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Phosphate
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. Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
Variantenprimäre, sekundäre und tertiäre PhosphateDie 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.
KondensatePhosphorsäure 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.
Pentanatriumtriphosphat (Na5P3O10) und Metaphosphate wurden zur Wasserenthärtung in Waschmitteln verwendet. Als Lebensmittelzusatzstoffe finden z.B. Pentanatriumtriphosphat und Diphosphate Anwendung. PhosphorsäureesterPhosphorsäureester sind Ester der ortho-Phosphorsäure. Beispiele: GewinnungPhosphate 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. EigenschaftenAnionen und pH-WerteIn 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:
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. AllgemeinesMit 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 BiochemiePhosphate bzw. Phosphatreste spielen eine wichtige Rolle in der Biochemie. Sie sind beteiligt am Aufbau biologisch höchst bedeutsamer Moleküle, etwa der Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) 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 ErnährungIn 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 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. VerwendungDünger: Vor- und NachteileDie 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. WaschmittelzusatzZur Enthärtung von Wasser kann Pentanatriumtriphosphat verwendet werden. Auf den Einsatz von Phosphaten in Waschmitteln wird in Teilen Europas verzichtet. Sonstige VerwendungenFuttermittel, Korrosionsschutzmittel ( -> Phosphatierung ); Flammschutzmittel; Puffersubstanz für neutralen pH-Bereich (s.o.). LebensmittelzusatzstoffNatriumphosphat (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. NachweisNachweisreaktionen von Phosphaten werden unter →Phosphor beschrieben. siehe auchQuellenSchmitt, 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] Kategorien: Stoffgruppe | Phosphat |
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