Fosfato

En solución acuosa, el ácido ortofosfórico y sus tres aniones derivados coexisten según los equilibrios de disociación y recombinación que se muestran a continuación ^{[ 6 ].}

Los valores se obtienen a 25  °C y fuerza iónica cero.

Los valores _de pKa 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 está prácticamente sin disociar. Alrededor de pH 4,7 (a medio camino entre los dos primeros valores de pKa) el ion dihidrogenofosfato, H₂PO⁻⁴ _, es _{prácticamente} la única especie presente . Alrededor de pH 9,8 (a medio camino entre el segundo y el tercer valor de pKa ) el _ion monohidrogenofosfato , HPO₄²⁻ , es la única especie presente. A pH 13 o superior, el ácido está completamente disociado como el ion fosfato , PO₄³⁻⁴ .

Esto significa que las sales de los iones monofosfato y difosfato pueden cristalizarse selectivamente a partir de una solución acuosa ajustando el valor de pH a 4,7 o 9,8.

En efecto, H ₃ PO ₄ , H ₂ PO − 4 y HPO 2− 4 se comportan como ácidos débiles separados porque los p K _a sucesivos difieren en más de 4.

El fosfato puede formar muchos iones poliméricos como el pirofosfato , P₂O₄⁻₇ , y _el trifosfato , P₃O₅⁻₁₀ . Los diversos iones metafosfato ( que suelen ser polímeros lineales largos) tienen una fórmula empírica de PO₄³⁻ y _se encuentran en muchos compuestos .

En los sistemas biológicos , el fósforo puede encontrarse como aniones fosfato libres en solución ( fosfato inorgánico ) o unido a moléculas orgánicas como diversos organofosfatos . ^{[ 8 ]}

El fosfato inorgánico se denota generalmente como _Pi y , a pH fisiológico ( homeostático ), consiste principalmente en una mezcla de iones HPO₄²⁻ y H₂PO₄⁻ . A un pH neutro, como en el citosol (pH = 7,0), las concentraciones del ácido ortofosfórico y sus tres aniones tienen las siguientes proporciones _:$${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {[{\ce {H2PO4-}}]}{[{\ce {H3PO4}}]}}&\approx 7.5\times 10^{4}\\[4pt]{\frac {[{\ce {HPO4^2-}}]}{[{\ce {H2PO4-}}]}}&\approx 0.62\\[4pt]{\frac {[{\ce {PO4^3-}}]}{[{\ce {HPO4^2-}}]}}&\approx 2.14\times 10^{-6}\end{aligned}}}$$

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

El fosfato inorgánico también puede estar presente como aniones pirofosfato P ₂ O 4− 7 , que dan ortofosfato por hidrólisis :

P ₂ O 4− 7 + H ₂ O ⇌ 2 HPO 2− 4

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

Una presencia importante de fosfatos en los sistemas biológicos es como material estructural de huesos y dientes. Estas estructuras están formadas por 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 hidroxilado en el que algunos grupos hidroxilo han sido sustituidos por iones fluoruro .

Los fosfatos son sales medicinales de fósforo. Algunos fosfatos, que ayudan a curar muchas infecciones del tracto urinario , se utilizan para acidificar la orina. Para evitar la formación de cálculos de calcio en el tracto urinario, se utilizan algunos fosfatos. ^{[ 9 ]} En pacientes que no pueden obtener suficiente fósforo en su dieta diaria, los fosfatos se utilizan como suplementos dietéticos, generalmente debido a ciertos trastornos o enfermedades. ^{[ 9 ]} Los fosfatos inyectables solo pueden ser administrados por profesionales de la salud calificados. ^{[ 9 ]}

Los fosfatos son la forma natural del elemento fósforo , presente en muchos minerales fosfáticos . En mineralogía y geología, el fosfato se refiere a una roca o mineral que contiene iones fosfato. Los fosfatos inorgánicos se extraen para obtener fósforo para su uso en la agricultura y la industria. ^{[ 2 ]}

El mayor productor y exportador mundial de fosfatos es China , mientras que Marruecos posee las mayores reservas conocidas. ^{[ 12 ]} En Norteamérica, los mayores depósitos 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 . Hay depósitos más pequeños 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, han sido explotadas en exceso. También se puede encontrar fosfato de roca en Egipto, Israel, Palestina, el Sáhara Occidental, la isla de Navassa , Túnez, Togo y Jordania, países que cuentan con importantes industrias mineras 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 Irak , en la ciudad de Akashat , cerca de la frontera con Jordania.
• Asia Central : Kazajistán
• Oceanía : Australia , Makatea , Nauru y la isla Banaba

En 2007, al ritmo actual de consumo, se estimó que las reservas de fósforo se agotarían en 345 años. ^{[ 13 ]} Sin embargo, algunos científicos pensaron que se produciría un " pico de fósforo " en 30 años y Dana Cordell, del Instituto para Futuros Sostenibles, afirmó que "a los ritmos actuales, las reservas se agotarán en los próximos 50 a 100 años". ^{[ 14 ]} Las reservas se refieren a la cantidad que se supone recuperable a los precios actuales del 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. ^{[ 15 ]} El fósforo constituye el 0,1% de la masa de la roca promedio ^{[ 16 ]} (mientras que, para tener una perspectiva, su concentración típica en la vegetación es del 0,03% al 0,2%), ^{[ 17 ]} y, en consecuencia, hay cuatrillones de toneladas de fósforo en la corteza terrestre de 3×10 ¹⁹ toneladas, ^{[ 18 ]} aunque en una concentración predominantemente menor que los depósitos considerados como reservas, que están inventariados y son más baratos de extraer. Si se supone que los minerales de fosfato en la roca fosfática son principalmente hidroxiapatita y fluoroapatita , los minerales de fosfato contienen aproximadamente un 18,5% de fósforo en peso. Si la roca fosfática contiene alrededor del 20% de estos minerales, la roca fosfática promedio tiene aproximadamente un 3,7% de fósforo en peso.

Algunos depósitos de roca fosfática, como Mulberry en Florida, ^{[ 19 ]} son ​​notables por incluir cantidades significativas de isótopos de uranio radiactivos. Esto es preocupante porque la radiactividad puede liberarse en las aguas superficiales ^{[ 20 ]} a partir de la aplicación del fertilizante fosfático resultante .

En diciembre de 2012, Cominco Resources anunció una actualización de los recursos de su proyecto Hinda en Congo-Brazzaville, conforme a la norma JORC , por un valor de 531 millones de toneladas, lo que lo convierte en el mayor depósito de fosfato medido e indicado del mundo. ^{[ 21 ]}

Alrededor de 2018, Noruega descubrió depósitos de fosfato casi iguales a los del resto de la Tierra juntos. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

En julio de 2022, China anunció cuotas a la exportación de fosfato. ^{[ 24 ]}

Los mayores importadores en millones de toneladas métricas de fosfato son Brasil 3,2, India 2,9 y EE. UU. 1,6. ^{[ 25 ]}

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

La abundancia de fósforo juega un papel en la regulación del crecimiento de las plantas porque el fósforo forma parte de moléculas importantes como los ácidos nucleicos , los fosfolípidos y el ATP . ^{[ 31 ]} El ortofosfato es el tipo de fósforo que las plantas utilizan más fácilmente, pero las concentraciones de ortofosfato en los suelos suelen ser bajas. ^{[ 31 ]} Las plantas absorben fósforo a través de varias vías: la vía micorrícica arbuscular y la vía de absorción directa. ^{[ 32 ]} En la vía de absorción directa, las plantas absorben fosfato a través de los pelos radiculares, lo que puede disminuir las concentraciones de fosfato en la rizosfera porque el fosfato no se renueva tan rápidamente como las plantas lo absorben. ^{[ 32 ]} La mayoría de las plantas absorben fosfato a través de la vía micorrícica arbuscular porque los hongos pueden recolectar fosfato de un área más grande. ^{[ 32 ]}

Las plantas transportan el fosfato desde las raíces hasta el cilindro vascular , luego al xilema , antes de que llegue al tallo , donde puede ser transportado a donde se necesita. ^{[ 33 ] [ 34 ]} Hasta el 80% del fosfato celular se almacena en las vacuolas , donde las plantas pueden acceder a él para mantener el suministro de fósforo para funciones importantes. ^{[ 33 ] [ 34 ]} Cuando las hojas u otras partes de la planta comienzan a morir, el fosfato se traslada de la parte moribunda a las hojas jóvenes o semillas. ^{[ 34 ]}

Se pueden encontrar precipitados de hidroxiapatita de calcio y calcita alrededor de bacterias en la capa superficial del suelo aluvial . ^{[ 35 ]} Dado que los minerales arcillosos promueven la biomineralización , la presencia de bacterias y minerales arcillosos dio como resultado precipitados de hidroxiapatita de calcio y calcita. ^{[ 35 ]}

Los fosfatos suelen adsorberse a las superficies minerales del suelo, principalmente a los (oxi)hidróxidos de Fe y Al . ^{[ 36 ]} La goetita es una forma de hierro particularmente común e importante para estos enlaces. ^{[ 36 ]} Un pH alto puede reducir la capacidad de adsorción de estos minerales. ^{[ 36 ] [ 37 ]} El fosfato también puede adsorberse a los bordes de los minerales arcillosos, incluyendo la koalinita , la montmorillonita y la illita . ^{[ 37 ]} La materia orgánica del suelo compite con los fosfatos por los sitios de adsorción, por lo que los suelos con alto contenido de materia orgánica tienen una capacidad reducida para adsorber fosfato. ^{[ 37 ]}

El fosfato es un componente principal de muchos fertilizantes. Tras su aplicación en campos agrícolas, la lluvia puede arrastrar el exceso de fosfato hacia cuerpos de agua cercanos. ^{[ 3 ]} La demanda de fertilizantes fosfatados está aumentando, lo que probablemente incremente el impacto en los cuerpos de agua. ^{[ 4 ]} Otras fuentes de fosfato para el medio ambiente incluyen detergentes, aguas residuales y el uso de fertilizantes residenciales. ^{[ 38 ]} Algunos países han creado leyes que regulan el fosfato en los detergentes para reducir la contaminación por fosfato proveniente de estos (véase Fosfatos en detergentes ). ^{[ 39 ]}

La adición de altos niveles de fosfato a los ambientes puede tener consecuencias ecológicas significativas, como el crecimiento excesivo de plantas. ^{[ 4 ]} En aguas dulces, el crecimiento excesivo de algas puede provocar el agotamiento del oxígeno, ya que las bacterias se alimentan de las algas muertas (véase eutrofización ). ^{[ 40 ]} 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. ^{[ 41 ]}