Phosphate 90px|Strukturformel Das Anion PO43− 150px|Strukturformel Ein Kondensat: Diphosphat 130px|Strukturformel Ein Ester: Phosphorsäureester
Phosphate sind die Salze und Ester der Orthophosphorsäure (H3PO4).Hans-Dieter Jakubke, Ruth Karcher (Hrsg.): Lexikon der Chemie. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 2001. Im weiteren Sinn werden auch die Kondensate (Polymere) der Orthophosphorsäure und ihre Ester Phosphate genannt. Die Ester werden unter Phosphorsäureester beschrieben. Phosphor liegt bei allen diesen Verbindungen in der Oxidationsstufe +5 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′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) 120px|Strukturformel tri-Phosphat (allg.: poly-Phosphat) 150px|Strukturformel meta-Phosphat (allg.: cyclo-Phosphat) 100px|Strukturformel
Pentanatriumtriphosphat (Na5P3O10) und Metaphosphate wurden zur Wasserenthärtung in Waschmitteln verwendet. Als Lebensmittelzusatzstoffe finden z. B. Pentanatriumtriphosphat und Diphosphate Anwendung.
Gewinnung und Abbau Phosphate werden aus Mineralen wie zum Beispiel Apatit, Ca5[(PO4)3(OH,F,Cl)], gewonnen. Da Phosphate in vielen verschiedenen Mineralien und in unterschiedlicher Zusammensetzung vorkommen, wird der Phosphorgehalt üblicherweise auf den Gehalt an Phosphorpentoxid (P2O5) umgerechnet angegebenD. Montag: Phosphorrückgewinnung bei der Abwasserreinigung: Entwicklung eines Verfahrens zur Integration in kommunale Kläranlagen, S. 4. Die Hauptvorkommen liegen im nördlichen Afrika (Marokko, Westsahara), Jordanien, Vereinigte Staaten (Florida), Russland (Kola-Halbinsel), Südafrika, Togo 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 ist seit 2006 einer der größten Produzenten weltweit.Ma’aden Phosphate Development (Saudi Arabian Mining Company). Worley Parsons. Anfang 2021 berichtete ein Explorationsunternehmen über den Fund bedeutender Lagerstätten in Norwegen. 2023 wurde bekannt, dass diese norwegische Lagerstätte rund 70 Milliarden Tonnen Phosphat enthält, was in etwa den gesamten bisher bekannten Reserven entspricht und den globalen Phosphatbedarf für 50 Jahre decken könnte.
2020 wurden weltweit 220 Millionen Tonnen Phosphatgestein abgebaut mit einem Phosphatgehalt, der 70 Millionen Tonnen P2O5 entsprach. Größtes Abbauland war China, gefolgt von Marokko, den USA und Russland. Die Ressourcen von Phosphaten wurden 2022 von der USGS auf 300 Milliarden Tonnen geschätzt, die bekannten Reserven betrugen 71 Milliarden Tonnen. Vor allem Jordanien, Marokko und Saudi-Arabien konnten 2021 ihre Produktion steigern. Weitere Ausbauprojekte laufen derzeit in Brasilien, Kasachstan, Mexiko, Russland und Südafrika, werden aber erst nach 2024 den Betrieb aufnehmen könnenPhosphate. In: United States Geological Survey Mineral Commodity Summaries. 2022 Einige Lagerstätten sind mit Cadmium und/oder radioaktiven Schwermetallen belastet. Manche Phosphatlagerstätten dienten bislang als Quelle für Uran. Der Cadmiumgehalt der Phosphatlagerstätten ist sehr unterschiedlich. Viele Industrieländer haben bereits einen Grenzwert für Cadmium in Düngemitteln eingeführt.
Einen Überblick über die globalen Abbaumengen gibt folgende Tabelle:. Bundesministerium für Landwirtschaft, Regionen und Tourismus World Mining Data 2022
+ Abbaumengen Land Abbaumenge in t P2O5 2016 2017 2018 2019 2020 433.200 378.100 409.400 455.100 409.900 238.494 216.670 195.720 165.750 215.700 2.046.000 2.083.000 1.980.300 1.828.500 1.698.100 1.740 1.190 1.160 950 590 43.319.400 36.939.600 28.897.800 27.997.200 26.679.960 148.120 147.890 111.780 89.010 120.750 21.030 15.870 13.240 20.480 10.670 0 0 0 0 460 741.240 1.021.960 1.000.000 870.000 870.000 338.230 352.300 356.070 363.020 363.200 288.830 360.220 342.890 332.940 346.450 77.912 88.715 105.840 102.230 105.000 40.000 40.000 377.120 300.000 300.000 1.223.600 1.032.900 1.100.500 898.200 988.800 2.557.170 2.780.030 2.567.170 2.951.470 2.860.140 348.600 368.400 381.200 388.540 456.010 430 170 270 300 0 988.280 692.150 222.500 249.520 91.240 8.601.000 10.490.100 10.960.200 11.267.500 11.959.000 39.800 50.900 23.000 30.600 39.400 20.730 11.100 12.340 14.950 15.000 4.013.220 3.211.140 3.917.140 4.214.770 3.265.790 8.690 8.600 1.500 200 200 4.797.000 5.148.000 5.304.000 5.382.000 5.382.000 1.620.000 1.701.000 1.827.000 1.860.000 2.300.000 886.500 841.020 775.410 855.850 684.300 593.800 727.800 720.400 639.000 530.800 13.600 14.850 16.290 16.600 18.240 0 38.700 95.000 134.000 580.000 5.200 300 650 5.050 6.240 0 2.400 0 0 0 306.600 266.260 370.810 260.320 488.900 1.062.400 1.145.300 812.800 1.124.700 911.800 231.800 0 0 94.600 261.900 7.615.000 7.840.000 7.250.000 6.547.000 6.604.000 170.000 170.000 150.000 150.000 150.000 42.900 19.320 16.800 21.500 20.000 942.750 1.376.400 1.299.660 1.346.880 1.316.850 8.500 18.000 15.400 8.100 13.500 Summe 83.791.766 79.600.355 71.631.360 70.986.830 70.064.890
Die früher in den Industrieländern praktizierte Nutzung von Thomasmehl (einem Nebenprodukt der Eisenerz-Verhüttung) ist auf Grund der hohen Chrombelastung aus Gesundheitsgründen ausgeschlossen. Eine weitere Möglichkeit ist, die im Klärschlamm vorhandenen gefällten oder biologisch angereicherten Phosphate zu nutzen oder zurückzugewinnen. In Deutschland und anderen Ländern wird Klärschlamm bisher meist verbrannt, da er häufig zahlreiche Schwermetalle und endokrine Disruptoren enthält.
Da 85 % des in Deutschland verwendeten importierten Phosphats in die Landwirtschaft gehen, könnte ein Teil durch Klärschlamm ersetzt werden. Im Wirtschaftsjahr 2003/2004 lag der Düngemittelabsatz laut den Erhebungen des Statistischen Bundesamtes bei 112.000 Tonnen Phosphor.Forschungsbericht zu Phosphorgewinnung aus Klärschlamm im Auftrag des Umweltbundesamtes, Seite 37 Dem sollte mit der Novellierung der Klärschlammverordnung 2017 Rechnung getragen werden, wonach „eine Rückgewinnung von Phosphor und eine Rückführung des gewonnenen Phosphors oder der phosphorhaltigen Klärschlammverbrennungsasche in den Wirtschaftskreislauf anzustreben“ ist.siehe Klärschlammverordnung § 3 Absatz 1 Satz 2 Auch in der Schweiz wurden entsprechende Überlegungen angestellt.Bundesamt für Umwelt, BAFU 2009: Rückgewinnung von Phosphor aus der Abwasserreinigung Die Schweizer Düngeverordnung wurde 2001 entsprechend angepasst und es wurde ein Netzwerk für das Phosphorrecycling aufgebaut, an dem andere europäische Länder ebenfalls beteiligt sind. Inzwischen gibt es sieben entsprechende Pilotanlagen.Aktuelles aus dem Phosphornetzwerk Schweiz
Chemische Eigenschaften Anionen und pH-Werte In wässriger Lösung existieren Phosphat-Anionen in drei 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) (2) (3) zentriert|400px|Diagramm
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 Phosphate Schwermetalle in Klärschlamm mobilisieren und auswaschbar machen können.
Zum überwiegenden Teil enthalten Lagerstätten von Phosphatverbindungen auch Schwermetalle, wie z. B. Cadmium und Uran.
Bedeutung für die Ernährung
In der menschlichen Ernährung spielt Phosphat eine wesentliche Rolle im Energiestoffwechsel und im Knochenumbau. Es verbindet sich mit Calcium zum festen Calciumapatit. Der Phosphatspiegel steht im engen Zusammenhang mit dem Calciumspiegel. Die Bedeutung von Phosphat für das Auftreten von Hyperaktivität bei Kindern gilt als widerlegt.Manfred Döpfner: Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung (ADHS). Hogrefe Verlag, 2013, ISBN 978-3-8409-1939-8 ().
Bestimmte Krankheitsbilder wie beispielsweise chronische Niereninsuffizienz (auch bei Dialysebehandlung), Osteoporose und Urolithiasis (Calciumphosphatsteine) bedürfen jedoch einer phosphatarmen Ernährung.E. Lückerath u. a.: Diätetik und Ernährungsberatung: Das Praxisbuch. Georg Thieme Verlag, 2011, S. 272, ISBN 3-8304-7563-2, .R. Nowack u. a.: Dialyse und Nephrologie für Pflegeberufe. Springer, 2002, S. 292, ISBN 3-540-42811-9, . (Hauptartikel Hyperphosphatämie)
Verwendung Dünger Die Eignung von Phosphaten für die Düngung wurde Ende des 19. Jahrhunderts entdeckt: bei der Eisen- und Stahlerzeugung nach dem Thomas-Verfahren fiel als Nebenprodukt das phosphatreiche Thomasmehl an, das sich als hervorragender Dünger erwies.
Die Landwirtschaft ist mit 83 % der größte Verbraucher an Phosphor in Deutschland. Dieser dient hauptsächlich zur Herstellung von Düngemitteln (siehe Phosphatdünger, Superphosphat, Doppelsuperphosphat). 2019 wurden rund 200.000 t verarbeitet.
In Deutschland haben 2015 rund 55 % aller etwa 272.000 Landwirtschaftsbetriebe die flüssigen Wirtschaftsdünger Gülle, Jauche und flüssige Gärrest aus der Biogasanlage auf ihre Betriebsflächen ausgebracht (rund 66 % auf Ackerland und 33 % auf Dauergrünland). Die Gesamtmenge an flüssigem Wirtschaftsdünger lag bei circa 204 Millionen m³. Hinzu kommt noch, dass etwa 36 % der landwirtschaftlichen Betriebe um die 20 Millionen Tonnen Festmist ausbrachten. Der Phosphatgehalt der natürlichen Dünger schwankt je nach Tierart, Fütterung, der Dauer und Art der Lagerung sowie der Einleitung von Niederschlagswasser und von Futterresten und Einstreu. Der Phosphatgehalt (P2O5) von Mastschweinegülle liegt bei etwa 2–4 kg/m³ und bei Milchvieh- und Rindergülle bei etwa 1–2 kg/m³.