Phosphate sind dieSalze undEster derOrthophosphorsäure (H3PO4).[1] Im weiteren Sinn werden auch dieKondensate (Polymere) der Orthophosphorsäure und ihre Ester Phosphate genannt.[1] Die Ester werden unterPhosphorsäureester beschrieben.Phosphor liegt bei allen diesen Verbindungen in derOxidationsstufe +5 vor. Sauerstoffverbindungen des Phosphors mit anderen Oxidationsstufen sind unterPhosphor aufgelistet.
Die Salze der dreibasigen ortho-Phosphorsäure (H3PO4) lassen sich in primäre, sekundäre und tertiäre Phosphate einteilen. Bei einwertigen Kationen M′ gelten die Summenformeln entsprechendM′H2PO4,M′2H1PO4 undM′3PO4.Durch die teilweiseNeutralisation derPhosphorsäure erhält man Hydrogen- oder Dihydrogenphosphate. Diese können sowohl mitSäuren als auch mitBasen reagieren. Wegen dieser Eigenschaft enthalten vielePufferlösungen Hydrogenphosphate.
Phosphate werden ausMineralen wie zum BeispielApatit, Ca5[(PO4)3(OH,F,Cl)], gewonnen. Da Phosphate in vielen verschiedenen Mineralien und in unterschiedlicher Zusammensetzung vorkommen, wird der Phosphorgehalt üblicherweise auf den Gehalt anPhosphorpentoxid (P2O5) umgerechnet angegeben[2]. Die Hauptvorkommen liegen im nördlichen Afrika (Marokko,Westsahara),Jordanien,Vereinigte Staaten (Florida),Russland (Kola-Halbinsel),Südafrika,Togo undChina. Früher fanden sich die Phosphatvorkommen mit der höchsten Konzentration (Nauruit, welches ausGuano entstand) auf der PazifikinselNauru. Die ursprünglichen Vorkommen sind seit 2003 erschöpft. 2004 wurden neue Vorkommen auf Nauru erschlossen.Saudi-Arabien ist seit 2006 einer der größten Produzenten weltweit.[3] Anfang 2021 berichtete ein Explorationsunternehmen über den Fund bedeutender Lagerstätten inNorwegen.[4] 2023 wurde bekannt, dass diese norwegische Lagerstätte rund 70 Milliarden Tonnen Phosphat enthält, was in etwa den gesamten bisher bekannten Reserven entspricht und den globalen Phosphatbedarf für 50 Jahre decken könnte.[5]
2020 wurden weltweit 220 Millionen Tonnen Phosphatgestein abgebaut mit einem Phosphatgehalt, der 70 Millionen Tonnen P2O5 entsprach. Größtes Abbauland warChina, gefolgt vonMarokko, denUSA undRussland. DieRessourcen von Phosphaten wurden 2022 von der USGS auf 300 Milliarden Tonnen geschätzt, die bekannten Reserven betrugen 71 Milliarden Tonnen. Vor allemJordanien, Marokko undSaudi-Arabien konnten 2021 ihre Produktion steigern. Weitere Ausbauprojekte laufen derzeit inBrasilien,Kasachstan,Mexiko, Russland undSüdafrika, werden aber erst nach 2024 den Betrieb aufnehmen können[6] Einige Lagerstätten sind mit Cadmium und/oder radioaktiven Schwermetallen belastet. Manche Phosphatlagerstätten dienten bislang als Quelle fürUran. DerCadmiumgehalt der Phosphatlagerstätten ist sehr unterschiedlich. VieleIndustrieländer haben bereits einenGrenzwert für Cadmium in Düngemitteln eingeführt.
Einen Überblick über die globalen Abbaumengen gibt folgende Tabelle:[7]
Die früher in den Industrieländern praktizierte Nutzung vonThomasmehl (einem Nebenprodukt der Eisenerz-Verhüttung) ist auf Grund der hohen Chrombelastung aus Gesundheitsgründen ausgeschlossen. Eine weitere Möglichkeit ist, die imKlärschlamm vorhandenen gefällten oder biologisch angereicherten Phosphate zu nutzen oder zurückzugewinnen[8]. In Deutschland und anderen Ländern wird Klärschlamm bisher meist verbrannt, da er häufig zahlreiche Schwermetalle undendokrine Disruptoren enthält.
Da 85 % des in Deutschland verwendeten importierten Phosphats in die Landwirtschaft gehen, könnte ein Teil durch Klärschlamm ersetzt werden[8]. Im Wirtschaftsjahr 2003/2004 lag der Düngemittelabsatz laut den Erhebungen des Statistischen Bundesamtes bei 112.000 Tonnen Phosphor.[9] Dem sollte mit der Novellierung derKlärschlammverordnung 2017 Rechnung getragen werden, wonach „eine Rückgewinnung von Phosphor und eine Rückführung des gewonnenen Phosphors oder der phosphorhaltigen Klärschlammverbrennungsasche in den Wirtschaftskreislauf anzustreben“ ist.[10] Auch in derSchweiz wurden entsprechende Überlegungen angestellt.[11] Die SchweizerDüngeverordnung wurde 2001 entsprechend angepasst und es wurde ein Netzwerk für das Phosphorrecycling aufgebaut, an dem andere europäische Länder ebenfalls beteiligt sind. Inzwischen gibt es sieben entsprechende Pilotanlagen.[12]
Inwässriger Lösung existieren Phosphat-Anionen in drei Formen. Unter stark basischen Bedingungen liegt das Phosphat-Anion hauptsächlich als (PO43−) vor, während unter schwach basischen Bedingungen dasHydrogenphosphat-Anion (HPO42−) dominiert. Unter schwach sauren Bedingungen liegt hauptsächlich dasDihydrogenphosphat-Anion (H2PO4−) vor. In stark saurer wässriger Lösung ist Phosphorsäure (H3PO4) die Hauptform.
Es liegen also dreipH-abhängige Gleichgewichtsreaktionen vor:
Unter stark alkalischen Bedingungen, wie z. B. bei pH = 13 liegt im Wesentlichen PO43− und HPO42− vor.Ist die Lösung neutral (pH = 7.0) liegen H2PO4− (62 %) und HPO42− (38 %) vor.Bei pH = 7.4 dreht sich das Verhältnis der beiden Komponenten etwa um: 39 % H2PO4− und 61 % HPO42−.Unter stark sauren Bedingungen (pH=1) ist H3PO4 dominierend im Vergleich zu H2PO4−. HPO42− und PO43− sind praktisch abwesend.
Mit Ausnahme derAlkali- undAmmonium-Verbindungen sind die meisten Phosphate schlecht wasserlöslich.
Phosphate können Verbindungen mitSchwermetallen eingehen. Diese Eigenschaft macht die Verwendung von Phosphaten problematisch, da Phosphate Schwermetalle inKlärschlamm mobilisieren, auswaschbar machen, können.
Zum überwiegenden Teil enthalten Lagerstätten von Phosphatverbindungen auch Schwermetalle, wie z. B.Cadmium undUran.
In der menschlichen Ernährung spielt Phosphat eine wesentliche Rolle im Energiestoffwechsel und imKnochenumbau. Es verbindet sich mit Calcium zum festenCalciumapatit. Der Phosphatspiegel steht im engen Zusammenhang mit dem Calciumspiegel. Die Bedeutung von Phosphat für das Auftreten vonHyperaktivität bei Kindern gilt als widerlegt.[13]
Die Hauptmenge der Phosphate kommt alsDünger zum Einsatz (siehePhosphatdünger,Superphosphat,Doppelsuperphosphat).[16] Die Eignung von Phosphaten für die Düngung wurde durch Zufall entdeckt: bei der Eisen- und Stahlerzeugung nach demThomas-Verfahren fiel als Nebenprodukt das phosphatreicheThomasmehl an, das sich als hervorragender Dünger erwies.
Durch Erosion von landwirtschaftlichen Flächen gelangen Phosphate anTonminerale gebunden in Flüsse und Seen und von dort weiter in die Meere. Inlimnischen als auchmarinen Ökosystemen tragen sie erheblich zurEutrophierung bei. Phosphate sind unter anderem ein Auslöser von Blaualgenblüten (Cyanobakterien) in der Ostsee.
ZurEnthärtung von Wasser kannPentanatriumtriphosphat verwendet werden. Auf den Einsatz von Phosphaten inWaschmitteln wird in Teilen Europas inzwischen verzichtet, da sie zu einerÜberdüngung und schließlich zumUmkippen von Gewässern geführt haben. Als Ersatz wird hierzuZeolith A eingesetzt. InMaschinengeschirrspülmitteln werden allerdings immer noch Tripolyphosphate als Enthärter verwendet.[17] Tests derStiftung Warentest im Jahr 2015 und 2016 haben gezeigt, dass einige phosphatfreie Spülmaschinentabs bereits eine vergleichbar gute Reinigungswirkung erzielen wie phosphathaltige Mittel.[18][19] DieDetergenzienverordnung (EG) Nr. 648/2004 schreibt durch die Änderungsverordnung (EU) Nr. 259/2012 im Anhang VIa vor, dass ab dem 1. Januar 2017 nur noch Maschinengeschirrspülmittel für Privatverbraucher in den Verkehr gebracht werden dürfen, die weniger als 0,3 Gramm Phosphor pro Standarddosierung enthalten.[20][21]
↑E. Lückerath u. a.:Diätetik und Ernährungsberatung: Das Praxisbuch. Georg Thieme Verlag, 2011, S. 272,ISBN 3-8304-7563-2,eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche.
↑Jaber Mohammad, Roberto Scanni, Lukas Bestmann, Henry N. Hulter, Reto Krapf:A Controlled Increase in Dietary Phosphate Elevates BP in Healthy Human Subjects. In:Journal of the American Society of Nephrology. 29, 2018, S. 2089,doi:10.1681/ASN.2017121254.
