Biochemie der Phosphate (Plinke - Runde
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Biochemie der Phosphate Biochemie 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 Aspekt 2 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 Phosphatgewinnung 1.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 Schlackenbildner g ( ) Ca2(PO4)2 + 3 SiO2 + 5C + 1542kJ → 3CaSiO3 + 5CO + 2P • Der weiße Phosphor ist durch die hohe Temperatur gasförmig, wird kondensiert und unter Wasser gelagert kondensiert 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 P205 + 3H 3H20 → 2 H 0 → 2 H3PO4 • Je nach Reaktionsbedingungen hat so hergestellte Phosphorsäure Je nach Reaktionsbedingungen hat so hergestellte Phosphorsäure Lebensmittelqualität Technische Phosphorsäure Technische Phosphorsäure • Technische Phosphorsäure wird z.B. im schwefelsauren p Aufschlussverfahren mit Apatit hergestellt • • • Apatit A i Hydroxylapatit Fluorapatit • 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 durch Wasserunlösliches CaSO wird abfiltriert und die Phosphorsäure durch Destillation aufkonzentriert Ca5(PO C ( O4)3(X) Ca5(PO4)3(OH) Ca5(PO4)3F X OH Cl X=OH, F, Cl 1.3 Herstellung von Phosphatdüngern • • Tertiäre Phosphate sind schlecht wasserlöslich und somit für Pflanzen h h d hl h l l h d f fl schlecht bioverfügbar, jedoch ist Phosphor essentiell Tert. Phosphate müssen daher zur Nutzung als Düngemittel in eine p g g wasserlösliche Form überführt werden • Bei der unvollständigen Umsetzung mit Schwefelsäure entsteht id ll ä di i S h f lä h „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) Düngemittel • Um einen höheren Phosphatgehalt zu erzeugen, werden Dünger anstelle h h h h h l d ll 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 zB Phosphate 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 Energiespeicher Phosphat als Energiespeicher ‐ATP ist die Universelle Speicherform für chemische Energie in Zellen p g ‐Durch Hydrolyse wird ATP gespalten : 1.Energie wird frei. Es entsteht eine Phosphat Gruppe und ADP 32 kj/mol 2.Energie wird frei. Es entsteht Pyrophosphat und AMP ‐ATP Adenosintriphosphat C10H16N5O13P3 ‐ADP ADP Adenosindiphosphat C10H15N5O10P2 ‐AMP Adenosinmonophosphat C10H14N5O7P ADP ATP Prozess ADP ATP Prozess ‐Durch Dissimilationsvorgänge (Abbau von energiereichen zu energiearmen h l ( bb h Substanzen) wird Energie frei ‐Diese wird genutzt um an ADP einen weiteren Phosphatrest zu knüpfen g p p Baustein der DNA RNA Baustein der DNA RNA ‐Die Ketten des DNA‐Strangs bestehen aus abwechselnd angeordneten d b h b h l d d Phosphorsäureresten, dem sog. Phosphatdesoxyribose Rückgrat DNA RNA Als Blutpuffer Als Blutpuffer ‐Kohlensäure‐Bikarbonat‐System ca. 75% der Gesamtpufferkapazität hl k b d ff k Hämoglobin ca. 25% der Gesamtpufferkapazität ca 25% der Gesamtpufferkapazität ‐Hämoglobin ‐Phosphatpuffer < 1% der Gesamtpufferkapazität ‐ Der pH‐Wert des Blutes liegt bei 7,4(7.35‐7,45) Calciumphosphate ‐Hydroxylapatit d l Ca5(PO ( 4)3(OH) ( ) ist Baustoff für Knochen und Zähne ff f h d h Knochen = 50% Hydroxylapatit = 50% Hydroxylapatit ‐Knochen ‐Zahnbein = 70% Hydroxylapatit ‐Zahnschmelz= 97% Hydroxylapatit ‐Zahnschmelz ist die härteste Substanz im Körper Weißer Phosphor Weißer Phosphor ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 50mg wirken tödlich beim Menschen k dl h b h gestörte Stoffwechselvorgänge hochgiftige Phosphane hochgiftige Phosphane Kupfersulfat(II)‐Lösung bildet Kupfer(I)‐phosphid Kiefer‐Nekrosen bei Streichholzproduktionen Eutrophierung. Worum handelt es sich ‐Anreicherung von Nähstoffen in einem Ökosystem h h ff Ök ‐Durch Zufluss von Abwässer ‐Intensiv Intensiv gedüngten landwirtschaftlichen Nutzflächen gedüngten landwirtschaftlichen Nutzflächen ‐Seen sind eher betroffen als Flüsse Folgen ‐erhöhte Primärproduktion h h d k ‐mehr Konsumenten ‐erhöhter erhöhter Sauerstoffverbrauch Sauerstoffverbrauch ‐Phosphatmobilisierung ‐Abbau von aeroben Bakterien stoppt ‐Zersetzungsprozesse durch aerobe Bakterien ‐Gewässer kippt um Quellenangaben • • • Quelle: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 101. Ausgabe, Seite795ff ll h b hd h h b ff Uni‐ duesseldorf.de/MathNat/Biologie/Didaktik/Fotosynthese/dateien/atp.htm / / g / / y / / p seilnacht.com/Lexikon/Gewaess.htm