Fosfato

En química, un fosfato es un anión, sal, grupo funcional o éster derivado de un ácido fosfórico. Suele significar ortofosfato, un derivado del ácido ortofosfórico H
₃PO
₄.

El ion fosfato u ortofosfato [PO
₄]³⁻
se deriva del ácido fosfórico mediante la eliminación de tres protones H⁺
. La eliminación de uno o dos protones da el ion dihidrogenofosfato [H
₂PO
₄ ]⁻
y el ion fosfato de hidrógeno [HPO
₄]²⁻
ion, respectivamente. Estos nombres también se utilizan para las sales de esos aniones, como el fosfato dihidrógeno amónico y el fosfato trisódico.

• 

  H
  ₃PO
  ₄
  Fósforo
  ácido

• 

  [HH
  ₂PO
  ₄]⁻
  
  Dihidrogen
  fosfato

• 

  [HPO]
  ₄]^{2 - 2}
  
  Hidrogen
  fosfato

• 

  [PO
  ₄]^{3 - 3}
  
  Fosfato

En química orgánica, fosfato u ortofosfato es un organofosfato, un éster de ácido ortofosfórico de la forma PO
₄ RR′R″ donde uno o más átomos de hidrógeno son reemplazados por grupos orgánicos. Un ejemplo es el fosfato de trimetilo, (CH
₃)
₃PO
₄. El término también se refiere al grupo funcional trivalente OP(O-)
₃ en dichos ésteres.

Los ortofosfatos son especialmente importantes entre los diversos fosfatos debido a sus funciones clave en bioquímica, biogeoquímica y ecología, y su importancia económica para la agricultura y la industria. La adición y eliminación de grupos fosfato (fosforilación y desfosforilación) son pasos clave en el metabolismo celular.

Los ortofosfatos pueden condensarse para formar pirofosfatos.

Propiedades químicas

El ion fosfato tiene una masa molar de 94,97 g/mol y consta de un átomo central de fósforo rodeado por cuatro átomos de oxígeno en una disposición tetraédrica. Es la base conjugada del ion fosfato de hidrógeno H(PO
₄)²⁻
, que a su vez es la base conjugada del ion fosfato de dihidrógeno H
₂(PO
₄)⁻
, que a su vez es la base conjugada del ácido ortofosfórico, H
3PO
₄.

Muchos fosfatos son solubles en agua a temperatura y presión estándar. Los fosfatos de sodio, potasio, rubidio, cesio y amonio son todos solubles en agua. La mayoría de los otros fosfatos son solo ligeramente solubles o insolubles en agua. Por regla general, los fosfatos de hidrógeno y dihidrógeno son ligeramente más solubles que los fosfatos correspondientes.

Equilibrios en solución

Especiación de ácido fósforo

En solución de agua, el ácido ortofosfórico y sus tres aniones derivados coexisten de acuerdo con los equilibrios de disociación y recombinación a continuación

Los valores están a 25 °C y 0 de fuerza iónica.

Los valores de pK_a son los valores de pH donde la concentración de cada especie es igual a la de sus bases conjugadas. A pH 1 o inferior, el ácido fosfórico prácticamente no se disocia. Alrededor de pH 4,7 (a mitad de camino entre los dos primeros valores de pK_a) el ion fosfato de dihidrógeno, [H
₂PO
₄]⁻
, es prácticamente la única especie presente. Alrededor de pH 9,8 (a mitad de camino entre el segundo y el tercer valor de pK_a) el ion monohidrógeno fosfato, [HPO
₄]²⁻
, es la única especie presente. A pH 13 o superior, el ácido se disocia completamente como ion fosfato, (PO
₄)³⁻
.

Esto significa que las sales de los iones mono y difosfato se pueden cristalizar de forma selectiva a partir de una solución acuosa ajustando el valor de pH a 4,7 o 9,8.

En efecto, H
₃PO
₄, H
₂(PO
₄)⁻
y H(PO
₄)²⁻
se comportan como ácidos débiles separados porque las sucesivas pK_a difieren en más de 4.

El fosfato puede formar muchos iones poliméricos como el pirofosfato, (P
₂O
₇) ⁴⁻
y trifosfato, (P
₃O
₁₀)⁵⁻
. Los diversos iones de metafosfato (que suelen ser polímeros lineales largos) tienen una fórmula empírica de (PO
₃)⁻
y se encuentran en muchos compuestos.

Bioquímica de los fosfatos

En los sistemas biológicos, el fósforo se puede encontrar como aniones de fosfato libres en solución (fosfato inorgánico) o unido a moléculas orgánicas como diversos organofosfatos.

El fosfato inorgánico generalmente se denomina P_i y en el pH fisiológico (homeostático) consiste principalmente en una mezcla de [HPO
₄]²⁻
y [H
₂PO
₄]⁻
iones. A un pH neutro, como en el citosol (pH = 7,0), las concentraciones del ácido ortofosfórico y sus tres aniones tienen las proporciones

[ H
₂PO⁻
₄ ♪ H
₃PO
₄ ♥ 7.5 × 10⁴

[ HPO^{2 - 2}
₄ ♪ H
₂PO⁻
₄.

[ PO^{3 - 3}
₄ ♪ HPO^{2 - 2}
₄ Entendido 2.14 × 10⁻⁶

Por lo tanto, solo [H
₂PO
₄]⁻
y [HPO
₄]²⁻
iones están presentes en cantidades significativas en el citosol (62% [H
₂PO
₄]⁻
, 38% [HPO
₄] ²⁻
). En líquido extracelular (pH = 7,4), esta proporción se invierte (61% [HPO
₄]²⁻
, 39% [H
₂PO
₄] ⁻
).

El fosfato inorgánico también puede estar presente a partir de aniones pirofosfato [P
₂O
₇] ⁴⁻
, que puede dar ortofosfato por hidrólisis:

[P
₂O
₇]^4-
+ H₂O ⇌ 2 [HPO]
₄]^{2 - 2}

Los fosfatos orgánicos se encuentran comúnmente en forma de ésteres como nucleótidos (por ejemplo, AMP, ADP y ATP) y en el ADN y el ARN. Los aniones ortofosfato libres pueden liberarse mediante la hidrólisis de los enlaces fosfoanhídrido en ATP o ADP. Estas reacciones de fosforilación y desfosforilación son el almacenamiento inmediato y la fuente de energía para muchos procesos metabólicos. ATP y ADP a menudo se denominan fosfatos de alta energía, al igual que los fosfágenos en el tejido muscular. Existen reacciones similares para los otros nucleósidos difosfatos y trifosfatos.

Huesos y dientes

Una ocurrencia importante de fosfatos en los sistemas biológicos es como material estructural de huesos y dientes. Estas estructuras están hechas de fosfato de calcio cristalino en forma de hidroxiapatita. El esmalte duro y denso de los dientes de los mamíferos puede contener fluoroapatita, un fosfato de calcio hidroxilo en el que algunos de los grupos hidroxilo han sido reemplazados por iones de fluoruro.

Usos de investigación médica y biológica

El tipo medicinal (sal) del fósforo es el fosfato. Algunos fosfatos, que ayudan a curar muchas infecciones del tracto urinario, se usan para acidificar la orina. Para evitar el desarrollo de cálculos de calcio en el tracto urinario, se utilizan algunos fosfatos. Para los pacientes que no pueden obtener suficiente fósforo en su dieta diaria, los fosfatos se usan como suplementos dietéticos, generalmente debido a ciertos trastornos o enfermedades. Los fosfatos inyectables solo pueden ser manipulados por un proveedor de atención médica.

Metabolismo vegetal

Las plantas absorben el fósforo a través de varias vías: la vía de las micorrizas arbusculares y la vía de absorción directa.

Efectos adversos para la salud

La hiperfosfatemia, o un nivel alto de fosfatos en la sangre, se asocia con una mortalidad elevada en la población general. La hiperfosfatemia generalmente es causada por aditivos alimentarios de fosfato, ya que los fosfatos que están naturalmente presentes en los alimentos no son absorbidos por completo por el tracto gastrointestinal. Los fosfatos inducen la calcificación vascular y se encontró que una alta concentración de fosfatos en la sangre es un predictor de eventos cardiovasculares.

Los fosfatos se usan comúnmente como aditivos en alimentos procesados industrialmente y comida rápida. La comida rápida y los alimentos procesados listos para el consumo son los principales contribuyentes del creciente consumo de fosfato entre la población. Los aditivos de fosfatos también se encuentran comúnmente en refrescos saborizados, así como en ciertos productos lácteos.

Producción

Ocurrencia geológica

Mina de fosfato cerca de Flaming Gorge, Utah, EE.UU., 2008

Tren cargado con roca fosfata, Métlaoui, Túnez, 2012

Los fosfatos son la forma natural del elemento fósforo, que se encuentra en muchos minerales de fosfato. En mineralogía y geología, fosfato se refiere a una roca o mena que contiene iones de fosfato. Los fosfatos inorgánicos se extraen para obtener fósforo para su uso en la agricultura y la industria.

El mayor productor y exportador mundial de fosfatos es Marruecos. Dentro de América del Norte, los depósitos más grandes se encuentran en la región de Bone Valley en el centro de Florida, la región de Soda Springs en el sureste de Idaho y la costa de Carolina del Norte. Los depósitos más pequeños se encuentran en Montana, Tennessee, Georgia y Carolina del Sur. La pequeña nación insular de Nauru y su vecina la isla de Banaba, que solían tener enormes depósitos de fosfato de la mejor calidad, se han minado en exceso. El fosfato de roca también se puede encontrar en Egipto, Israel, Palestina, el Sáhara Occidental, la isla de Navassa, Túnez, Togo y Jordania, países que tienen grandes industrias de extracción de fosfato.

Las minas de fosforita se encuentran principalmente en:

• América del Norte: Estados Unidos, especialmente Florida, con depósitos menores en Carolina del Norte, Idaho y Tennessee
• África: Marruecos, Argelia, Egipto, Níger, Senegal, Togo, Túnez, Mauritania
• Oriente Medio: Arabia Saudita, Jordania, Israel, Siria, Irán e Iraq, en la ciudad de Akashat, cerca de la frontera jordana.
• Asia central: Kazajstán
• Oceanía: Australia, Makatea, Nauru y Banaba Island

En 2007, al ritmo actual de consumo, se estimó que el suministro de fósforo se agotaría en 345 años. Sin embargo, algunos científicos pensaron que un "fósforo máximo" ocurriría en 30 años y Dana Cordell del Instituto para el Futuro Sostenible dijo que "al ritmo actual, las reservas se agotarán en los próximos 50 a 100 años". Las reservas se refieren al importe asumido recuperable a los precios corrientes de mercado. En 2012, el USGS estimó las reservas mundiales en 71 mil millones de toneladas, mientras que en 2011 se extrajeron 0,19 mil millones de toneladas a nivel mundial. El fósforo comprende el 0,1 % en masa de la roca promedio (mientras que, en perspectiva, su concentración típica en la vegetación es de 0,03 % a 0,2 %). y, en consecuencia, hay cuatrillones de toneladas de fósforo en la corteza terrestre de 3 × 10¹⁹ toneladas, aunque en una concentración predominantemente menor que los depósitos contados como reservas, que están inventariados y son más baratos de extraer.. Si se supone que los minerales de fosfato en la roca de fosfato son principalmente hidroxiapatita y fluoroapatita, los minerales de fosfato contienen aproximadamente un 18,5 % de fósforo en peso. Si la roca de fosfato contiene alrededor del 20 % de estos minerales, la roca de fosfato promedio tiene aproximadamente un 3,7 % de fósforo en peso.

Algunos depósitos de roca de fosfato, como Mulberry en Florida, se destacan por la inclusión de cantidades significativas de isótopos de uranio radiactivo. Esta es una preocupación porque la radiactividad puede liberarse en las aguas superficiales a partir de la aplicación del fertilizante de fosfato resultante.

En diciembre de 2012, Cominco Resources anunció un recurso actualizado compatible con JORC de su proyecto Hinda en Congo-Brazzaville de 531 millones de toneladas, lo que lo convierte en el depósito de fosfato medido e indicado más grande del mundo.

En julio de 2022, China anunció cuotas de exportación de fosfato.

Los mayores importadores en millones de toneladas métricas de fosfato son Brasil 3,2, India 2,9 y EE. UU. 1,6.

Minería

Los tres principales países productores de fosfato (China, Marruecos y Estados Unidos) representan alrededor del 70 % de la producción mundial.

Ecología

Fosfato de la superficie del mar del Atlas del Océano Mundial

Relación de fosfato con absorción de nitratos para la fotosíntesis en varias regiones del océano. Tenga en cuenta que el nitrato es más a menudo limitando que el fosfato. Vea la relación Redfield.

En términos ecológicos, debido a su importante papel en los sistemas biológicos, el fosfato es un recurso muy buscado. Una vez utilizado, a menudo es un nutriente limitante en los ambientes y su disponibilidad puede determinar la tasa de crecimiento de los organismos. Esto es generalmente cierto en los ambientes de agua dulce, mientras que el nitrógeno es más a menudo el nutriente limitante en los ambientes marinos (agua de mar). La adición de altos niveles de fosfato a ambientes y microambientes en los que normalmente es raro puede tener consecuencias ecológicas significativas. Por ejemplo, pueden ocurrir florecimientos en las poblaciones de algunos organismos a expensas de otros, y el colapso de poblaciones privadas de recursos como el oxígeno (ver eutrofización). En el contexto de la contaminación, los fosfatos son un componente de los sólidos disueltos totales, un indicador importante de la calidad del agua, pero no todo el fósforo se encuentra en una forma molecular que las algas puedan descomponer y consumir.

La hidroxiapatita de calcio y los precipitados de calcita se pueden encontrar alrededor de las bacterias en la capa superior del suelo aluvial. Como los minerales de arcilla promueven la biomineralización, la presencia de bacterias y minerales de arcilla dio como resultado precipitados de hidroxiapatita de calcio y calcita.

Los depósitos de fosfato pueden contener cantidades significativas de metales pesados naturales. Las operaciones mineras que procesan roca de fosfato pueden dejar pilas de relaves que contienen niveles elevados de cadmio, plomo, níquel, cobre, cromo y uranio. A menos que se manejen con cuidado, estos productos de desecho pueden filtrar metales pesados hacia las aguas subterráneas o los estuarios cercanos. La absorción de estas sustancias por parte de las plantas y la vida marina puede conducir a la concentración de metales pesados tóxicos en los productos alimenticios.