Fosfato

Fosfato
Fosfato-3D-vdW.png
Estructura tridimensional de un ion fosfato Estructura de un grupo fosfato unido a un radical R
Grupo de fosfatos.PNG
Identificación
N o CAS 14265-44-2
PubChem 1061
Sonrisas [O-] P (= O) ([O -]) [O-]
PubChem , vista 3D
InChI InChI: vista 3D
InChI = 1 / H3O4P / c1-5 (2,3) 4 / h (H3,1,2,3,4) / p-3 / fO4P / q-3
Propiedades químicas
Fórmula O 4 PPO 43−
Masa molar 94,9714 ± 0,0012  g / mol
O 67,39%, P 32,61%,
Unidades de SI y STP a menos que se indique lo contrario.

Un fosfato es un compuesto derivado del ácido fosfórico H 3 PO 4 por pérdida o sustitución de uno o más de sus hidrógenos, por otros átomos o grupos funcionales.

En química mineral , es una sal resultante del ataque de una base por este ácido, o el anión que forma parte de esta sal. Los iones ortofosfato son las formas químicas más comunes de fosfato en el medio ambiente (H 2 PO 4 - , HPO 4 2- , PO 4 3- ), todos derivados del ácido fosfórico por pérdida de uno a tres d átomos de hidrógeno. Se utilizan en ciertos fertilizantes , detergentes , como inhibidores de corrosión o aditivos alimentarios (luego llevan los números E338 a E343 si son ortofosfatos, E450 a E455 si son polifosfatos). Presentes en exceso en el agua, son fuente de eutrofización (o incluso distrofización ).

En química orgánica , un fosfato es un tipo de compuesto organofosforado  ; los grupos sustituyentes de los hidrógenos del ácido fosfórico pueden ser cadenas de carbono, a veces denominadas fosfato orgánico.

Dosis

La medición de la concentración de fosfato se basa en la aparición del complejo de fosfomolibdato de amonio  (en) que se detecta por espectrofotometría en el ultravioleta. Los iones de cloruro pueden interferir y deben eliminarse hirviendo con dos gotas de ácido nítrico  ; la adición al reactivo molibdico de tartrato mejora la especificidad.

Una solución de ortomolibdato de amonio (NH 4 ) 2 MoO 4 mezclada en caliente con ácido nítrico 6 M y un fosfato, da un precipitado amarillo de fosfomolibdato de amonio (NH 4 ) 3 PO 4 (MoO 3 ) 2 .

Los iones de plata para el fosfato dan un precipitado amarillento de Ag 3 PO 4 . El hidrogenofosfato de sodio da con el ión Ag + un precipitado amarillo de fosfato de plata soluble en ácido nítrico y amoniaco .

AFNOR ha validado un protocolo de dosificación en Francia .

Características moleculares y químicas.

El ion fosfato (u ortofosfato ) es un anión poliatómico con la fórmula química P O 4 3– y una masa molecular de 94,97  daltons . Tiene la forma de un tetraedro cuyos vértices están formados por cuatro átomos de oxígeno que enmarcan un átomo de fósforo .

Este ión, que tiene tres cargas negativas, es la base conjugada del ión hidrogenofosfato HPO 4 2– (o fosfato inorgánico , denominado "  Pi  "), que es en sí mismo la base conjugada del ión dihidrógeno fosfato H 2 PO 4 , que a su vez es la base conjugada del ácido fosfórico H 3 PO 4 . Es una molécula hipervalente que sabe que el átomo de fósforo tiene diez electrones libres en su capa de valencia .

Una sal de fosfato se forma cuando un catión se une a uno de los átomos de oxígeno en el ion fosfato, formando un compuesto iónico . La mayoría de los fosfatos son insolubles en agua en condiciones normales de temperatura y presión , excepto las sales de metales alcalinos .

Solubilizado en una solución acuosa , el fosfato existe en sus cuatro formas dependiendo del nivel de acidez . Pasando de lo más básico a lo más ácido:

El pK tiene pares ácido / base previos es:

El ion fosfato puede formar iones poliméricos , por ejemplo:

Los fosfatos que forman complejos con el calcio (control microambiental durante la (bio) mineralización), se utilizan a menudo en la composición de detergentes . Rico en fósforo , las emisiones de detergente aumentan por tanto el riesgo de eutrofización . Por lo tanto, desde la década de 1980 , los fabricantes han utilizado cada vez más sustitutos, como las zeolitas .

Entrenamiento y despacho

La roca fosfática (roca fosfórica concentrada) es una roca sedimentaria llamada roca exógena  : se forma por concentración cuando los iones fosfato precipitan en la diagénesis de una roca . Las formas biogénicas, como los guanos de aves y murciélagos, se han explotado durante siglos.

Los depósitos más importantes se encuentran en Marruecos , más particularmente en Khouribga , en América del Norte , en la isla de Navasse , en Túnez , en Togo , en Israel , en Jordania , en China y en ciertas islas de Oceanía  : Nauru , Banaba y Makatea y Senegal.

Síntesis industrial

La síntesis de superfosfatos fue desarrollada a escala industrial por los establecimientos Kuhlmann, que ya producían ácido sulfúrico, desde la década de 1840, primero para satisfacer las necesidades de los productores de remolacha en la región de Lille.

Los compuestos de fosfato se pueden sintetizar industrialmente. Por ejemplo, Rhodia produjo tri-polifosfato (TPP) en Francia (en Rouen) en una unidad de fabricación que finalmente se cerró como parte de la reestructuración industrial.

usar

Los fosfatos se utilizan en agricultura y jardinería como fertilizante para proporcionar a las plantas (frutas, verduras, ...) una fuente de fósforo . Con mucho, los fertilizantes fosfatados son el principal uso de los fosfatos. El mineral , generalmente fosfatos de calcio, se puede aplicar directamente a suelos ácidos después de haber sido molido finamente. Teniendo tendencia a recombinarse con el calcio de los suelos, lo que lo hace menos asimilable, debe hacerse más soluble en agua antes de ser utilizado en suelos calcáreos, lo que implica la fabricación de superfosfatos. Dependiendo del origen del mineral y del procesamiento, es probable que estos fertilizantes proporcionen varios nutrientes además del calcio y el fósforo. Estos fertilizantes pueden ser de origen orgánico (polvo de huesos, espinas de pescado, etc.) o inorgánicos (ataque ácido al mineral), que es cada vez más el caso, excepto en la agricultura ecológica donde están prohibidos los fertilizantes de síntesis.

El superfosfato simple se puede utilizar para limpiar la ropa de cama en la cría de animales. Pasa al estiércol y nuevamente juega un papel de fertilizante.
El fosfato también participa en la fermentación del vino (un tipo de fermentación etílica ).

El dihidrogenofosfato H 2 PO 4 - calcio o sodio (E450) y el ácido fosfato de aluminio y sodio (E541) se utilizan asociados con bicarbonato de sodio como agente leudante en horneado. Estuvieron entre las primeras levaduras químicas , no dejan regusto y han reemplazado en gran medida a la levadura de panadería .

Los polifosfatos se utilizan como pretratamiento del agua potable dura o como tratamiento preliminar o principal para el ablandamiento del agua en general. Se han utilizado ampliamente como componentes de detergentes .

Todos los seres vivos contienen fosfatos: así, los grupos fosfato son elementos de la cadena que forma las hélices del ADN , el trifosfato de adenosina sirve como portador de energía en las células, los huesos y los dientes están compuestos esencialmente por hidroxiapatita (Ca 5 (PO 4 ) 3 ( OH)) ...

El ácido fosfórico se obtiene generalmente como subproducto de la fabricación de superfosfatos (ataque del mineral de fosfato por ácido sulfúrico).

El fosfato y sus variantes Bonderizing y PARKERIZING son aceros de tratamientos de protección superficial. Allí se utilizan baños de ácido fosfórico para producir una capa superficial de fosfato de hierro .

Los ortofosfatos (OP) añadidos al agua potable permiten depositar complejos estables (por ejemplo: piromorfita , Pb 5 (PO 4 ) 3 ) con hierro, plomo o cobre resultantes de la corrosión de las tuberías metálicas. Estos complejos forman una película que disminuye el contacto entre el agua (y su oxígeno disuelto) y el metal tóxico de la pared interna de una tubería de metal. A continuación, se inhibe o ralentiza la corrosión. Este tratamiento se ha permitido en el Reino Unido y los Estados Unidos desde la década de 1990 y se ha utilizado en Canadá y, más recientemente, en Irlanda. En Bélgica y la República Checa se utiliza para proteger tuberías de hierro.

En Francia  : Las conexiones públicas y las tuberías internas de plomo deben ser reemplazadas por tuberías sin plomo, para luchar contra el envenenamiento por plomo y cumplir mejor con la normativa sobre potabilidad del agua (directiva europea 98/83 / CE relativa a la calidad de “Agua destinada para consumo humano ” (EDCH). El límite de calidad (LOQ) para el parámetro de plomo (Pb) se redujo de 50 a 25 μg / L en diciembre de 2003, luego de 25 a 10 μg / L en diciembre de 2013, de acuerdo con la OMS recomendaciones Además de estas medidas que requieren mucho tiempo, y bajo ciertas condiciones, una circular permite el tratamiento filmógeno de las tuberías mediante la adición de ácido fosfórico u ortofosfatos (OP) al agua. Esto puede limitar la liberación de plomo de las tuberías, soldaduras y elementos de válvula (el latón contiene plomo). Así, mientras que las tuberías de las casas antiguas a menudo tardaban en cambiarse, de 2003 a 2013, en Francia diez fábricas de producción ction de EDCH probó un tratamiento por OP (con autorización de la prefectura).
En 2012 y 2013, la Dirección General de Salud (DGS) luego el Ministerio de Medio Ambiente y la CGDD solicitaron al Consejo Superior de Salud Pública (HCSP) evaluar la efectividad de este tipo de tratamiento y pronunciarse sobre el interés de continuarlo o generalizarlo a otras redes de distribución (y de ser así y en qué condiciones ... sabiendo que detener el tratamiento quizás también podría desequilibrar los balances microbianos de las biopelículas depositadas en las tuberías). Esta solicitud fue procesada por un grupo de trabajo denominado “  Tratamiento de EDCH por ortofosfatos  ”, cuyas conclusiones fueron adoptadas el 4 de julio de 2017. Además del ácido fosfórico (NF EN 974), los polifosfatos que se pueden utilizar podrían ser según ANSES :

En Francia, la dosis debe ser de 2  mg / L de PO4 ³- mediante inyección continua en agua mientras se forma la capa protectora (hasta 6 meses), luego a 1  mg / L de PO4 ³- ( es decir, 0,3  mg / L de Fósforo). En otros lugares, las tasas varían (según el país) de aproximadamente 0,5 a 6  mg / L de PO4 ³- .

Retroalimentación  : muestran una cierta reducción en la liberación pero no su total eliminación; en un caso estudiado en Francia, 1  mg / L en PO4 ³- fue suficiente para reducir el plomo en solución en un 60% "sin que, sin embargo, el LOQ de 10 μg / L se respete sistemáticamente en el grifo debido a características específicas en ciertas construcciones"  ; el efecto varía mucho en función de la concentración de plomo y la calidad del agua (pH, dureza y TAC y posible presencia de pares galvánicos plomo-cobre, etc.). En febrero de 2007, AFSSA señaló “que la implementación de tratamientos de fosfatación de agua es solo un paso de transición para llevar el contenido de plomo en el agua del grifo del consumidor por debajo de 25 μg / L, pero que no se puede extender más allá de 2013, cuando el límite de 10 μg / L solo se puede respetar sustituyendo estos conductos de plomo en las redes públicas y privadas ” .

Impactos ambientales vinculados a la agricultura

Páginas más generales: Ecología del suelo e Historia de la agricultura # Avances en agronomía, control de fertilización y mecanización en el siglo XIX

Fertilizantes fosfatados utilizados en agricultura

El uso de fertilizantes es una de las bases de la producción agrícola moderna. Junto con el desarrollo de la producción industrial de superfosfatos (Establecimientos Kuhlmann), los fundamentos del uso de fertilizantes son explicados y popularizados por el químico alemán Justus von Liebig en su libro: Química orgánica aplicada a la fisiología vegetal y la agricultura , tema de numerosas reediciones de 1840 a 1865.

Sin embargo, los problemas concretos relacionados con el uso del fósforo (la mayor parte del fósforo en el suelo se encuentra en forma insoluble bloqueado por materia mineral u orgánica) y las peculiaridades de su asimilación son destacados por los agrónomos y agricultores (especialmente por los practicantes de la agricultura orgánica). Se aclararán gradualmente mediante el trabajo sobre la estructura del suelo y las interacciones planta-microorganismo. Estas interacciones siguen siendo objeto de investigación en la actualidad.

Los fosfatos minerales naturales ( guano o fosfatos de origen sedimentario ) han sido ampliamente utilizados, especialmente en suelos ácidos donde el fósforo es uno de los nutrientes limitantes para las plantas pero de fácil movilización. El Minette (mineral de hierro) también contiene apatita; el proceso Thomas permitió obtener acero de calidad y recuperar un coproducto, la escoria Thomas , que contiene silicofosfatos y fosfatos de calcio (12 a 18% de P 2 O 5 ) y otros elementos (magnesio, óxidos metálicos). Fue el fertilizante fosfatado más utilizado en Francia (40% del consumo en 1966). La minette no se explota desde 1997.

En suelos con pH neutro o básico, se utilizan en su lugar los superfosfatos más fácilmente asimilables. Se trata de fosfatos naturales tratados con ácido fosfórico, ácido sulfúrico, amoniaco, según:

Estos fertilizantes se utilizan solos o más a menudo combinados con nitrógeno y potasio ( NPK ).

Consecuencias

La fertilización con fosfato se considera esencial para la agricultura actual. Los fosfatos naturales y los superfosfatos simples están lejos de ser productos puros y pueden contener elementos distintos del fósforo, cuya presencia puede ser deseable o no. Generalmente se considera beneficiosa la presencia de calcio, magnesio, azufre y oligoelementos (zinc, manganeso ...).

Si los fosfatos están normalmente presentes y son útiles en dosis bajas en agua y suelos , su exceso es (junto con el contenido de nitratos ) una de las principales causas de eutrofización o incluso distrofización del medio ambiente. Las transferencias horizontales o verticales de fosfatos al agua superficial varían mucho (de 0,1 a 2,5  kg ha -1  año -1 ), dependiendo del tipo de suelo, su pH , su contenido de humus y sus usos (arado, pradera permanente,  etc. ). En promedio, el 9% del fósforo (la mitad del cual proviene de fertilizantes) es arrastrado por la escorrentía.

Contribuyen en particular a los problemas de turbidez relacionados con el enverdecimiento de las aguas (incluso durante las floraciones planctónicas ) y al fenómeno de las zonas marinas muertas aguas abajo de los estuarios .

También son una fuente de "  metales pesados  ", algunos de los cuales son posiblemente radiactivos , porque el fósforo de origen mineral a menudo, en los fertilizantes, se asocia con metales tóxicos ( cadmio (hasta 87  mg · kg -1 en el fosfal que se produce en Senegal , el cromo (Cr), el mercurio (Hg) y el plomo (Pb), y elementos radiactivos, incluido el uranio (U). Algunos fertilizantes fosfatados contienen cantidades importantes de uranio , por lo tanto, radio y dan lugar a una mayor emanación de gas radón , . los niveles alcanzan hasta 390  mg · kg -1 en los de Tanzania minas de Minjingu contra 12  mg · kg -1 en el Túnez depósito de Gafsa , Sin embargo, fosfato Minjingu es agronómicamente muy eficiente y de bajo costo, y por lo tanto ampliamente utilizado en suelos ácidos cultivados, lo que plantea problemas toxicológicos y de salud relacionados con los trabajadores de la mina y ecotoxicológicos relacionados con la roca estéril (incluida la escoria de yeso fosforado radiactivo). ). El uranio de los fosfatos a veces se recupera y representa alrededor del 5% de la producción mundial de uranio en 2010 ( extracción de uranio ).

El cadmio, cuya fuente principal en un campo suele ser el fertilizante fosfatado, puede plantear problemas graves y es particularmente bioasimilable en el caso de los fertilizantes fosfatados solubles en agua, mientras que, debido a que está ligado a la apatita , es menos soluble en agua. fertilizantes no solubles en agua. Es aún más bioasimilable en suelos ácidos y / o en presencia de una deficiencia en ciertos otros oligoelementos ( hierro, etc.).
Los fertilizantes de fosfato mineral también son muy ricos en flúor (por la apatita que contienen). El fluoruro a menudo excede el 3% del peso total. Este flúor puede provocar fluorosis en los animales que pastan los suelos tratados, probablemente no porque absorban este flúor a través de las plantas (que se bioconcentran poco), sino porque ingieren suelo enriquecido en flúor, con su comida. O lamiendo.

Sin embargo, el tratamiento de la apatita con ácido fosfórico para la fabricación de superfosfatos triples da como resultado la siguiente reacción:

Ca 5 (PO 4 ) 3 F + 7 H 3 PO 4 → 5 Ca (H 2 PO 4 ) 2 + HF, HF reacciona con la sílice del mineral para formar H 2 SiF 6 utilizado en la metalurgia del aluminio , esto lo hace posible restar flúor del fertilizante.

En los cultivos, las plantas normalmente absorben fósforo a través de las micorrizas . Esta ruta concierne a la mayoría de las familias, con la notable excepción de las crucíferas y las quenopodiáceas . Sin embargo, los aportes excesivos de fertilizantes fosfatados llevan a las plantas a prescindir de las micorrizas que se desarrollan poco, lo que deja inoperante esta etapa clave del ciclo del fósforo . Las plantas cultivadas ya no pueden aprovechar este mecanismo y ya no pueden asimilar el fósforo a través de nuevos aportes masivos de fosfatos. El fósforo en exceso de fertilizantes, lixiviado por las lluvias puede acumularse en los sedimentos de los estanques donde permanece disponible más tiempo que los nitratos (más o menos dependiendo de la concentración del sedimento en hierro en forma de oxihidróxido de hierro (III) FeO (OH) y dependiendo del pH de este sedimento.

En Francia, según el informe publicado en 2009 sobre fosfatos en los suelos de la Francia metropolitana, en 2001 se llevaron a los suelos franceses 775.000 toneladas en forma de fertilizantes minerales. Six ans plus tard (en 2007) sur 2 372 points de mesure, près de la moitié des sols analysés en France posent encore problème : 2 % sont de qualité mauvaise, 4 % médiocre, 12 % moyenne, 55 % bonne et 27 % très buena.

Los fertilizantes minerales siguen siendo la principal fuente de fósforo perdido en el agua (50%) en Francia, por delante de los desechos animales (directamente o más a menudo a través de la dispersión de estiércol y purines ) (40%). Le siguen los efluentes urbanos domésticos (alrededor del 5%) e industriales (2%), así como los lodos de depuradora (2%).

En Francia y en otros países europeos, los agricultores compraron menos fertilizantes de fosfato mineral en general (dos tercios menos entre 1972 y 2008 ), pero esta disminución afecta principalmente a áreas de abandono agrícola o agricultura orgánica; los análisis muestran que el contenido de fósforo de determinados suelos agrícolas ha aumentado considerablemente (+ 43% de los cantones estudiados, en particular en Bretaña , Países del Loira , Champaña-Ardenas y Aquitania ). Con el desarrollo de plantas de tratamiento de aguas residuales y la cría sobre el suelo, las cantidades de lodos y estiércol o purines esparcidos han aumentado drásticamente desde la década de 1970. Estos lodos se esparcen con mayor frecuencia, como los excrementos de la avicultura en suelos agrícolas.

Posible evolución

Ver también Mycorrhiza # Aplicaciones

En Francia, las medidas agroambientales como la “  cobertura ambiental permanente  ” o las “  franjas de césped  ” pueden ayudar a atrapar algunos de los fosfatos que fluyen de los campos para que no sean arrastrados por los cursos de agua. Las lagunas naturales también pueden contribuir a tratar mejor los nitratos y el fósforo, posiblemente un tratamiento terciario aguas abajo de una depuradora "clásica".

En vista del conocimiento adquirido sobre los organismos del suelo y, en particular, sobre las micorrizas desde 1990, parece posible un nuevo enfoque de la fertilización con fosfato. Al promover el desarrollo de micorrizas y posiblemente inocularlas , una técnica ya probada, sería posible reducir drásticamente el nivel de fertilización fosfatada. Biólogos como Marc-André Selosse se proponen estudiar precisamente así.

Reciclaje

La recuperación de los fosfatos contenidos en las aguas residuales permite limitar la eutrofización de los cursos de agua y constituye un recurso adicional de fosfatos. Esta actividad, aún poco desarrollada, es objeto de muchas investigaciones. El tratamiento más común consiste en precipitar fósforo; caro, eventualmente podría ser reemplazado o combinado con tratamientos biológicos.

Para las excretas humanas, los inodoros de basura biocontrolados son una alternativa: fáciles de usar y económicos, evitan el problema de la purificación del agua y permiten producir compost económico.

Legislación

Desde 1 er julio de 2007, los fosfatos están prohibidos en los detergentes en Francia. Gracias al uso de otras moléculas activas, la calidad del agua de muchos lagos contaminados por aguas urbanas ha mejorado. La agricultura se ha convertido ahora en la principal fuente de contaminación por fosfatos. En Bélgica y Suiza, los fosfatos ya están prohibidos en los detergentes durante varios años.

Producción y reservas

Los chinos , el Marruecos y el Reino Unidos son los tres principales países productores de fosfato, que representan más del 70% de la producción mundial. El Marruecos representa más de tres cuartas partes de las reservas confirmadas del mundo, la gran parte de su reserva se encuentra fuera del Sahara Occidental . El fósforo es un recurso finito que, en las condiciones actuales de uso, eventualmente experimentará un pico en su explotación .

Producción y reservas mundiales de fosfato de roca por país en 2016
(USGS, 2017)
País Producción
(kt)		 Cuota mundial
(%)		 Reservas
(kt)
Africa del Sur 1.700 0,65 1.5 millones
Argelia 1500 0,57 2,200,000
Australia 2500 0,96 1,100,000
Brasil 6500 2,49 320 000
porcelana 138 000 52,87 3 100.000
Egipto 5.500 2.11 1.200.000
Estados Unidos 27.800 10,65 1,100,000
India 1500 0,57 65.000
Israel 3500 1,34 130.000
Jordán 8.300 3,18 1.300.000
Kazajstán 1.800 0,69 260.000
México 1.700 0,65 30.000
Marruecos y Sahara Occidental 30.000 11.49 50.000.000
Perú 4000 1,53 820 000
Rusia 11,600 4.44 1.300.000
Arabia Saudita 4000 1,53 680.000
Senegal 1250 0,48 50.000
Siria - 0,34 1.800.000
Para llevar 900 0,34 30.000
Túnez 3500 1,34 100.000
Vietnam 2.800 1.07 30.000
Otros países 2410 0,92 810 000
Total 261.000 100 68.000.000

Comercio

Francia es un importador de fosfato.

Importación de fosfato en 2016
País Valor en
miles de euros
importada tonelaje
Lituania 52.433 150,486
Rusia 35,574 105,884
Marruecos 33,449 103 333
Túnez 18,220 48,080
Bélgica 5 399 11 877
México 3 391 8.998
Alemania 1645 4.241
Otros países 4 286 11,479

Notas y referencias

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Ver también

Artículos relacionados

Bibliografía

enlaces externos