Phosphatgruppe

Phosphate

Das Anion PO43−

Ein Kondensat: Diphosphat

Ein Ester: Phosphorsäureester

Phosphate sind die Salze und Ester der ortho-Phosphorsäure. Das Anion PO₄³⁻, sowie seine Kondensate (Polymere) und Phosphorsäureester werden Phosphate genannt. Phosphor liegt bei allen diesen Verbindungen in der Oxidationsstufe (V) vor. Sauerstoffverbindungen des Phosphors mit anderen Oxidationsstufen sind unter Phosphor aufgelistet.

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′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 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)	$\mathrm{2 \ H_3PO_4 \ \xrightarrow{\Delta} \ H_4P_2O_7 \ + \ H_2O}$
tri-Phosphat (allg.: poly-Phosphat)	$\mathrm{H_4P_2O_7 \ + \ H_3PO_4 \ \xrightarrow{\Delta} \ H_5P_3O_{10} \ + \ H_2O}$
meta-Phosphat (allg.: cyclo-Phosphat)	$\mathrm{H_5P_3O_{10} \ \xrightarrow{\Delta} \ H_3P_3O_{9} \ + \ H_2O}$

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

Phosphorsäureester

Phosphorsäureester sind Ester der ortho-Phosphorsäure.

Beispiele:

• Adenosintriphosphat
• Nukleotide
• Phospholipide

Gewinnung

Phosphate werden aus Mineralen wie zum Beispiel Apatit, Ca₅[(PO₄)₃(OH,F,Cl)], 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.^[1] So ist weltweit nur noch eine Lagerstätte bekannt, die den Grenzwert der EU unterschreitet (Kola). In Entwicklungsländern dagegen wird Düngung mit billigeren cadmiumverunreinigten Phosphatdüngern durchgeführt.

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 oder biologisch angereicherten Phosphate zu nutzen oder zurückzugewinnen. In Deutschland und anderen Ländern geht man allerdings immer mehr dazu über Klärschlamm zu verbrennen, da er neben den interessanten Phosphaten auch zahlreiche Schwermetalle und endokrine Disruptoren enthält.

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 wässriger Lösung, ist Phosphorsäure (H₃PO₄) die Hauptform.

Es liegen also drei pH-abhängige Gleichgewichtsreaktionen vor:

	Gleichgewichtsreaktionen	Gleichgewichtskonstante bei 25 °C
(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⁻ 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 lebender Organismen. Sie sind beteiligt am Aufbau biologisch wichtiger Moleküle, etwa der Desoxyribonukleinsäure (DNA). Im Phosphodiester/Phosphotriester-System von Adenosindiphosphat (ADP) und Adenosintriphosphat (ATP) wird ADP durch Übertragung einer Phosphatgruppe "energetisch aufgeladen" (ADP + P_i + Energie => ATP) und ATP kann durch Abspaltung einer Phosphatgruppe - an anderer Stelle in der Zelle - wieder Energie abgeben (ATP => ADP + P_i + Energie). Wichtig in der Biochemie ist auch die Phosphorylierung, d.h. die selektive Übertragung von Phosphat auf Proteine. Kovalent an Proteine gebundenes Phosphat wirkt als molekularer Schalter und ermöglicht Regulation von metabolischen Vorgängen. 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 Energiestoffwechsel (siehe Abschnitt Biochemie) und im Knochenaufbau zu. Es verbindet sich mit Calcium zum festen Calciumapatit. Die im Zusammenhang mit Calcium oft angesprochene Bedeutung von Phosphat bezieht sich auf die indirekte Regulation des Knochenstoffwechsels. Phosphat steigert das Parathormon und erhöht somit die Freisetzung von Calcium aus den Knochen, drosselt die Calciumausscheidung der Niere und erhöht die Calciumresorption im Darm. Die Bedeutung von Phosphat für das Auftreten von Hyperaktivität bei Kindern gilt als widerlegt.

Verwendung

Dünger

Die Hauptmenge der Phosphate kommt als Dünger zum Einsatz (siehe Superphosphat, Doppelsuperphosphat). Durch Erosion von landwirtschaftlichen Flächen gelangen sie an Tonminerale gebunden in Flüsse und Seen. Dort können sie zur Eutrophierung beitragen und ihre Spurenstoffe wie Cadmium und Uran anreichern.

Waschmittelzusatz

Zur Enthärtung von Wasser kann Pentanatriumtriphosphat verwendet werden. Auf den Einsatz von Phosphaten in Waschmitteln wird in Teilen Europas inzwischen verzichtet, da sie zu einer Überdüngung und schließlich zum Umkippen von Gewässern geführt haben.

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.

Sonstige Verwendungen

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

Nachweis

Nachweisreaktionen von Phosphaten werden unter Phosphor beschrieben.

Einzelnachweise

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

Weblinks

• Seite der TU Darmstadt und des CEEP zur Phosphat-Rückgewinnung