فوسفات

في المحلول المائي، يتعايش حمض الأورثوفوسفوريك والأنيونات الثلاثة المشتقة منه وفقًا لتوازنات التفكك وإعادة التركيب أدناه ^{[ 6 ].}

التوازن	ثابت التفكك Ka [ 7 ]	pKa​​
H₃PO₄ ⇌ H⁺ + H₂PO⁻⁴​​​​​​	${\displaystyle K_{a1}={\frac {[{\ce {H+}}][{\ce {H2PO4-}}]}{[{\ce {H3PO4}}]}}\حوالي 7.5\مرات 10^{-3}}$	pKa1 = 2.14​​
ح 2 ص − 4 ⇌ ح + + ح ص 2− 4	${\displaystyle K_{a2}={\frac {[{\ce {H+}}][{\ce {HPO4^2-}}]}{[{\ce {H2PO4-}}]}}\approx 6.2\times 10^{-8}}$	pKa2 = 7.20​​
هبو 2− 4 ⇌ ح + + ص 3− 4	${\displaystyle K_{a3}={\frac {[{\ce {H+}}][{\ce {PO4^3-}}]}{[{\ce {HPO4^2-}}]}}\approx 2.14\times 10^{-13}}$	pKa3 = 12.37​​

القيم عند درجة حرارة 25  درجة مئوية وقوة أيونية 0.

قيم pKa هي قيم _الأس الهيدروجيني التي يتساوى عندها تركيز كل نوع كيميائي مع تركيز قاعدته المرافقة . عند الأس الهيدروجيني 1 أو أقل، يكون حمض الفوسفوريك غير متأين عمليًا. عند الأس الهيدروجيني 4.7 تقريبًا (منتصف المسافة بين أول قيمتين لـ pKa ₎ ، يكون أيون ثنائي _{هيدروجين} الفوسفات، H₂PO₄⁻ ، هو النوع الكيميائي الوحيد الموجود عمليًا. عند الأس الهيدروجيني 9.8 تقريبًا (منتصف المسافة بين القيمتين الثانية والثالثة _لـ pKa ) ، يكون أيون أحادي هيدروجين الفوسفات، HPO₄²⁻ ، هو النوع الكيميائي الوحيد الموجود. عند الأس الهيدروجيني 13 أو أعلى، يتأين الحمض كليًا إلى أيون الفوسفات ، PO₄³⁻ .

وهذا يعني أنه يمكن بلورة أملاح أيونات الفوسفات الأحادي والثنائي بشكل انتقائي من المحلول المائي عن طريق ضبط قيمة الرقم الهيدروجيني إما على 4.7 أو 9.8.

في الواقع _، تتصرف H3PO4 و H2PO4 و _HPO24 كأحماض _ضعيفة منفصلة لأن قيم pKa المتتالية _تختلف بأكثر من 4 .

يمكن للفوسفات أن يشكل العديد من الأيونات البوليمرية مثل البيروفوسفات ، P2O4−7 ، والثلاثي الفوسفات ، _P3O5−10 . أيونات الميتافوسفات المختلفة (والتي عادة ما تكون _{بوليمرات خطية} طويلة ) لها الصيغة التجريبية PO3−3 وتوجد في العديد من المركبات .

في الأنظمة البيولوجية ، يمكن العثور على الفوسفور على شكل أنيونات فوسفات حرة في المحلول ( فوسفات غير عضوي ) أو مرتبطًا بجزيئات عضوية على شكل فوسفات عضوي متنوع . ^{[ 8 ]}

يُرمز للفوسفات غير العضوي عمومًا بالرمز Pi _، ويتكون عند درجة الحموضة الفسيولوجية ( المتوازنة ) بشكل أساسي من خليط من أيونات HPO₄²⁻ و H₂PO₄⁻ . عند درجة حموضة متعادلة، كما هو الحال في السيتوسول (pH = 7.0)، تكون نسب تركيز حمض الأورثوفوسفوريك وأيوناته السالبة الثلاثة كما يلي _:$${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {[{\ce {H2PO4-}}]}{[{\ce {H3PO4}}]}}&\approx 7.5\times 10^{4}\\[4pt]{\frac {[{\ce {HPO4^2-}}]}{[{\ce {H2PO4-}}]}}&\approx 0.62\\[4pt]{\frac {[{\ce {PO4^3-}}]}{[{\ce {HPO4^2-}}]}}&\approx 2.14\times 10^{-6}\end{aligned}}}$$

وبالتالي، فإن أيونات H₂PO₄⁻ وHPO₄²⁻ هي فقط _{الموجودة} بكميات كبيرة في السيتوسول (62% H₂PO₄⁻ ، 38 % HPO₄²⁻ ) . أما في السائل خارج الخلوي ( الأس _{الهيدروجيني} = 7.4 ) ، فإن هذه النسبة تنعكس (61 % _H₂PO₄⁻ ، 39 % HPO₄²⁻ ) .

_يمكن أن يتواجد الفوسفات غير العضوي أيضًا على شكل أنيونات بيروفوسفات P2O4−7 ، والتي تعطي أورثوفوسفات عن طريق التحلل المائي :

ف ₂ O 4− 7 + H ₂ O ⇌ 2 H PO 2− 4

توجد الفوسفات العضوية عادةً على شكل إسترات في النيوكليوتيدات (مثل AMP و ADP و ATP ) وفي الحمض النووي DNA والحمض النووي RNA . يمكن إطلاق أنيونات الفوسفات الحرة عن طريق تحلل روابط الفوسفوأنهيدريد في ATP أو ADP. تُعد تفاعلات الفسفرة وإزالة الفسفرة هذه مصدرًا فوريًا لتخزين الطاقة للعديد من العمليات الأيضية . يُشار غالبًا إلى ATP وADP باسم الفوسفات عالي الطاقة ، كما هو الحال مع الفوسفاجينات الموجودة في الأنسجة العضلية. توجد تفاعلات مماثلة لثنائي فوسفات وثلاثي فوسفات النيوكليوزيد الأخرى .

يُعدّ الفوسفات عنصراً أساسياً في الأنظمة البيولوجية، حيث يُشكّل المادة البنائية للعظام والأسنان. تتكون هذه البنى من فوسفات الكالسيوم البلوري على شكل هيدروكسي أباتيت . وقد يحتوي مينا الأسنان الصلب والكثيف لدى الثدييات على فلورو أباتيت ، وهو فوسفات هيدروكسي كالسيوم استُبدلت فيه بعض مجموعات الهيدروكسيل بأيونات الفلوريد .

الفوسفات هي أملاح طبية للفوسفور. تُستخدم بعض أنواع الفوسفات، التي تُساعد في علاج العديد من التهابات المسالك البولية ، لزيادة حموضة البول. كما تُستخدم بعض أنواع الفوسفات لمنع تكوّن حصوات الكالسيوم في المسالك البولية. ^{[ 9 ]} بالنسبة للمرضى الذين لا يحصلون على كمية كافية من الفوسفور في نظامهم الغذائي اليومي، تُستخدم الفوسفات كمكملات غذائية، عادةً بسبب بعض الاضطرابات أو الأمراض. ^{[ 9 ]} لا يُسمح بحقن الفوسفات إلا لمقدمي الرعاية الصحية المؤهلين. ^{[ 9 ]}

الفوسفات هي الشكل الطبيعي لعنصر الفوسفور ، وتوجد في العديد من معادن الفوسفات . في علم المعادن والجيولوجيا، يشير مصطلح الفوسفات إلى صخر أو خام يحتوي على أيونات الفوسفات. تُستخرج الفوسفات غير العضوية للحصول على الفوسفور لاستخدامه في الزراعة والصناعة. ^{[ 2 ]}

تُعدّ الصين أكبر منتج ومصدّر للفوسفات في العالم ، بينما تمتلك المغرب أكبر احتياطيات معروفة منه. ^{[ 12 ]} وفي أمريكا الشمالية، تقع أكبر الرواسب في منطقة وادي العظام بوسط فلوريدا ، ومنطقة ينابيع الصودا بجنوب شرق أيداهو ، وساحل كارولاينا الشمالية . وتوجد رواسب أصغر في مونتانا وتينيسي وجورجيا وكارولاينا الجنوبية . أما دولة ناورو الصغيرة وجزيرة بانابا المجاورة لها ، اللتان كانتا تمتلكان رواسب فوسفات ضخمة من أجود الأنواع، فقد تعرضتا للتعدين المفرط. كما يوجد الفوسفات الصخري في مصر وإسرائيل وفلسطين والصحراء الغربية وجزيرة نافاسا وتونس وتوغو والأردن، وهي دول تمتلك صناعات تعدين فوسفات واسعة النطاق.

توجد مناجم الفوسفوريت بشكل أساسي في:

• أمريكا الشمالية : الولايات المتحدة، وخاصة فلوريدا، مع وجود رواسب أقل في كارولاينا الشمالية وأيداهو وتينيسي .
• أفريقيا : المغرب ، الجزائر ، مصر ، النيجر ، السنغال ، توغو ، تونس ، موريتانيا
• الشرق الأوسط : المملكة العربية السعودية ، والأردن ، وإسرائيل ، وسوريا ، وإيران ، والعراق ، في بلدة عكاشات ، بالقرب من الحدود الأردنية.
• آسيا الوسطى : كازاخستان
• أوقيانوسيا : أستراليا ، ماكاتيا ، ناورو ، جزيرة بانابا

في عام 2007، وبحسب معدل الاستهلاك الحالي، قُدِّر أن مخزون الفوسفور سينفد خلال 345 عامًا. ^{[ 13 ]} مع ذلك، رأى بعض العلماء أن ذروة الفوسفور ستحدث خلال 30 عامًا، وقالت دانا كورديل من معهد المستقبل المستدام إنه بالمعدلات الحالية، ستنفد الاحتياطيات خلال 50 إلى 100 عام القادمة. ^{[ 14 ]} تشير الاحتياطيات إلى الكمية التي يُفترض استخراجها بالأسعار السوقية الحالية. في عام 2012، قدّرت هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية احتياطيات الفوسفور العالمية بـ 71 مليار طن، بينما بلغ حجم التعدين العالمي 0.19 مليار طن في عام 2011. ^{[ 15 ]} يشكل الفوسفور 0.1% من كتلة الصخور ^{[ 16 ]} (مع العلم أن تركيزه النموذجي في النباتات يتراوح بين 0.03% و0.2%)، ^{[ 17 ]} وبالتالي، توجد تريليونات الأطنان من الفوسفور في قشرة الأرض التي تزن 3×10^ ¹⁹ طنًا، ^{[ 18 ]} وإن كان بتركيز أقل في الغالب من الرواسب المصنفة كاحتياطيات، والتي يتم حصرها واستخراجها بتكلفة أقل. إذا افترضنا أن معادن الفوسفات في صخور الفوسفات هي أساسًا هيدروكسي أباتيت وفلورو أباتيت ، فإن معادن الفوسفات تحتوي على ما يقارب 18.5% من الفوسفور وزنًا. وإذا احتوت صخور الفوسفات على حوالي 20% من هذه المعادن، فإن متوسط ​​صخور الفوسفات يحتوي على ما يقارب 3.7% من الفوسفور وزنًا.

تتميز بعض رواسب صخور الفوسفات، مثل رواسب مولبيري في فلوريدا، ^{[ 19 ]} باحتوائها على كميات كبيرة من نظائر اليورانيوم المشعة. وهذا يثير القلق لأن الإشعاع قد يتسرب إلى المياه السطحية ^{[ 20 ]} نتيجة استخدام الأسمدة الفوسفاتية الناتجة .

في ديسمبر 2012، أعلنت شركة كومينكو ريسورسز عن تحديث لموارد مشروع هيندا التابع لها في الكونغو برازافيل، والمتوافقة مع معايير JORC، حيث بلغت 531 مليون طن، مما يجعله أكبر رواسب فوسفات مؤكدة ومحتملة في العالم. ^{[ 21 ]}

في حوالي عام 2018، اكتشفت النرويج رواسب فوسفات تعادل تقريباً تلك الموجودة في بقية أنحاء الأرض مجتمعة. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

في يوليو 2022، أعلنت الصين عن حصص لتصدير الفوسفات. ^{[ 24 ]}

أكبر الدول المستوردة للفوسفات بملايين الأطنان المترية هي البرازيل 3.2، والهند 2.9، والولايات المتحدة الأمريكية 1.6. ^{[ 25 ]}

تمثل الدول الثلاث الرئيسية المنتجة للفوسفات (الصين والمغرب والولايات المتحدة) حوالي 70٪ من الإنتاج العالمي.

يلعب وفرة الفوسفور دورًا في تنظيم نمو النبات، إذ يُعدّ الفوسفور جزءًا من جزيئات مهمة ، بما في ذلك الأحماض النووية والفوسفوليبيدات و ATP . ^{[ 31 ]} يُعدّ الأورثوفوسفات النوع الأسهل استخدامًا من قِبل النباتات، إلا أن تركيزاته في التربة عادةً ما تكون منخفضة. ^{[ 31 ]} تمتص النباتات الفوسفور عبر مسارات متعددة: مسار الفطريات الجذرية الشجرية ومسار الامتصاص المباشر. ^{[ 32 ]} في مسار الامتصاص المباشر، تمتص النباتات الفوسفات عبر الشعيرات الجذرية، مما قد يُقلل من تركيز الفوسفات في منطقة الجذور، لأن الفوسفات لا يتجدد بالسرعة نفسها التي تمتصه بها النباتات. ^{[ 32 ]} تمتص معظم النباتات الفوسفات عبر مسار الفطريات الجذرية الشجرية، لأن الفطريات قادرة على جمع الفوسفات من مساحة أكبر. ^{[ 32 ]}

تنقل النباتات الفوسفات من الجذور إلى الأسطوانة الوعائية ، ثم إلى الخشب ، قبل أن ينتقل إلى الساق حيث يُنقل إلى حيث الحاجة إليه. ^{[ 33 ] [ 34 ]} يُخزن ما يصل إلى 80% من الفوسفات الخلوي في الفجوات العصارية ، حيث يمكن للنباتات الوصول إليه للحفاظ على إمداد الفوسفور اللازم للوظائف الحيوية. ^{[ 33 ] [ 34 ]} عندما تبدأ الأوراق أو أجزاء أخرى من النبات بالذبول، ينتقل الفوسفات من الجزء الذابل إلى الأوراق الصغيرة أو البذور. ^{[ 34 ]}

يمكن العثور على رواسب هيدروكسيباتيت الكالسيوم والكالسيت حول البكتيريا في التربة السطحية الطميية . ^{[ 35 ]} وبما أن المعادن الطينية تعزز التمعدن الحيوي ، فإن وجود البكتيريا والمعادن الطينية يؤدي إلى ترسب هيدروكسيباتيت الكالسيوم والكالسيت. ^{[ 35 ]}

غالباً ما تلتصق الفوسفات بأسطح المعادن في التربة، وخاصةً أكاسيد الحديد والألومنيوم ( الهيدروكسيدية ). ^{[ 36 ]} يُعدّ الجوثيت أحد أشكال الحديد الشائعة والمهمة لهذه الروابط. ^{[ 36 ]} يمكن أن يؤدي ارتفاع الرقم الهيدروجيني إلى تقليل قدرة هذه المعادن على الامتصاص. ^{[ 36 ] [ 37 ]} قد تلتصق الفوسفات أيضاً بحواف المعادن الطينية، بما في ذلك الكاولينيت والمونتوموريلونيت والإيليت . [ 37 ] ^{تتنافس المادة العضوية} في التربة مع الفوسفات على مواقع الامتصاص، لذا فإن التربة ذات المحتوى العالي من المادة العضوية لديها قدرة أقل على امتصاص الفوسفات. ^{[ 37 ]}

يُعدّ الفوسفات مكونًا رئيسيًا للعديد من الأسمدة. بعد استخدامه في الحقول الزراعية، قد تجرف الأمطار الفوسفات الزائد إلى المسطحات المائية القريبة. ^{[ 3 ]} يتزايد الطلب على الأسمدة الفوسفاتية، مما يُرجّح زيادة تأثيرها على المسطحات المائية. ^{[ 4 ]} تشمل المصادر الأخرى للفوسفات في البيئة المنظفات، ومياه الصرف الصحي، واستخدام الأسمدة المنزلية. ^{[ 38 ]} سنّت بعض الدول قوانين تنظم استخدام الفوسفات في المنظفات للحد من تلوث الفوسفات الناتج عنها (انظر: الفوسفات في المنظفات ). ^{[ 39 ]}

قد يؤدي إضافة مستويات عالية من الفوسفات إلى البيئات إلى عواقب بيئية وخيمة، مثل النمو المفرط للنباتات. ^{[ 4 ]} في المياه العذبة، قد يؤدي النمو الكبير للطحالب إلى استنزاف الأكسجين نتيجة تغذي البكتيريا على الطحالب الميتة (انظر التخثث ). ^{[ 40 ]} في سياق التلوث، تُعد الفوسفات أحد مكونات إجمالي المواد الصلبة الذائبة ، وهو مؤشر رئيسي لجودة المياه، ولكن ليس كل الفوسفور موجودًا في صورة جزيئية تستطيع الطحالب تحليلها واستهلاكها. ^{[ 41 ]}