В каких соединениях содержится фосфор

Фосфор (phosphorus) – это один из самых распространенных химических элементов на нашей планете. Фосфор составляет 0,08 – 0,09 % от массы Земной коры.

Фосфор играет важную биологическую роль и служит строительным материалом для многих клеток живых организмов. В растительном мире он содержится во всех растениях. Наибольшая концентрация наблюдается в плодах и семенах растений.

В животном мире, фосфор входит в состав белков и многих жизненно важных органических соединений, включая ферменты, нуклеиновые кислоты и так далее. Фосфор содержится в тканях и органах живых организмов, но наибольшее его количество содержится в костной ткани и зубной эмали.

В организме человека в среднем содержится от 500 до 750 грамм фосфора, при этом 90% (фосфат кальция) сконцентрировано в костной ткани. В сочетании с кальцием, фосфор образует минеральные структуры, которые обеспечивают прочность костной ткани и зубной эмали. Фосфор играет важную роль в формировании мышечной ткани и тканей головного мозга, и входит в их состав в качестве строительного материала.

Одна из важных функций фосфора – это его участие в энергетических процессах, протекающих в организме человека.

В тканях живого организма и пищевых продуктах, фосфор содержится в виде фосфорной кислоты и органических соединений фосфорной кислоты (фосфатов).

Участие фосфора в биологических процессах организма

Фосфор не только входит в состав живых клеток в виде строительного материала, он еще принимает участие во многих жизненно важных биологических процессах, протекающих в организме человека:

• Деление клеток. Фосфор участвует в процессах деления живых клеток и их роста. Он входит в состав нуклеиновых кислот, а также структуру мембран клеток в виде фосфолипидов и фосфопротеинов.
• Синтез энергии. Фосфор принимает участие в формировании и транспортировки молекул аденозин трифосфата (ATФ), запасающих энергию в нашем организме.
• Обмен веществ. Фосфор принимает участие в метаболизме и продуцирование углеводов и белков.
• ЦНС.Фосфор участвует в биологических процессах, обеспечивающих передачу электрических импульсов по волокнам нервов и тканям головного мозга.
• Баланс фосфора и кальция. Фосфор и кальций тесно взаимодействуют в организме человека и участвуют в формировании одних и тех же биологических структур. В организме человека, с помощью гормонов паращитовидной железы, поддерживается определенный баланс между содержанием фосфора и кальция в тканях и органах. Этот баланс составляет – 2 к 1, две части кальция на одну часть фосфора.
• Другие функции. Фосфор находится во взаимодействии со многими ферментами, активирует работу витамина D и витаминов группы B. 

Фосфор в продуктах питания

Норма фосфора в сутки – 800 мг, максимально допустимое количество потребления – 1600 мг.

Биодоступность (способность усваиваться организмом) фосфора, поступающего с продуктами питания, не более 70%. Только фосфор рыбы всасывается в кишечнике фактически полностью.

Фосфор содержится в продуктах:

• молоко, молочные продукты (сыры)
• мясо, субпродукты (говяжья печень), птица, яйца
• рыба, икра осетровых
• хлеб, овсяная и гречневая крупы
• орехи грецкие, семечки
• овощи, зелень (тыква, петрушка, капуста, шпинат, чеснок, морковь).

Недостаток фосфора в организме человека

Причины недостатка фосфора:

• нарушения обмена фосфора
• неудовлетворительное количество поступления макроэлемента в организм (низкое количество потребления белка)
• избыточный уровень в организме соединений магния, кальция, бария, алюминия
• чрезмерное потребление синтетических напитков (газированных и пр.)
• продолжительные хронические болезни
• отравления, наркозависимость, алкоголизм
• патологии щитовидной железы, околощитовидных желез
• болезни почек
• вскармливание грудного ребенка искусственными смесями

Симптомы недостатка фосфора:

• общая слабость, утрата аппетита, истощение
• боли в мышцах и костях
• снижается сопротивляемость к инфекциям, простудным заболеваниями; 
• уменьшается синтез белка печенью
• появляются дистрофические изменения миокарда, геморрагические высыпания на слизистых оболочках и коже
• в ряде случаев – нарушения психики
• рахит, пародонтоз

Когда в организме больше фосфора, чем кальция, организм человека будет использовать кальций, который хранится в костях.

Избыток фосфора в организме человека

Фосфор и фосфаты являются нетоксичными. Летальной дозой для человека считается 60 мг фосфора. Высокой токсичностью обладает ряд соединений фосфора (фосфин). Отравления соединениями фосфора провоцируют нарушения работы почек и печени, сердечно-сосудистой системы, пищеварительного тракта, а также других систем и органов.

Причины избытка фосфора:

• чрезмерное количество поступления фосфора (избыток белков в продуктах)
• употребление большого количества консервированной продукции, лимонадов
• продолжительное взаимодействие с фосфорорганическими соединениями
• нарушения обмена фосфора

Симптомы избытка фосфора:

• отложение малорастворимых фосфатов в тканях
• поражения пищеварительного тракта и печени
• декальцинация костей (остеопороз)
• кровоизлияния и кровотечения
• лейкопения, анемия

Вред фосфатов, применяющихся в пищевой промышленности

В пищевой промышленности применяются фосфаты в продуктах в следующих целях:

• В качестве подкислителя в газированных напитках
• Фосфаты сохраняют воду в продуктах питания, повышая его вес и объем, предупреждая формирование бульонно-жировых отёков, в процессе хранения предотвращают высыхание. В основном применяются в продукции из рыбы, птицы и мяса (вареные, варено-копченые колбасы, сардельки)
• Фосфаты добавляются в сгущенное молоко, помогая предотвратить кристаллизацию продукта.
• Добавляются в сухие сыпучие продукты, не допуская слеживания и формирования комков в порошке. Применяется в сухих сливках, сухом молоке, порошках, содержащих какао в сухом виде.
• Добавляются в плавленые сырки, обеспечивая их консистенцию
• Используются при температурной обработке молока и молочных продуктов 
• При изготовлении мороженого и других продуктов из сухих смесей фосфаты повышают скорость их растворения при производстве. 
• Применятся для увеличения срока годности сливочного масла и маргарина

На этикетках можно найти следующие обозначения:

• Е 340 – фосфаты калия
• Е 338 – ортофосфорная кислота (или просто фосфорная)
• Е 343 – фосфаты магния
• Е 341 – фосфаты кальция
• Е 342 – фосфаты аммония

Последствия вредного воздействия фосфатов:

• Избыточное поступление фосфатов в организм человека, нарушает баланс в тканях между фосфором и кальцием, что приводит к нарушению структуры костной ткани и нарушению обменных процессов в организме человека. Избыток фосфора приводит к заболеваниям костной ткани в виде остеопороза.
• Избыток фосфора приводит к повышению риска сердечно сосудистых заболеваний, повышению риска инфарктов. Это происходит за счет отложения кальция на внутренних стенках сосудов, что приводит к их закупорке. Все это происходит из-за нарушения кальцево-фосфорного баланса.

Взаимодействие фосфора с другими элементами и лекарствами

Фосфор в чистом виде является химически не устойчивым элементом, поэтому легко вступает во взаимодействие с другими веществами. В природе и в нашем организме фосфор содержится в основном в виде химических соединений с другими веществами.

На содержание фосфора и его соединений в нашем организме, могут оказывать влияния различные внешние факторы и другие вещества, поступающие с пищей.

Рассмотрим вещества, которые могут оказать значимое влияние на содержание фосфора в организме человека:

• Алкоголь может выщелачивать фосфор из костей и снижать его общий уровень в организме
• Антациды (снижают кислотность желудка), содержащие алюминий, кальций или магний, могут связывать фосфаты в кишечнике. При долгосрочном использовании, эти лекарственные препараты могут привести к снижению содержания фосфора в организме человека (гипофосфатемии).
• Противосудорожные препараты могут снизить уровень фосфора и увеличение уровня щелочной фосфатазы, фермента, который помогает удалить фосфат из организма.
• Препараты желчной кислоты снижают уровень холестерина в крови. Они могут уменьшить пероральную абсорбция фосфатов с пищей или добавками. Оральные добавки фосфата должны быть приняты, по крайней мере, за 1 час до или через 4 часа после этих препаратов.
• Кортикостероиды, в том числе повышают уровень фосфора в моче
• Калий или препараты с его высоки содержанием, могут привести к слишком большому уровню калия в крови (гиперкалиемия). Гиперкалиемия может вызвать опасные нарушения сердечного ритма (аритмии). Заменители соли, в которых также содержится высокий уровень калия и фосфора, могут привести к снижению их уровня при использовании в долгосрочной перспективе.
• Ингибиторы АПФ (лекарство от кровяного давления). Это препараты, называемые ангиотензин-превращающим ферментом (АПФ), используемые для лечения высокого кровяного давления, они могут снизить уровень фосфора.
• Другие медикаменты также могут тоже снижать уровень фосфора. К таким препаратам относятся: циклоспорин (используется для подавления иммунной системы), сердечные гликозиды (дигоксин или Lanoxin), гепарины (разжижающие кровь препараты), а также нестероидные противовоспалительные препараты (например, ибупрофен).

Фосфор (греч. phos – свет + phoros – несущий) – химический элемент, принадлежащий к Vа группе и 3 периоду. Простое желтоватое вещество,
легко воспламеняющееся и светящееся.

Основное и возбужденное состояние фосфора

При возбуждении атома фосфора электроны на s-подуровне распариваются и переходят на d-подуровень.

Природные соединения

В природе фосфор встречается в виде следующих соединений:

• 3Ca3(PO4)2*CaCO3*Ca(OH,F)2 – фосфорит
• Ca10(PO4)6(F,Cl,OH)2 – апатит

Получение

В промышленности фосфор получают в ходе сплавления фосфата кальция, песка и угля.

Ca3(PO4)2 + SiO2 + C → (t) CaSiO3 + P + CO

Химические свойства

Химическая активность фосфора значительно выше, чем у азота. Активность также определяется аллотропной модификацией: наиболее активен белый
фосфор, излучающий видимый свет из-за окисления кислородом.

В жидком и газообразном состоянии до 800 °C фосфор состоит из молекул P4. Свыше 800 °C молекулы P4 распадаются до
P2.

• Реакции с неметаллами

C неметаллами фосфор часто проявляет себя как восстановитель и окислитель. Легко окисляется кислородом.

4P + 3O2 → 2P2O3 (недостаток кислорода)

4P+ 5O2 → 2P2O5 (избыток кислорода)

Схожим образом происходит взаимодействие фосфора и хлора.

2P + 3Cl2 → 2PCl3 (недостаток хлора)

2P + 5Cl2 → 2PCl5 (избыток хлора)

P + S → P2S3

Реакции с водородом крайне затруднена. Тем не менее, в ходе разложения фосфидов металлов можно получить ядовитый газ – фосфин – боевое
отравляющее вещество.

Ca3P2 + H2O → Ca(OH)2 + PH3↑



• Реакции с металлами

2P + 3Ca → Ca3P2 (фосфид кальция)

• Реакция с водой

При взаимодействии с водой фосфор вступает в реакцию диспропорционирования (так называются реакции, в которых одно и то же вещество
является и окислителем, и восстановителем).

P + H2O → (t) PH3 + H3PO4

• Реакция с щелочами

При добавлении фосфора в растворы щелочей также происходит реакция диспропорционирования.

P + LiOH + H2O → LiH2PO2 + PH3↑ (LiH2PO2 – гипофосфит лития)

• Восстановительные свойства

При поджигании спичек происходит реакция между фосфором и бертолетовой солью, которая выступает в качестве окислителя.

KClO3 + P → KCl + P2O5

Оксид фосфора V – P2O5

Кислотный оксид, пары которого имеют формулу P4O10. Твердый оксид характеризуется белым цветом.

Получение

P + O2 → P2O5

Химические свойства

• Кислотные свойства

Активно реагирует с водой с образованием фосфорной кислоты. При недостатке воды образует метафосфорную кислоту.

P2O5 + 3H2O = 2H3PO4

P2O5 + H2O = HPO3 (при недостатке воды)

Реагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли фосфорной кислоты. Какая именно получится соль – определяет соотношение основного
оксида/основания и кислотного оксида.

P2O5 + Na2O → Na3PO4

6KOH + P2O5 = 2K3PO4 + 3H2O (фосфат калия, избыток щелочи – соотношение 6:1)

4KOH + P2O5 = 2K2HPO4 + H2O (гидрофосфат калия, незначительный избыток кислотного оксида – соотношение 4:1)

2KOH + P2O5 = 2KH2PO4 + H2O (дигидрофосфат калия, избыток кислотного оксида – соотношение 2:1)



• Дегидратационные свойства

Обладает выраженным водоотнимающим (дегидратационным) свойством: легко извлекает воду из других соединений.

HClO4 + P2O5 → HPO3 + Cl2O7 (HPO3 – метафосфорная кислота)

HNO3 + P2O5 → HPO3 + N2O5

Фосфорные кислоты

Существует несколько кислородсодержащих фосфорных кислот:

• Ортофосфорная кислота – H3PO4 (трехосновная кислота, соли – фосфаты PO43-)
• Метафосфорная кислота – HPO3 (одноосновная кислота, соли – метафосфаты PO3-)
• Фосфористая – H3PO3 (двухосновная кислота, соли – фосфиты HPO32-)
• Фосфорноватистая – H3PO2 (одноосновная кислота, соли гипофосфиты – H2PO2- )

Фосфорноватистая кислота способна вытеснять из солей малоактивные металлы, при этом превращаясь в ортофосфорную кислоту.

CuSO4 + H3PO2 + H2O → Cu + H2SO4 + H3PO4

Ортофосфорная кислота

В твердом виде представляет собой кристаллы белого цвета, хорошо растворимые в воде.

Получение

Фосфорную кислоту получают из фосфатов, воздействуя на них серной кислотой. Также известны способы гидролиза пентахлорида фосфора,
взаимодействия оксида фосфора V с водой.

Ca3(PO4)2 + H2SO4 → CaSO4 + H3PO4

P2O5 + H2O → H3PO4

PCl5 + H2O → H3PO4 + HCl

Фосфорная кислота может образоваться при окислении фосфора сильной кислотой:

P + HNO3 + H2O → H3PO4 + NO

Химические свойства

• Кислотные свойства

За счет кислотных свойств отлично реагирует с основными оксидами, основаниями. При различных соотношениях кислоты и основания получаются различные
соли (фосфаты, гидрофосфаты и дигидрофосфаты).

3K2O + H3PO4 = 2K3PO4 + 3H2O

3KOH + H3PO4 = K3PO4 + 3H2O

2KOH + H3PO4 = K2HPO4 + H2O

KOH + H3PO4 = KH2PO4 + H2O

• Реакции с солями

Реакции идут, если выделяется газ, выпадает осадок или образуется слабый электролит (вода). Например, характерный осадок
желтого цвета – фосфат серебра – образуется в результате реакции с нитратом серебра.

AgNO3 + H3PO4 → Ag3PO4 + HNO3

В реакции с карбонатами образуется нестойкая угольная кислота, которая распадается на воду и углекислый газ.

K2CO3 + H3PO4 → K3PO4 + H2O + CO2

• Реакции с металлами

Металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, способны вытеснить водород из фосфорной кислоты.

Mg + H3PO4 → Mg3(PO4)2 + H2↑

• Дегидратация

При сильном нагревании ортофосфорная кислота теряет воду и переходит в метафосфорную кислоту.

H3PO4 → (t) HPO3 + H2O

Соли фосфорной кислоты

Соли фосфорной кислоты получаются в ходе реакции ортофосфорной кислоты и оснований.

3Ca(OH)2 + 2H3PO4 = Ca3(PO4)2 + 6H2O

Фосфаты являются хорошими удобрениями, которые повышают урожайность. Перечислим наиболее значимые:

• Фосфоритная мука – Ca3(PO4)2
• Простой суперфосфат – смесь Ca(H2PO4)2*H2O и CaSO4
• Двойной суперфосфат – Ca(H2PO4)2*H2O
• Преципитат – CaHPO4*2H2O
• Костная мука – продукт переработки костей домашних животных Ca3(PO4)2
• Аммофос – в основном состоит из моноаммонийфосфата – NH4H2PO4