Phosphate
Salze der Orthophosphorsäure
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Phosphate sind die Salze und Ester der Orthophosphorsäure (H3PO4).[1] Im weiteren Sinn werden auch die Kondensate (Polymere) der Orthophosphorsäure und ihre Ester Phosphate genannt.[1] Die Ester werden unter Phosphorsäureester beschrieben. Phosphor liegt bei allen diesen Verbindungen in der Oxidationsstufe +5 vor. Sauerstoffverbindungen des Phosphors mit anderen Oxidationsstufen sind unter Phosphor aufgelistet.
| Phosphate |
 Das Anion PO43− |
 Ein Kondensat: Diphosphat |
 Ein Ester: Phosphorsäureester |
Varianten
Primäre, sekundäre und tertiäre Phosphate
Die Salze der dreibasigen ortho-Phosphorsäure (H3PO4) lassen sich in primäre, sekundäre und tertiäre Phosphate einteilen. Bei einwertigen Kationen M′ gelten die Summenformeln entsprechend M′H2PO4, M′2H1PO4 und M′3PO4. Durch die teilweise Neutralisation der Phosphorsäure erhält man Hydrogen- oder Dihydrogenphosphate. Diese können sowohl mit Säuren als auch mit Basen reagieren. Wegen dieser Eigenschaft enthalten viele Pufferlösungen Hydrogenphosphate.
| primäre Phosphate (Dihydrogenphosphate) | sekundäre Phosphate (Hydrogenphosphate) | tertiäre Phosphate |
|---|---|---|
| Natriumdihydrogenphosphat, NaH2PO4 | Dinatriumhydrogenphosphat, Na2HPO4 | Natriumphosphat, Na3PO4 |
| Kaliumdihydrogenphosphat, KH2PO4 | Dikaliumhydrogenphosphat, K2HPO4 | Kaliumphosphat, K3PO4 |
| Calciumdihydrogenphosphat, Ca(H2PO4)2 | Calciumhydrogenphosphat, CaHPO4 | Calciumphosphat, Ca3(PO4)2 |
| Weitere Beispiele siehe Kategorie:Phosphat | ||
Kondensate
Phosphorsäure kann in einer Kondensationsreaktion (Wasserabspaltung) Diphosphorsäure (H4P2O7) bilden. Analog gibt es entsprechende Salze, die Diphosphate (Pyrophosphate) M'4P2O7. Bei einer fortgesetzten Reaktion bilden sich auch poly- oder cyclo-Phosphate. cyclo-Phosphate werden oft Metaphosphate genannt. Polyphosphate und Metaphosphate sind also Polymere der Salze der Phosphorsäure.
, 
...| di-, poly- und cyclo-Phosphate | ||
|---|---|---|
| Name | Reaktion | Struktur des Anions |
| di-Phosphat (auch: Pyrophosphat) |
| |
| tri-Phosphat (allg.: poly-Phosphat) |
 | |
| meta-Phosphat (allg.: cyclo-Phosphat) |
 | |
Pentanatriumtriphosphat (Na5P3O10) und Metaphosphate wurden zur Wasserenthärtung in Waschmitteln verwendet. Als Lebensmittelzusatzstoffe finden z. B. Pentanatriumtriphosphat und Diphosphate Anwendung.
Gewinnung und Abbau
Phosphate werden aus Mineralen wie zum Beispiel Apatit, 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 an Phosphorpentoxid (P2O5) umgerechnet angegeben[2]. Die Hauptvorkommen liegen im nördlichen Afrika (Marokko, Westsahara), Jordanien, Vereinigte Staaten (Florida), Russland (Kola-Halbinsel), Südafrika, Togo und China. Früher fanden sich die Phosphatvorkommen mit der höchsten Konzentration (Nauruit, welches aus Guano entstand) auf der Pazifikinsel Nauru. 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 in Norwegen.[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 war China, gefolgt von Marokko, den USA und Russland. Die Ressourcen von Phosphaten wurden 2022 von der USGS auf 300 Milliarden Tonnen geschätzt, die bekannten Reserven betrugen 71 Milliarden Tonnen. Vor allem Jordanien, Marokko und Saudi-Arabien konnten 2021 ihre Produktion steigern. Weitere Ausbauprojekte laufen derzeit in Brasilien, Kasachstan, Mexiko, Russland und Südafrika, 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 für Uran. Der Cadmiumgehalt der Phosphatlagerstätten ist sehr unterschiedlich. Viele Industrieländer haben bereits einen Grenzwert für Cadmium in Düngemitteln eingeführt.
Einen Überblick über die globalen Abbaumengen gibt folgende Tabelle:[7]
| Land | Abbaumenge in t P2O5 | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 2016 | 2017 | 2018 | 2019 | 2020 | |
 Algerien | 433.200 | 378.100 | 409.400 | 455.100 | 409.900 |
 Australien | 238.494 | 216.670 | 195.720 | 165.750 | 215.700 |
 Brasilien | 2.046.000 | 2.083.000 | 1.980.300 | 1.828.500 | 1.698.100 |
 Chile | 1.740 | 1.190 | 1.160 | 950 | 590 |
 Volksrepublik China | 43.319.400 | 36.939.600 | 28.897.800 | 27.997.200 | 26.679.960 |
 Weihnachtsinsel | 148.120 | 147.890 | 111.780 | 89.010 | 120.750 |
 Kolumbien | 21.030 | 15.870 | 13.240 | 20.480 | 10.670 |
 Kuba | 0 | 0 | 0 | 0 | 460 |
 Ägypten | 741.240 | 1.021.960 | 1.000.000 | 870.000 | 870.000 |
 Finnland | 338.230 | 352.300 | 356.070 | 363.020 | 363.200 |
 Indien | 288.830 | 360.220 | 342.890 | 332.940 | 346.450 |
 Iran | 77.912 | 88.715 | 105.840 | 102.230 | 105.000 |
 Irak | 40.000 | 40.000 | 377.120 | 300.000 | 300.000 |
 Israel | 1.223.600 | 1.032.900 | 1.100.500 | 898.200 | 988.800 |
 Jordanien | 2.557.170 | 2.780.030 | 2.567.170 | 2.951.470 | 2.860.140 |
 Kasachstan | 348.600 | 368.400 | 381.200 | 388.540 | 456.010 |
 Malawi | 430 | 170 | 270 | 300 | 0 |
 Mexiko | 988.280 | 692.150 | 222.500 | 249.520 | 91.240 |
 Marokko | 8.601.000 | 10.490.100 | 10.960.200 | 11.267.500 | 11.959.000 |
 Nauru | 39.800 | 50.900 | 23.000 | 30.600 | 39.400 |
 Pakistan | 20.730 | 11.100 | 12.340 | 14.950 | 15.000 |
 Peru | 4.013.220 | 3.211.140 | 3.917.140 | 4.214.770 | 3.265.790 |
 Philippinen | 8.690 | 8.600 | 1.500 | 200 | 200 |
 Russland | 4.797.000 | 5.148.000 | 5.304.000 | 5.382.000 | 5.382.000 |
 Saudi-Arabien | 1.620.000 | 1.701.000 | 1.827.000 | 1.860.000 | 2.300.000 |
 Senegal | 886.500 | 841.020 | 775.410 | 855.850 | 684.300 |
 Südafrika | 593.800 | 727.800 | 720.400 | 639.000 | 530.800 |
 Sri Lanka | 13.600 | 14.850 | 16.290 | 16.600 | 18.240 |
 Syrien | 0 | 38.700 | 95.000 | 134.000 | 580.000 |
 Tansania | 5.200 | 300 | 650 | 5.050 | 6.240 |
 Thailand | 0 | 2.400 | 0 | 0 | 0 |
 Togo | 306.600 | 266.260 | 370.810 | 260.320 | 488.900 |
 Tunesien | 1.062.400 | 1.145.300 | 812.800 | 1.124.700 | 911.800 |
 Türkei | 231.800 | 0 | 0 | 94.600 | 261.900 |
 Vereinigte Staaten | 7.615.000 | 7.840.000 | 7.250.000 | 6.547.000 | 6.604.000 |
 Usbekistan | 170.000 | 170.000 | 150.000 | 150.000 | 150.000 |
 Venezuela | 42.900 | 19.320 | 16.800 | 21.500 | 20.000 |
 Vietnam | 942.750 | 1.376.400 | 1.299.660 | 1.346.880 | 1.316.850 |
 Simbabwe | 8.500 | 18.000 | 15.400 | 8.100 | 13.500 |
| Summe | 83.791.766 | 79.600.355 | 71.631.360 | 70.986.830 | 70.064.890 |
Die früher in den Industrieländern praktizierte Nutzung von Thomasmehl (einem Nebenprodukt der Eisenerz-Verhüttung) ist auf Grund der hohen Chrombelastung aus Gesundheitsgründen ausgeschlossen. Eine weitere Möglichkeit ist, die im Klärschlamm 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 und endokrine 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 der Klärschlammverordnung 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 der Schweiz wurden entsprechende Überlegungen angestellt.[11] Die Schweizer Düngeverordnung 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]
Chemische Eigenschaften
Anionen und pH-Werte
In wässriger Lösung existieren Phosphat-Anionen in drei Formen. Unter stark basischen Bedingungen liegt das Phosphat-Anion hauptsächlich als (PO43−) vor, während unter schwach basischen Bedingungen das Hydrogenphosphat-Anion (HPO42−) dominiert. Unter schwach sauren Bedingungen liegt hauptsächlich das Dihydrogenphosphat-Anion (H2PO4−) vor. In stark saurer wässriger Lösung ist Phosphorsäure (H3PO4) die Hauptform.
Es liegen also drei pH-abhängige Gleichgewichtsreaktionen vor:
, 
...| Gleichgewichtsreaktionen | Gleichgewichtskonstante bei 25 °C | |
|---|---|---|
| (1) | ||
| (2) | ||
| (3) | ||
 | ||
![{\displaystyle K_{a2}=\mathrm {\frac {[HPO_{4}^{2-}][H_{3}O^{+}]}{[H_{2}PO_{4}^{\,-}]}} \simeq 6{,}2\times 10^{-8}}](http://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7f27bd3b099cf3f4c337951c1f6ba691be8c0748)
![{\displaystyle K_{a3}=\mathrm {\frac {[PO_{4}^{3-}][H_{3}O^{+}]}{[HPO_{4}^{2-}]}} \simeq 2{,}14\times 10^{-13}}](http://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/787b16a7960ba1083bae5e371cf83e4ed451a828)
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.
Allgemeines
Mit Ausnahme der Alkali- und Ammonium-Verbindungen sind die meisten Phosphate schlecht wasserlöslich.
Phosphate können Verbindungen mit Schwermetallen eingehen. Diese Eigenschaft macht die Verwendung von Phosphaten problematisch, da Phosphate Schwermetalle in Klärschlamm mobilisieren, auswaschbar machen, können.
Zum überwiegenden Teil enthalten Lagerstätten von Phosphatverbindungen auch Schwermetalle, wie z. B. Cadmium und Uran.
Bedeutung für die Ernährung
In der menschlichen Ernährung spielt Phosphat eine wesentliche Rolle im Energiestoffwechsel und im Knochenumbau. Es verbindet sich mit Calcium zum festen Calciumapatit. Der Phosphatspiegel steht im engen Zusammenhang mit dem Calciumspiegel. Die Bedeutung von Phosphat für das Auftreten von Hyperaktivität bei Kindern gilt als widerlegt.[13]
Bestimmte Krankheitsbilder wie beispielsweise chronische Niereninsuffizienz (auch bei Dialysebehandlung), Osteoporose und Urolithiasis (Calciumphosphatsteine) bedürfen jedoch einer phosphatarmen Ernährung.[14][15] (Hauptartikel Hyperphosphatämie)
Verwendung
Dünger
Die Eignung von Phosphaten für die Düngung wurde Ende des 19. Jahrhunderts entdeckt: bei der Eisen- und Stahlerzeugung nach dem Thomas-Verfahren fiel als Nebenprodukt das phosphatreiche Thomasmehl an, das sich als hervorragender Dünger erwies.[16]
Die Landwirtschaft ist mit 83 % der größte Verbraucher an Phosphor in Deutschland. Dieser dient hauptsächlich zur Herstellung von Düngemitteln (siehe Phosphatdünger, Superphosphat, Doppelsuperphosphat). 2019 wurden rund 200.000 t verarbeitet.[17]
In Deutschland haben 2015 rund 55 % aller etwa 272.000 Landwirtschaftsbetriebe die flüssigen Wirtschaftsdünger Gülle, Jauche und flüssige Gärrest aus der Biogasanlage auf ihre Betriebsflächen ausgebracht (rund 66 % auf Ackerland und 33 % auf Dauergrünland). Die Gesamtmenge an flüssigem Wirtschaftsdünger lag bei circa 204 Millionen m³. Hinzu kommt noch, dass etwa 36 % der landwirtschaftlichen Betriebe um die 20 Millionen Tonnen Festmist ausbrachten.[18] Der Phosphatgehalt der natürlichen Dünger schwankt je nach Tierart, Fütterung, der Dauer und Art der Lagerung sowie der Einleitung von Niederschlagswasser und von Futterresten und Einstreu.[19] Der Phosphatgehalt (P2O5) von Mastschweinegülle liegt bei etwa 2–4 kg/m³ und bei Milchvieh- und Rindergülle bei etwa 1–2 kg/m³.[19]
Durch Erosion von landwirtschaftlichen Flächen gelangen Phosphate an Tonminerale gebunden in Flüsse und Seen und von dort weiter in die Meere. In limnischen als auch marinen Ökosystemen tragen sie erheblich zur Eutrophierung bei. Phosphate sind unter anderem ein Auslöser von Blaualgenblüten (Cyanobakterien) in der Ostsee.
Waschmittel- und Spülmittelzusatz
Triphosphate wie Pentanatriumtriphosphat wurden früher vermehrt in Waschmitteln eingesetzt. Ihr Einsatz ist inzwischen in Deutschland (seit den 1990er Jahren) und der Schweiz verboten.[20] Die Phosphate dienen der Enthärtung des Wassers, indem sie die Härtebildner Calcium und Magnesium binden. Ebenso binden sie Metallbestandteile des Schmutzes. Weiter verhindern sie die Wiederanlagerung des gelösten Schmutzes an Textilien sowie an die Waschmaschine und unterstützen signifikant die Waschwirkung der Tenside.[21]
Die Verwendung von Tripolyphosphaten als Enthärter ist in Maschinengeschirrspülmitteln immer noch erlaubt (Stand 2025). Sie halten Schmutzpartikel in Lösung und verhindern, dass diese sich auf dem Geschirr absetzen.[20] Als Alternative zu den Phosphaten wird immer häufiger Zeolith A eingesetzt.[22] Tests der Stiftung Warentest im Jahr 2015 und 2016 haben gezeigt, dass einige phosphatfreie Spülmaschinentabs bereits eine vergleichbar gute Reinigungswirkung erzielen wie phosphathaltige Mittel.[23][24] Die Detergenzienverordnung (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.[25]
1975, in der Hochzeit des Waschmittelverbrauchs und des Phosphateinsatzes, gelangten in den alten Bundesländern etwa 275.000 t Phosphat in die Gewässer. Dies entspricht 42 % der damaligen Gesamtphosphatbelastung. 1988, als die 1980 eingeführte Phosphat-Höchstmengenverordnung in Kraft war, ging der Phosphateintrag auf etwa 40.000 t zurück, was 10 % des Gesamteintrags entspricht.[21][26]
Lebensmittelzusatzstoff
Natriumphosphat (E 339), Kaliumphosphat (E 340), Calciumphosphat (E 341), Magnesiumphosphate (E 343) und die Salze der ortho-Phosphorsäure Diphosphat (E 450), Triphosphat (E 451) und Polyphosphat (E 452) sind als Lebensmittelzusatzstoffe zugelassen und werden als Konservierungsmittel, Säuerungsmittel, Säureregulator, als Trennmittel und Emulgator eingesetzt. Phosphat wird für nichtalkoholische, aromatisierte Getränke (Colagetränke; in diesen auch als Phosphorsäure (E 338)), sterilisierte und ultrahocherhitzte Milch, eingedickte Milch, Milch- und Magermilchpulver und als technischer Hilfsstoff (verhindert das Zusammenklumpen von rieselfähigen Lebensmitteln) verwendet. Phosphate spielen auch bei der Lebensmittelherstellung (vor allem in der Fleischindustrie) eine sehr große Rolle und sind Komponenten des Schmelzsalzes für Schmelzkäse.
Eine erhöhte Phosphatzufuhr über die Nahrung steigert den Blutdruck und die Pulsrate auch bei gesunden jungen Erwachsenen.[27][28]
Sonstige Verwendungen
Futtermittel, Korrosionsschutzmittel (siehe Phosphatierung); Flammschutzmittel; Puffersubstanz für neutralen pH-Bereich (s. o.), Akkumulatoren (Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator).
32P, ein radioaktives Isotop des Phosphors, wird in Form von Dihydrogenphosphat (oder Natriumphosphat) vielseitig in der Forschung und in der nuklearmedizinischen Therapie speziell bei Polycythaemia vera eingesetzt (Radiophosphortherapie).
Umweltbelastung durch Phosphate
Trotz moderner Kläranlagen gelangen Phosphate immer noch durch Abwässer aus Haushalten und Industrie in die Gewässer. Auch Niederschlagswasser schwemmt Phosphate aus Düngemitteln von den landwirtschaftlichen Flächen in die umgebenden Seen und Bäche. Dort führen sie zur Nährstoffanreicherung bis hin zur möglichen Überdüngung der Gewässer (siehe Eutrophierung). Die Überdüngung hat ein übermäßiges Wachstum von Algen und Wasserpflanzen zur Folge (siehe Algenblüte). Sterben diese ab, werden sie unter großem Sauerstoffverbrauch von Mikroorganismen zersetzt. Dieses Sauerstoffdefizit wirkt sich negativ auf das gesamte aquatische Ökosystem aus und kann in Extremsituationen zu ausgedehntem Fischsterben sowie zum Absterben aller anderen aquatischen Organismen führen. Das „Gewässer kippt um“.[21][29]
Um die Überdüngung zu vermeiden, muss vor allem die Belastung durch Phosphor verringert werden. So dürfen nach der Düngeverordnung in Deutschland keine Gülle oder phosphathaltige Dünger auf Böden ausgebracht werden, die nach der vorausgegangenen Bodenuntersuchung bereits hohe Phosphatgehalte aufweisen.[29] Nach der europäischen Wasserrahmenrichtlinie müssen alle Gewässer bis 2027 einen guten ökologischen Zustand erreichen. In Deutschland haben zwei Drittel aller Gewässer dafür zu hohe Phosphatgehalte.[29] An mehr als der Hälfte aller Messtellen an deutschen Flüssen werden zu hohe Phosphatgehalte festgestellt.[29]
Da der Rohstoff weltweit knapp wird, greift man auf qualitativ immer schlechtere Vorkommen zurück. So ist das Phosphatmineral aus der Westsahara stark mit Cadmium belastet. Durch den Import nach Europa kam es in der Vergangenheit bereits zu erheblichen Belastungen europäischer Ackerflächen mit dem giftigen Schwermetall. Gerade bei der sonst so gesunden pflanzlichen Ernährung haben Menschen ein hohes Risiko, die empfohlenen Grenzwerte für Cadmium zu überschreiten.[30]
Geopolitische Bedeutung
Phosphatmineralien stammen weltweit zu 80 % aus den Staaten Marokko, China, USA und Russland. Auch dort sind die Vorräte in den Lagerstätten begrenzt. Unter den gegenwärtigen Bedingungen geht man davon aus, dass die Vorkommen in 150 bis 300 Jahren erschöpft sein werden. Für die Versorgung der Europäischen Union stellt sich in der Zukunft die Frage der politischen Stabilität der Herkunftsländer und die möglicher Preisanstiege für den knapper werdenden Rohstoff. Phosphat wird deshalb von der deutschen Bundesregierung als kritische Ressource angesehen. Besondere Bedeutung erlangen Verfahren zur Rückgewinnung und zur sparsamen Verwendung. In der Schweiz und Deutschland ist die Rückgewinnung von Phosphor aus dem Klärschlamm gesetzlich geregelt (Klärschlammverordnung).[30]
Nachweis
Nachweisreaktionen von Phosphaten werden unter Phosphor beschrieben.
Weblinks
- Phosphorama – Ohne Phosphor kein Leben – Artikelserie mit Hintergrund-Recherchen rund um die lebenswichtige Ressource Phosphor bei RiffReporter.de (2021)