Biochemie der PhosphateBiochemie der Phosphate

• 1.Industrielle Phosphatgewinnung• 1.1 Darstellung von Phosphor• 1 2 Darstellung von Phosphorsäure• 1.2 Darstellung von Phosphorsäure• 1.3 Herstellung von Phosphatdüngern

• 2 Biologischer Aspekt2.Biologischer Aspekt• 2.1 Phosphat als Energiespeicher• 2.2 Phosphat als Bauteil der DNA/RNA• 2.3 Phosphat als Blutpuffer

• 3.Eutrophierung• 3.1 Worum handelt es sich• 3.2 Welche Folgen entstehen

1 Industielle Phosphatgewinnung1.Industielle Phosphatgewinnung

• 1.1 Darstellung von Phosphor

• Reiner Phosphor wird aus phosphathaltigen Mineralien (Apatit, Phosphorit) mit Koks als Reduktionsmittel im Lichtbogenofen hergestellt. Zuschlagstoff ist außerdem Kies (SiO2) als Schlackenbildnerg ( )

Ca2(PO4)2 + 3 SiO2 + 5C + 1542kJ → 3CaSiO3 + 5CO + 2P

• Der weiße Phosphor ist durch die hohe Temperatur gasförmig, wird kondensiert und unter Wasser gelagertkondensiert und unter Wasser gelagert

1.2 Darstellung von Phosphorsäure

• Thermische Phosphorsäure

• Hochreine thermische Phosphorsäure wird aus Phosphorpentoxid• Hochreine thermische Phosphorsäure wird aus Phosphorpentoxid• hergestellt, hierzu wird Phosphor erst verbrannt und das entstehende 

Phosphorpentoxid mit Wasser umgesetzt

4P+ 5O2 → 2 P2O5

P 0 3H 0→ 2 H POP205 + 3H20 → 2 H3PO4

• Je nach Reaktionsbedingungen hat so hergestellte PhosphorsäureJe nach Reaktionsbedingungen hat so hergestellte Phosphorsäure Lebensmittelqualität 

Technische PhosphorsäureTechnische Phosphorsäure • Technische Phosphorsäure wird z.B. im schwefelsauren p

Aufschlussverfahren mit Apatit hergestellt

A i C ( O ) (X) X OH Cl• Apatit Ca5(PO4)3(X) X=OH, F, Cl• Hydroxylapatit Ca5(PO4)3(OH)• Fluorapatit Ca5(PO4)3FFluorapatit Ca5(PO4)3F

• Der Anteil an Calciumphosphat im Apatit reagiert mit der Schwefelsäure

• Ca3(PO4)2 + 3H2SO4 → 3CaSO4 +2H3PO4

• Als Nebenprodukte entstehen unter anderem Flusssäure (bei Fluorapatit)• Wasserunlösliches CaSO4 wird abfiltriert und die Phosphorsäure durchWasserunlösliches CaSO4 wird abfiltriert und die Phosphorsäure durch 

Destillation aufkonzentriert

1.3 Herstellung von Phosphatdüngern

h h d hl h l l h d f fl• Tertiäre Phosphate sind schlecht wasserlöslich und somit für Pflanzen schlecht bioverfügbar, jedoch ist Phosphor essentiell

• Tert. Phosphate müssen daher zur Nutzung als Düngemittel in eine p g gwasserlösliche Form überführt werden

i d ll ä di i S h f l ä h• Bei der unvollständigen Umsetzung mit Schwefelsäure entsteht „Superphosphat“, ein Gemisch aus CaSO4 und Ca(PO4)2 mit einen Phosphorgehalt von 16%‐22%

• Ca3(PO4)2 + 2 H2SO4 → Ca(PO4)2 + CaSO4

• Dies enthält jedoch immer noch in Wasser schwerlösliches CaSO4 (Gips)

DüngemittelDüngemittelh h h h h l d ll• Um einen höheren Phosphatgehalt zu erzeugen, werden Dünger anstelle 

von Schwefelsäure auch mit Phosphorsäure direkt hergestellt

• Ca3(PO4)2 + 4 H3PO4 → 3 Ca2(H2PO4)2

• Diese Verbindung hat einen Phosphorgehalt von ca. 35% und wird als „Doppelsuperphosphat“ bezeichnet

• Phosphate werden in vielen Verbindungen als Düngemittel eingesetzt zBPhosphate werden in vielen Verbindungen als Düngemittel eingesetzt, zB. entsteht bei der Reaktion von Phosphorsäure mit Ammoniak das Diammoniumhydrogenphosphat, ein Stickstoff‐Phosphordünger

• NH3 + H3PO4 → NH4(H2PO4)

Phosphat als EnergiespeicherPhosphat als Energiespeicher‐ATP ist die Universelle Speicherform für chemische Energie in Zellenp g‐Durch Hydrolyse wird ATP gespalten :

1.Energie wird frei. Es entsteht eine Phosphat Gruppe und ADP 32 kj/mol2.Energie wird frei. Es entsteht Pyrophosphat und AMP

‐ATP  Adenosintriphosphat C10H16N5O13P3

ADP Adenosindiphosphat C H N O P‐ADP  Adenosindiphosphat C10H15N5O10P2

‐AMP  Adenosinmonophosphat C10H14N5O7P

ADP ATP ProzessADP ATP Prozessh l ( bb h‐Durch Dissimilationsvorgänge (Abbau von energiereichen zu energiearmen 

Substanzen) wird Energie frei‐Diese wird genutzt um an ADP einen weiteren Phosphatrest zu knüpfeng p p

Baustein der DNA RNABaustein der DNA RNAd b h b h l d d‐Die Ketten des DNA‐Strangs bestehen aus abwechselnd angeordneten 

Phosphorsäureresten, dem sog. Phosphatdesoxyribose RückgratDNA RNA

Als BlutpufferAls Blutpufferhl k b d ff k‐Kohlensäure‐Bikarbonat‐System ca. 75% der Gesamtpufferkapazität

‐Hämoglobin ca 25% der GesamtpufferkapazitätHämoglobin ca. 25% der Gesamtpufferkapazität

‐Phosphatpuffer < 1% der Gesamtpufferkapazität

‐ Der pH‐Wert des Blutes liegt bei 7,4(7.35‐7,45)

CalciumphosphateCalciumphosphated l ( ) ( ) ff f h d h‐Hydroxylapatit Ca5(PO4)3(OH) ist Baustoff für Knochen und Zähne

‐Knochen = 50% HydroxylapatitKnochen = 50% Hydroxylapatit‐Zahnbein = 70% Hydroxylapatit‐Zahnschmelz= 97% Hydroxylapatit‐Zahnschmelz ist die härteste Substanz im Körper

Weißer PhosphorWeißer Phosphork dl h b h‐ 50mg wirken tödlich beim Menschen

‐ gestörte Stoffwechselvorgänge‐ hochgiftige Phosphanehochgiftige Phosphane‐ Kupfersulfat(II)‐Lösung bildet Kupfer(I)‐phosphid‐ Kiefer‐Nekrosen bei Streichholzproduktionen

Eutrophierung.Worum handelt es sich

h h ff Ök‐Anreicherung von Nähstoffen in einem Ökosystem‐Durch Zufluss von Abwässer‐Intensiv gedüngten landwirtschaftlichen NutzflächenIntensiv gedüngten landwirtschaftlichen Nutzflächen‐Seen sind eher betroffen als Flüsse

FolgenFolgenh h d k‐erhöhte Primärproduktion

‐mehr Konsumenten‐erhöhter Sauerstoffverbraucherhöhter Sauerstoffverbrauch‐Phosphatmobilisierung‐Abbau von aeroben Bakterien stoppt‐Zersetzungsprozesse durch aerobe Bakterien‐Gewässer kippt um

QuellenangabenQuellenangabenll h b h d h h b ff• Quelle: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 101. Ausgabe, Seite795ff

• Uni‐duesseldorf.de/MathNat/Biologie/Didaktik/Fotosynthese/dateien/atp.htm/ / g / / y / / p

• seilnacht.com/Lexikon/Gewaess.htm