磷酸鹽

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這是磷酸氫(HPO42−)分子的模型。中間橙色的是磷原子,紅色的是氧原子,而白色的是氫原子。

磷酸鹽,是磷酸,在無機化學生物化學生物地質化學上是很重要的物質

化學特性[編輯]

在酸性溶液下磷酸官能團的結構式。在鹼性的溶液下,該官能團會釋放兩個氫原子,並離化磷酸鹽帶有-2的形式電荷[1]

磷酸鹽離子是一個多原子的離子,其實驗式是PO43−,而分子量是94.97。它包含一個原子,並由四個原子所包圍,形成一個正四面體。磷酸鹽離子帶有-3的形式電荷,且是磷酸氫鹽離子(HPO42−)的共軛鹼;磷酸氫鹽離子則是磷酸二氫鹽離子(H2PO4)的共軛鹼;而磷酸二氫鹽離子又是磷酸(H3PO4)的共軛鹼。它是一個超價分子(磷原子在其價殼層有著10個電子)。如果磷酸鹽作為一種有機磷化合物就被稱為磷酸酯,其化學式為OP(OR)3

除了一些鹼金屬外,大部份磷酸鹽,在標準狀態下,都是不可溶於的。

在稀釋的水溶液中,磷酸鹽以四種形式存在。在強鹼環境下,磷酸鹽離子(PO43−)會較多;而在弱鹼的環境下,磷酸氫鹽離子(HPO42−)則較多。在弱酸的環境下,磷酸二氫鹽離子(H2PO4)較為普遍;而在強酸的環境下,則水溶的磷酸(H3PO4)是主要存在的形式。更精確的就是以下三種平衡反應:

H_{3}PO_{4} \leftrightarrow H^{+} + H_{2}PO_{4}^{-}
H_{2}PO_{4}^{-} \leftrightarrow H^{+} + HPO_{4}^{2-}
HPO_{4}^{2-} \leftrightarrow H^{+} + PO_{4}^{3-}

在25℃的環境下有以各種不同的酸度係數(mol/L):

K_{a1}=\frac{[H^+][H_2PO_4^-]}{[H_3PO_4]}\simeq 7.5\times10^{-3} \mbox{,} K_{a2}=\frac{[H^+][HPO_4^{2-}]}{[H_2PO_4^-]}\simeq 6.2\times10^{-8} \mbox{,} K_{a3}=\frac{[H^+][PO_4^{3-}]}{[HPO_4^{2-}]}\simeq 2.14\times10^{-13}

若在強鹼的pH值下(pH=13),可以發現:

\frac{[H_2PO_4^-]}{[H_3PO_4]}\simeq 7.5\times10^{10}  \mbox{ , }\frac{[HPO_4^{2-}]}{[H_2PO_4^-]}\simeq 6.2\times10^5 \mbox{ , } \frac{[PO_4^{3-}]}{[HPO_4^{2-}]}\simeq 2.14

可見只有磷酸鹽(PO43−)及磷酸氫鹽(HPO42−)是主要的成份。

若在中和的pH值下(例如原生質,pH=7.0),可以發現:

\frac{[H_2PO_4^-]}{[H_3PO_4]}\simeq 7.5\times10^4 \mbox{ , }\frac{[HPO_4^{2-}]}{[H_2PO_4^-]}\simeq 0.62 \mbox{ , } \frac{[PO_4^{3-}]}{[HPO_4^{2-}]}\simeq 2.14\times10^{-6}

所以只有磷酸二氫鹽(H2PO4)及磷酸氫鹽(HPO42−)離子是主要成份(當中62%是H2PO4,38%是HPO42−)。需要留意的是在細胞外體液(其pH約為7.4),這個比例會倒轉(61%是HPO42−,39%是H2PO4)。

若在強酸的pH值下(pH=1),可以發現:

\frac{[H_2PO_4^-]}{[H_3PO_4]}\simeq 0.075 \mbox{ , }\frac{[HPO_4^{2-}]}{[H_2PO_4^-]}\simeq 6.2\times10^{-7} \mbox{ , } \frac{[PO_4^{3-}]}{[HPO_4^{2-}]}\simeq 2.14\times10^{-12}

可見H3PO4,相較於H2PO4是最多的。實際上HPO42−及PO43−會接近消失。

磷酸鹽可以形成聚合離子的二磷酸鹽(亦即焦磷酸鹽,P2O74−)、三磷酸鹽(P3O105−)等。多種的偏磷酸鹽離子都有著一個實驗式的PO3,且是在普遍在多種化合物。

磷酸鹽礦產可以包含大量自然產生的。若吸收了這些土壤改良劑可以引致農作物含有鈾成份。

出現[編輯]

磷酸石樣本

磷酸鹽是元素自然產生的形態,在多種磷酸鹽礦物中可以找到。元素的磷或是磷化物是很難發現的(只有極少量在隕石中可以找到)。在礦物學地質學,磷酸鹽是指含有磷酸鹽離子的石或礦石。

北美洲最大型的磷礦粉礦床位於美國佛羅里達州中部、愛德荷州索達斯普陵北卡羅萊那州沿岸區域。而其次的是位於蒙大拿州田納西州喬治亞州南卡羅萊那州查爾斯頓諾魯這個細少的島國就曾經是有著大量高質素的磷酸鹽礦產,但現時已被大量挖掘。磷礦粉亦可以在納弗沙島摩洛哥突尼西亞以色列多哥約旦找到,這些地方亦有大量的磷酸鹽礦業。

生物中,磷是以溶液中游離的磷酸鹽離子的形態出現,稱為「無機磷酸鹽」,這是要與其他在磷酸酯中的磷酸鹽作出區別的。無機磷酸鹽是會以Pi來表示,它可以是由焦磷酸鹽(以PPi來表示)水解而得:

P_{2}O_{7}^{4-} + H_{2}O \rightarrow 2HPO_{4}^{2-}

但是,磷酸鹽最普遍是以一磷酸腺苷(AMP)、二磷酸腺苷(ADP)、三磷酸腺苷(ATP)、去氧核糖核酸(DNA)及核糖核酸(RNA)的形式出現,且可以經由水解ADP或ATP而被釋放出來。對於其他的二磷或三磷核苷亦有相似的反應。在ADP及ATP,或其他二磷及三磷核苷中的磷酸酐鍵,包含著大量的能量,所以它們在生物中有著重要的地位。它們一般會被稱為高能磷酸磷,就像在肌肉組織中的磷酸肌酸一樣。一些如的化合物在有機化學上亦會被使用,但它卻似乎沒有自然的相應物。

由於磷酸鹽對生物的重要性,所以在生態學上,它是高度被採集。因此,它在環境中往往是限量試劑,而它的可得性則決定生物成長的速度。將大量的磷酸鹽加入缺乏磷酸鹽的環境或微生物環境中,會對生態有著重大的影響。例如,某一種生物的暴漲會使其他生物死亡。另外耗氧的種群也會消亡(參見富營養化)。在污染的問題下,磷酸鹽是總溶解固體量(一種主要的水質指標)的主要成份。

用途[編輯]

每年平均海水表面的磷酸鹽濃度[2]

磷酸鹽一般會用在清潔劑中作為軟水劑,但是因為藻類的繁榮衰退週期會影響磷酸鹽在分水嶺的排放,所以在某些地區磷酸鹽清潔劑是受到管制的。

農業上,磷酸鹽是植物的三種主要養份之一,且是肥料的主要成份。磷礦粉是從沉積岩的磷層中開採。以前它在開採後不用加工便可使用,但現時未加工的磷酸鹽只會用在有機耕種上。一般它都是會化學加工製成過磷酸石灰重過磷酸鈣磷酸二氫銨,它們的濃度都較磷酸鹽高,且較易溶於水,所以植物可以較快吸收。

肥料級數一般有三個數字:第一個是指的數量,第二個是指磷酸鹽的數量(以P2O5作基準),而第三個是指鹼水(以K2O作基準)。所以一個10-10-10的肥料就每種成份各有10%,而其他的則是填充物。

從過度施肥的農地逕流的磷酸鹽會是富營養化赤潮及其後缺氧的起因。這就像磷酸鹽清潔劑一樣會引起魚類及其他水中生物缺氧症

參見[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ Campbell, Neil A.; Reece, Jane B. Biology Seventh Edition. San Francisco, California: Benjamin Cummings. 2005: 65. ISBN 0-8053-7266-4. 
  2. ^ 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]. 

延伸閱讀[編輯]

  • Schmittner Karl-Erich; Giresse Pierre. Micro-environmental controls on biomineralization: superficial processes of apatite and calcite precipitation in Quaternary soils. Sedimentology (Roussillon, France). 1999, 46 (3): 463–476.