Fosfato

Em química, um fosfato é um ânion, sal, grupo funcional ou éster derivado de um ácido fosfórico. Geralmente significa ortofosfato, um derivado do ácido ortofosfórico, aka. ácido fosfórico H₃PO₄.

O íon fosfato ou ortofosfato [PO
₄]³⁻
é derivado do ácido fosfórico pela remoção de três prótons H⁺
. A remoção de um ou dois prótons dá o íon dihidrogenofosfato [H
₂PO
₄ ]⁻
e o íon hidrogenofosfato [HPO
₄]²⁻
, respectivamente. Esses nomes também são usados para sais desses ânions, como dihidrogenofosfato de amônio e fosfato trissódico.

• 

  H. H. H.
  ₃PODE
  ₄
  Fósforos

• 

  Oh!
  ₂PODE
  ₄]^{- Sim.}
  
  Dihidrogenofosfato

• 

  [HPO]
  ₄]^2-
  
  Hidrofosfato

• 

  [PO]
  ₄]^3...
  
  Fosfato

Em química orgânica, fosfato ou ortofosfato é um organofosfato, um éster de ácido ortofosfórico na forma PO
₄ RR′R″ onde um ou mais átomos de hidrogênio são substituídos por grupos orgânicos. Um exemplo é o fosfato de trimetil, (CH
₃)
₃PO
₄. O termo também se refere ao grupo funcional trivalente OP(O-)
₃ em tais ésteres. Os fosfatos podem conter enxofre no lugar de um ou mais átomos de oxigênio (tiofosfatos e organotiofosfatos).

Os ortofosfatos são especialmente importantes entre os vários fosfatos por causa de seus papéis principais na bioquímica, biogeoquímica e ecologia, e sua importância econômica para a agricultura e a indústria. A adição e remoção de grupos fosfato (fosforilação e desfosforilação) são etapas fundamentais no metabolismo celular.

Ortofosfatos podem condensar para formar pirofosfatos.

Propriedades químicas

O íon fosfato tem uma massa molar de 94,97 g/mol e consiste em um átomo de fósforo central cercado por quatro átomos de oxigênio em um arranjo tetraédrico. É a base conjugada do íon de fosfato de hidrogênio H(PO
₄)²⁻
, que por sua vez é a base conjugada do íon fosfato di-hidrogênio H
₂(PO
₄)^-
, que por sua vez é a base conjugada do ácido ortofosfórico, H
₃ PO
₄.

Muitos fosfatos são solúveis em água em temperatura e pressão padrão. Os fosfatos de sódio, potássio, rubídio, césio e amônio são todos solúveis em água. A maioria dos outros fosfatos são apenas ligeiramente solúveis ou são insolúveis em água. Como regra, os fosfatos de hidrogênio e di-hidrogeno são ligeiramente mais solúveis do que os fosfatos correspondentes.

Equilíbrios em solução

Especulação de ácido fosfórico

Em solução aquosa, o ácido ortofosfórico e seus três ânions derivados coexistem de acordo com os equilíbrios de dissociação e recombinação abaixo

Os valores estão em 25 °C e 0 força iônica.

Os valores de pK_a são os valores de pH onde a concentração de cada espécie é igual à de suas bases conjugadas. Em pH 1 ou inferior, o ácido fosfórico é praticamente não dissociado. Por volta de pH 4,7 (a meio caminho entre os dois primeiros valores de pK_a), o íon dihidrogenofosfato, [H
₂PO
₄]⁻
, é praticamente a única espécie presente. Por volta de pH 9,8 (a meio caminho entre o segundo e o terceiro valores pK_a) o íon fosfato de monohidrogênio, [HPO
₄]²⁻
, é a única espécie presente. Em pH 13 ou superior, o ácido é completamente dissociado como o íon fosfato, (PO
₄)³⁻
.

Isso significa que os sais dos íons mono e difosfato podem ser seletivamente cristalizados a partir de uma solução aquosa, ajustando o valor de pH para 4,7 ou 9,8.

Na verdade, H
₃PO
₄, H
₂(PO
₄)^-
e H(PO
₄)²⁻
se comportam como ácidos fracos separados porque os sucessivos pK_a diferem em mais de 4.

O fosfato pode formar muitos íons poliméricos, como pirofosfato, (P
₂O
₇) ⁴⁻
e trifosfato, (P
₃O
₁₀)⁵⁻
. Os vários íons de metafosfato (que geralmente são polímeros lineares longos) têm uma fórmula empírica de (PO
₃)^-
e são encontrados em muitos compostos.

Bioquímica de fosfatos

Em sistemas biológicos, o fósforo pode ser encontrado como ânions de fosfato livre em solução (fosfato inorgânico) ou ligado a moléculas orgânicas como vários organofosfatos.

Fosfato inorgânico é geralmente denotado P_i e em pH fisiológico (homeostático) consiste principalmente de uma mistura de [HPO
₄]²⁻
e [H
₂PO
₄]⁻
ions. Em um pH neutro, como no citosol (pH = 7,0), as concentrações do ácido ortofosfórico e seus três ânions têm as razões

Não. H. H. H.
₂PODE^{- Sim.}
₄ Não. H. H. H.
₃PODE
₄ ≈ 7,5 x 10⁴

Não. HPO^2-
₄ Não. H. H. H.
₂PODE^{- Sim.}
₄ ≈ 0,62

Não. PODE^3...
₄ Não. HPO^2-
₄ ≈ 2.14 × 10^-6

Assim, apenas [H
₂PO
₄]^-
e [HPO
₄]²⁻
íons estão presentes em quantidades significativas no citosol (62% [H
₂PO
₄]⁻
, 38% [HPO
₄]²⁻
). No líquido extracelular (pH = 7,4), essa proporção é invertida (61% [HPO
₄]²⁻
, 39% [H
₂PO
₄]^-
).

O fosfato inorgânico também pode estar presente como ânions pirofosfato [P
₂O
₇] ⁴⁻
, que pode dar ortofosfato por hidrólise:

Não.
₂O
₇]^4...
+ H₂O que fazer? [HPO]
₄]^2-

Fosfatos orgânicos são comumente encontrados na forma de ésteres como nucleotídeos (por exemplo, AMP, ADP e ATP) e em DNA e RNA. Os ânions ortofosfato livres podem ser liberados pela hidrólise das ligações fosfoanidrido no ATP ou ADP. Essas reações de fosforilação e desfosforilação são o armazenamento imediato e a fonte de energia para muitos processos metabólicos. ATP e ADP são muitas vezes referidos como fosfatos de alta energia, assim como os fosfagênios no tecido muscular. Existem reações semelhantes para os outros difosfatos e trifosfatos de nucleosídeos.

Ossos e dentes

Uma ocorrência importante de fosfatos em sistemas biológicos é como material estrutural de ossos e dentes. Essas estruturas são feitas de fosfato de cálcio cristalino na forma de hidroxiapatita. O esmalte duro e denso dos dentes de mamíferos pode conter fluoroapatita, um fosfato de hidroxicálcio onde alguns dos grupos hidroxila foram substituídos por íons de flúor.

Usos de pesquisa médica e biológica

Os fosfatos são sais medicinais de fósforo. Alguns fosfatos, que ajudam a curar muitas infecções do trato urinário, são usados para tornar a urina mais ácida. Para evitar o desenvolvimento de pedras de cálcio no trato urinário, alguns fosfatos são usados. Para pacientes que não conseguem obter fósforo suficiente em sua dieta diária, os fosfatos são usados como suplementos dietéticos, geralmente devido a certos distúrbios ou doenças. Os fosfatos injetáveis só podem ser manuseados por profissionais de saúde qualificados.

Metabolismo vegetal

As plantas absorvem o fósforo através de várias vias: a via micorrízica arbuscular e a via de absorção direta.

Efeitos adversos à saúde

A hiperfosfatemia, ou um alto nível de fosfatos no sangue, está associada à mortalidade elevada na população em geral. A causa mais comum de hiperfosfatemia em pessoas, cães e gatos é a insuficiência renal. Em casos de hiperfosfatemia, limitar o consumo de alimentos ricos em fosfato, como carnes e laticínios e alimentos com alta relação fosfato-proteína, como refrigerantes, fast food, alimentos processados, condimentos e outros produtos que contenham sal fosfato aditivos são recomendados. Os fosfatos induzem a calcificação vascular, e uma alta concentração de fosfatos no sangue foi considerada um preditor de eventos cardiovasculares.

Produção

Ocorrência geológica

Mina de Fosfato perto de Flaming Gorge, Utah, EUA, 2008

Trem carregado com rocha fosfato, Métlaoui, Tunísia, 2012

Os fosfatos são a forma natural do elemento fósforo, encontrado em muitos minerais de fosfato. Em mineralogia e geologia, fosfato refere-se a uma rocha ou minério contendo íons de fosfato. Fosfatos inorgânicos são extraídos para obter fósforo para uso na agricultura e na indústria.

O maior produtor e exportador global de fosfatos é o Marrocos. Na América do Norte, os maiores depósitos estão na região de Bone Valley, no centro da Flórida, na região de Soda Springs, no sudeste de Idaho, e na costa da Carolina do Norte. Depósitos menores estão localizados em Montana, Tennessee, Geórgia e Carolina do Sul. A pequena nação insular de Nauru e sua vizinha Ilha de Banaba, que costumavam ter enormes depósitos de fosfato da melhor qualidade, foram minadas excessivamente. O fosfato de rocha também pode ser encontrado no Egito, Israel, Palestina, Saara Ocidental, Ilha de Navassa, Tunísia, Togo e Jordânia, países que possuem grandes indústrias de mineração de fosfato.

As minas de fosforito são encontradas principalmente em:

• América do Norte: Estados Unidos, especialmente Flórida, com depósitos menores na Carolina do Norte, Idaho e Tennessee
• África: Marrocos, Argélia, Egito, Níger, Senegal, Togo, Tunísia, Mauritânia
• Oriente Médio: Arábia Saudita, Jordânia, Israel, Síria, Irã e Iraque, na cidade de Akashat, perto da fronteira jordaniana.
• Ásia Central: Cazaquistão
• Oceânia: Austrália, Makatea, Nauru e Ilha de Banaba

Em 2007, ao ritmo de consumo actual, estimava-se que o fornecimento de fósforo se esgotaria em 345 anos. No entanto, alguns cientistas pensaram que um "pico de fósforo" ocorreria em 30 anos e Dana Cordell, do Institute for Sustainable Futures, disse que "nas taxas atuais, as reservas serão esgotadas nos próximos 50 a 100 anos". As provisões referem-se ao montante presumido recuperável a preços correntes de mercado. Em 2012, o USGS estimou as reservas mundiais em 71 bilhões de toneladas, enquanto 0,19 bilhão de toneladas foram extraídas globalmente em 2011. O fósforo compreende 0,1% em massa da rocha média (enquanto, para perspectiva, sua concentração típica na vegetação é de 0,03% a 0,2%), e conseqüentemente há quatrilhões de toneladas de fósforo na crosta terrestre de 3×10¹⁹toneladas, embora em concentração predominantemente menor do que os depósitos contados como reservas, que são inventariados e mais baratos de extrair. Se for assumido que os minerais de fosfato na rocha de fosfato são principalmente hidroxiapatita e fluoroapatita, os minerais de fosfato contêm cerca de 18,5% de fósforo em peso. Se a rocha fosfática contém cerca de 20% desses minerais, a rocha fosfática média tem cerca de 3,7% de fósforo em peso.

Alguns depósitos de rocha fosfática, como Mulberry na Flórida, são notáveis pela inclusão de quantidades significativas de isótopos radioativos de urânio. Isso é uma preocupação porque a radioatividade pode ser liberada nas águas superficiais a partir da aplicação do fertilizante fosfatado resultante.

Em dezembro de 2012, a Cominco Resources anunciou um recurso compatível com JORC atualizado de seu projeto Hinda no Congo-Brazzaville de 531 milhões de toneladas, tornando-o o maior depósito de fosfato medido e indicado do mundo.

Em julho de 2022, a China anunciou cotas para exportação de fosfato.

Os maiores importadores em milhões de toneladas métricas de fosfato são Brasil 3,2, Índia 2,9 e EUA 1,6.

Mineração

Os três principais países produtores de fosfato (China, Marrocos e Estados Unidos) respondem por cerca de 70% da produção mundial.

Ecologia

Fosfato de superfície do mar do Atlas Mundial do Oceano

Relação de fosfato a absorção de nitrato para fotossíntese em várias regiões do oceano. Note que o nitrato é mais frequentemente limitado do que o fosfato. Veja a relação Redfield.

Em termos ecológicos, devido ao seu importante papel nos sistemas biológicos, o fosfato é um recurso muito procurado. Uma vez usado, muitas vezes é um nutriente limitante nos ambientes e sua disponibilidade pode governar a taxa de crescimento dos organismos. Isso geralmente é verdade em ambientes de água doce, enquanto o nitrogênio é mais frequentemente o nutriente limitante em ambientes marinhos (água do mar). A adição de altos níveis de fosfato a ambientes e microambientes nos quais é tipicamente raro pode ter consequências ecológicas significativas. Por exemplo, podem ocorrer florescimentos nas populações de alguns organismos às custas de outros, e o colapso de populações privadas de recursos como oxigênio (ver eutrofização). No contexto da poluição, os fosfatos são um componente do total de sólidos dissolvidos, um importante indicador da qualidade da água, mas nem todo o fósforo está em uma forma molecular que as algas podem decompor e consumir.

Os precipitados de hidroxiapatita e calcita de cálcio podem ser encontrados em torno de bactérias no solo aluvial. Como os minerais de argila promovem a biomineralização, a presença de bactérias e minerais de argila resultou em precipitados de hidroxiapatita de cálcio e calcita.

Os depósitos de fosfato podem conter quantidades significativas de metais pesados de ocorrência natural. As operações de mineração que processam rocha fosfática podem deixar pilhas de rejeitos contendo níveis elevados de cádmio, chumbo, níquel, cobre, cromo e urânio. A menos que sejam cuidadosamente gerenciados, esses produtos residuais podem liberar metais pesados nas águas subterrâneas ou nos estuários próximos. A absorção dessas substâncias pelas plantas e pela vida marinha pode levar à concentração de metais pesados tóxicos em produtos alimentícios.