Aromatic ball and stick model of phosphate
Space-filling model of phosphate
系统名
Phosphate[1]
识别
CAS号 14265-44-2  checkY
PubChem 1061
ChemSpider 1032
SMILES
 
  • [O-]P([O-])([O-])=O
Beilstein 3903772
Gmelin 1997
ChEBI 18367
MeSH Phosphates
性质
化学式 PO3−
4
摩尔质量 94.9714 g·mol⁻¹
若非注明,所有数据均出自标准状态(25 ℃,100 kPa)下。

化学特性

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磷酸氢根(HPO42−)分子的模型。中间橙色的是磷原子,红色的是氧原子,而白色的是氢原子。
 
在酸性溶液下磷酸官能团的结构式。在碱性的溶液下,该官能团会释放两个氢原子,并离化磷酸盐带有-2的形式电荷[2]

磷酸盐离子是一个多原子的离子,其实验式是PO43−,而分子量是94.97。它包含一个原子,并由四个原子所包围,形成一个正四面体。磷酸盐离子带有-3的形式电荷,且是磷酸氢盐离子(HPO42−)的共轭碱;磷酸氢盐离子则是磷酸二氢盐离子(H2PO4)的共轭碱;而磷酸二氢盐离子又是磷酸(H3PO4)的共轭碱。它是一个超价分子(磷原子在其电子层有着10个电子)。如果磷酸盐作为一种有机磷化合物就被称为磷酸酯,其化学式为OP(OR)3

除了一些碱金属外,大部分磷酸盐,在标准状态下,都是不可溶于的。

在稀释的水溶液中,磷酸盐以四种形式存在。在强碱环境下,磷酸盐离子(PO43−)会较多;而在弱碱的环境下,磷酸氢盐离子(HPO42−)则较多。在弱酸的环境下,磷酸二氢盐离子(H2PO4)较为普遍;而在强酸的环境下,则水溶的磷酸(H3PO4)是主要存在的形式。更精确的就是以下三种平衡反应:

 
 
 

在25℃的环境下有以各种不同的酸度系数(mol/L):

 
 
 

若在强碱的pH值下(pH=13),可以发现:

 

可见只有磷酸盐(PO43−)及磷酸氢盐(HPO42−)是主要的成分。

若在中和的pH值下(例如原生质,pH=7.0),可以发现:

 

所以只有磷酸二氢盐(H2PO4)及磷酸氢盐(HPO42−)离子是主要成分(当中62%是H2PO4,38%是HPO42−)。需要留意的是在细胞外体液(其pH约为7.4),这个比例会倒转(61%是HPO42−,39%是H2PO4)。

若在强酸的pH值下(pH=1),可以发现:

 

可见H3PO4,相较于H2PO4是最多的。实际上HPO42−及PO43−会接近消失。

磷酸盐可以形成聚合离子的二磷酸盐(亦即焦磷酸盐,P2O74−)、三磷酸盐(P3O105−)等。多种的偏磷酸盐离子都有着一个实验式的PO3,且是在普遍在多种化合物。

磷酸盐矿产可以包含大量自然产生的。若吸收了这些土壤改良剂可以引致农作物含有铀成分。

生理特性

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磷酸盐在人体与组织结构、代谢、调节有关,是重要生理生化物质。摄取过多磷酸盐且血中磷酸盐过高,则与心血管疾病、肾脏病有关[3]

磷酸盐常做为加工食品和速食的添加剂,也普遍存在于调味软饮料、某些奶制品中,以上食物吃多有碍健康。

出现

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磷酸石样本

磷酸盐是元素自然产生的形态,在多种磷酸盐矿物中可以找到。元素的磷或是磷化物是很难发现的(只有极少量在陨石中可以找到)。在矿物学地质学,磷酸盐是指含有磷酸盐离子的石或矿石。

北美洲最大型的磷矿粉矿床位于美国佛罗里达州中部、爱德荷州索达斯普陵北卡罗莱那州沿岸区域。而其次的是位于蒙大拿州田纳西州乔治亚州南卡罗莱那州查尔斯顿瑙鲁这个细少的岛国就曾经是有着大量高质素的磷酸盐矿产,但现时已被大量挖掘。磷矿粉亦可以在纳弗沙岛摩洛哥突尼斯以色列多哥约旦找到,这些地方亦有大量的磷酸盐矿业。

生物中,磷是以溶液中游离的磷酸盐离子的形态出现,称为“无机磷酸盐”,这是要与其他在磷酸酯中的磷酸盐作出区别的。无机磷酸盐是会以Pi来表示,它可以是由焦磷酸盐(以PPi来表示)水解而得:

 

但是,磷酸盐最普遍是以一磷酸腺苷(AMP)、二磷酸腺苷(ADP)、三磷酸腺苷(ATP)、脱氧核糖核酸(DNA)及核糖核酸(RNA)的形式出现,且可以经由水解ADP或ATP而被释放出来。对于其他的二磷或三磷核苷亦有相似的反应。在ADP及ATP,或其他二磷及三磷核苷中的磷酸酐键,包含着大量的能量,所以它们在生物中有着重要的地位。它们一般会被称为高能磷酸磷,就像在肌肉组织中的磷酸肌酸一样。一些如的化合物在有机化学上亦会被使用,但它却似乎没有自然的相应物。

由于磷酸盐对生物的重要性,所以在生态学上,它是高度被采集。因此,它在环境中往往是限量试剂,而它的可得性则决定生物成长的速度。将大量的磷酸盐加入缺乏磷酸盐的环境或微生物环境中,会对生态有着重大的影响。例如,某一种生物的暴涨会使其他生物死亡。另外耗氧的种群也会消亡(参见富营养化)。在污染的问题下,磷酸盐是总溶解固体量(一种主要的水质指标)的主要成分。

用途

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每年平均海水表面的磷酸盐浓度[4]

磷酸盐一般会用在清洁剂中作为软水剂,但是因为磷酸盐的排放会影响藻类的繁荣衰退,所以在某些地区磷酸盐清洁剂是受到管制的。

农业上,磷酸盐是植物的三种主要养份之一,且是肥料的主要成分。磷矿粉是从沉积岩的磷层中开采。以前它在开采后不用加工便可使用,但现时未加工的磷酸盐只会用在有机耕种上。一般它都是会化学加工制成过磷酸石灰重过磷酸钙磷酸二氢铵,它们的浓度都较磷酸盐高,且较易溶于水,所以植物可以较快吸收。

肥料级数一般有三个数字:第一个是指的数量,第二个是指磷酸盐的数量(以P2O5作基准),而第三个是指碱水(以K2O作基准)。所以一个10-10-10的肥料就每种成分各有10%,而其他的则是填充物。

从过度施肥的农地径流的磷酸盐会是富营养化赤潮及其后缺氧的起因。这就像磷酸盐清洁剂一样会引起鱼类及其他水生生物缺氧

参见

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参考文献

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  1. ^ Phosphates – PubChem Public Chemical Database. The PubChem Project. USA: National Center of Biotechnology Information. [2022-10-21]. (原始内容存档于2013-05-12). 
  2. ^ Campbell, Neil A.; Reece, Jane B. Biology Seventh Edition. San Francisco, California: Benjamin Cummings. 2005: 65. ISBN 0-8053-7266-4. 
  3. ^ Ritz, Eberhard; Hahn, Kai; Ketteler, Markus; Kuhlmann, Martin K.; Mann, Johannes. Phosphate additives in food--a health risk. Deutsches Ärzteblatt International. January 2012, 109 (4): 49–55. ISSN 1866-0452. PMC 3278747 . PMID 22334826. doi:10.3238/arztebl.2012.0049. 
  4. ^ On-line Objective Analyses and Statistics (HTML/ASCII). World Ocean Atlas 2001. National Oceanographic Data Center, National Oceanographic and Atmospheric Administration. 2003年 [2006年12月6日]. (原始内容存档于2006年12月12日). 

延伸阅读

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