磷酸根离子

磷酸盐（phosphate，符号：PO3−4），是磷酸的盐，在无机化学、生物化学及生物地质化学上是很重要的物质。磷酸盐离子是一个多原子的离子，其实验式是PO43−，而分子量是94.97。它包含一个磷原子，并由四个氧原子所包围，形成一个正四面体。磷酸盐离子带有-3的形式电荷，且是磷酸氢盐离子（HPO42−）的共轭碱；磷酸氢盐离子则是磷酸二氢盐离子（H2PO4−）的共轭碱；而磷酸二氢盐离子又是磷酸（H3PO4）的共轭碱。它是一个超价分子（磷原子在其价壳层有着10个电子）。如果磷酸盐作为一种有机磷化合物就被称为磷酸酯，其化学式为OP（OR）3。除了一些碱金属外，大部分磷酸盐，在标准状态下，都是不可溶于水的。在稀释的水溶液中，磷酸盐以四种形式存在。在强碱环境下，磷酸盐离子（PO43−）会较多；而在弱碱的环境下，磷酸氢盐离子（HPO42−）则较多。在弱酸的环境下，磷酸二氢盐离子（H2PO4−）较为普遍；而在强酸的环境下，则水溶的磷酸（H3PO4）是主要存在的形式。更精确的就是以下三种平衡反应：在25℃的环境下有以各种不同的酸度系数（mol/L）：若在强碱的pH值下（pH=13），可以发现：[ H 2 P O 4 − ] [ H 3 P O 4 ] ≃ 7.5 × 10 10  ,  [ H P O 4 2 − ] [ H 2 P O 4 − ] ≃ 6.2 × 10 5  ,  [ P O 4 3 − ] [ H P O 4 2 − ] ≃ 2.14 {displaystyle {frac {}{}}simeq 7.5times 10^{10}{mbox{ , }}{frac {}{}}simeq 6.2times 10^{5}{mbox{ , }}{frac {}{}}simeq 2.14}可见只有磷酸盐（PO43−）及磷酸氢盐（HPO42−）是主要的成分。若在中和的pH值下（例如原生质，pH=7.0），可以发现：[ H 2 P O 4 − ] [ H 3 P O 4 ] ≃ 7.5 × 10 4  ,  [ H P O 4 2 − ] [ H 2 P O 4 − ] ≃ 0.62  ,  [ P O 4 3 − ] [ H P O 4 2 − ] ≃ 2.14 × 10 − 6 {displaystyle {frac {}{}}simeq 7.5times 10^{4}{mbox{ , }}{frac {}{}}simeq 0.62{mbox{ , }}{frac {}{}}simeq 2.14times 10^{-6}}所以只有磷酸二氢盐（H2PO4−）及磷酸氢盐（HPO42−）离子是主要成分（当中62%是H2PO4−，38%是HPO42−）。需要留意的是在细胞外体液（其pH约为7.4），这个比例会倒转（61%是HPO42−，39%是H2PO4−）。若在强酸的pH值下（pH=1），可以发现：[ H 2 P O 4 − ] [ H 3 P O 4 ] ≃ 0.075  ,  [ H P O 4 2 − ] [ H 2 P O 4 − ] ≃ 6.2 × 10 − 7  ,  [ P O 4 3 − ] [ H P O 4 2 − ] ≃ 2.14 × 10 − 12 {displaystyle {frac {}{}}simeq 0.075{mbox{ , }}{frac {}{}}simeq 6.2times 10^{-7}{mbox{ , }}{frac {}{}}simeq 2.14times 10^{-12}}可见H3PO4，相较于H2PO4−是最多的。实际上HPO42−及PO43−会接近消失。磷酸盐可以形成聚合离子的二磷酸盐（亦即焦磷酸盐，P2O74−）、三磷酸盐（P3O105−）等。多种的偏磷酸盐离子都有着一个实验式的PO3−，且是在普遍在多种化合物。磷酸盐矿产可以包含大量自然产生的铀。若吸收了这些土壤改良剂可以引致农作物含有铀成分。磷酸盐是元素磷自然产生的形态，在多种磷酸盐矿物中可以找到。元素的磷或是磷化物是很难发现的（只有极少量在陨石中可以找到）。在矿物学及地质学，磷酸盐是指含有磷酸盐离子的石或矿石。在北美洲最大型的磷矿粉矿床位于美国的佛罗里达州中部、爱德荷州的索达斯普陵、北卡罗莱那州沿岸区域。而其次的是位于蒙大拿州、田纳西州、乔治亚州及南卡罗莱那州近查尔斯顿。瑙鲁这个细少的岛国就曾经是有着大量高质素的磷酸盐矿产，但现时已被大量挖掘。磷矿粉亦可以在纳弗沙岛、摩洛哥、突尼斯、以色列、多哥及约旦找到，这些地方亦有大量的磷酸盐矿业。在生物中，磷是以溶液中游离的磷酸盐离子的形态出现，称为“无机磷酸盐”，这是要与其他在磷酸酯中的磷酸盐作出区别的。无机磷酸盐是会以Pi来表示，它可以是由焦磷酸盐（以PPi来表示）水解而得：但是，磷酸盐最普遍是以一磷酸腺苷（AMP）、二磷酸腺苷（ADP）、三磷酸腺苷（ATP）、脱氧核糖核酸（DNA）及核糖核酸（RNA）的形式出现，且可以经由水解ADP或ATP而被释放出来。对于其他的二磷或三磷核苷亦有相似的反应。在ADP及ATP，或其他二磷及三磷核苷中的磷酸酐键，包含着大量的能量，所以它们在生物中有着重要的地位。它们一般会被称为高能磷酸磷，就像在肌肉组织中的磷酸肌酸一样。一些如膦的化合物在有机化学上亦会被使用，但它却似乎没有自然的相应物。由于磷酸盐对生物的重要性，所以在生态学上，它是高度被采集。因此，它在环境中往往是限量试剂，而它的可得性则决定生物成长的速度。将大量的磷酸盐加入缺乏磷酸盐的环境或微生物环境中，会对生态有着重大的影响。例如，某一种生物的暴涨会使其他生物死亡。另外耗氧的种群也会消亡（参见富营养化）。在污染的问题下，磷酸盐是总溶解固体量（一种主要的水质指标）的主要成分。磷酸盐一般会用在清洁剂中作为软水剂，但是因为藻类的繁荣衰退周期会影响磷酸盐在分水岭的排放，所以在某些地区磷酸盐清洁剂是受到管制的。在农业上，磷酸盐是植物的三种主要养份之一，且是肥料的主要成分。磷矿粉是从沉积岩的磷层中开采。以前它在开采后不用加工便可使用，但现时未加工的磷酸盐只会用在有机耕种上。一般它都是会化学加工制成过磷酸石灰、重过磷酸钙或磷酸二氢铵，它们的浓度都较磷酸盐高，且较易溶于水，所以植物可以较快吸收。肥料级数一般有三个数字：第一个是指氮的数量，第二个是指磷酸盐的数量（以P2O5作基准），而第三个是指碱水（以K2O作基准）。所以一个10-10-10的肥料就每种成分各有10%，而其他的则是填充物。从过度施肥的农地径流的磷酸盐会是富营养化、赤潮及其后缺氧的起因。这就像磷酸盐清洁剂一样会引起鱼类及其他水生生物的缺氧。