Fosfori

Fosfori on yksi maapallon yleisimmistä alkuaineista. Sen kemiallinen merkki on P () ja järjestysluku 15. Se on moniarvoinen epämetalli, jota löytyy yleisesti epäorgaanisena fosfaattina ja kaikista elävistä soluista, mutta sitä ei koskaan tavata luonnossa vapaana alkuaineena. Fosforin löytänyt alkemisti Hennig Brand löysi aineen sattumalta, kun hän haihdutti tynnyreissä virtsaa ja keräsi pohjalle jääneen sakan ja tiivisti tislauksessa syntyneen nesteen kylmässä vedessä kiinteäksi.
Vapaana alkuaineena esiintyvä valkoinen fosfori on erittäin myrkyllistä, mutta eräät sen yhdisteet ovat elämälle välttämättömiä.
Ominaisuudet.
Allotroopit.
Vapaana alkuaineena fosfori voi esiintyä neljässä tai useammassa allotrooppisessa muodossa: valkoinen (tai keltainen), punainen ja musta (violetti). Yleisimmät muodot ovat punainen ja valkoinen fosfori.
Yleisin muoto fosforista on valkoinen fosfori. Se koostuu neliatomisista P4-molekyyleistä ja on vahamainen valkoinen kiinteä aine, jolla on luonteenomainen vastenmielinen haju, mutta puhtaana väritön ja läpinäkyvä. Tämä epämetallinen alkuaine ei ole liukoinen veteen, mutta liukenee hiilidisulfidiin. Valkoinen fosfori on hyvin reaktiivinen aine. Se hehkuu heikosti, koska se yhdistyy happeen, puhtaana se syttyy itsestään ilmassa ja palaa fosforipentoksidiksi (P2O5). Vapaana alkuaineena esiintyvä valkoinen fosfori on erittäin myrkyllistä, keskimäärin jo 50 milligramman annos on kuolettava. Valkoista fosforia tulisi pitää veden alla koko ajan, koska se on hyvin reaktiivinen ilman kanssa ja sitä on käsiteltävä pihdeillä, koska yhteys ihon kanssa voi johtaa vakaviin palovammoihin. Pitkäaikainen valkoisen fosforin myrkytys suojaamattomien työntekijöiden joukossa johtaa leuan kuolioon.
Auringon valossa tai kuumennettaessa omassa höyryssä 250 °C:seen valkoinen fosfori muuttuu punaiseen muotoon, joka ei fosforoi ilmassa. Toisin kuin valkoinen fosfori, se ei syty itsestään eikä ole läheskään yhtä myrkyllistä. Kuitenkin myös sitä pitäisi käsitellä huolella, koska tietyillä lämpötila-alueilla se muuttuu takaisin valkoiseksi, ja kuumennettaessa hapen läsnä ollessa siitä lähtee myös myrkyllisiä, fosforioksideista koostuvia höyryjä.
Fosfaatit.
Eräät organofosfaatit ovat hermomyrkkyjä, mutta epäorgaaniset fosfaatit ovat suhteellisen myrkyttömiä.
Isotoopit.
Fosforilla on 22 isotooppia, joista vain 31P on pysyvä. Muut isotoopit ovat radioaktiivisia. Niistä pitkäikäisimmät ovat 33P, jonka puoliintumisaika on 25,35 päivää, ja 32P, jonka puoliintumisaika on 14,26 päivää. Muiden isotooppien puoliintumisajat ovat alle 2,5 minuuttia, useimpien alle sekunnin.
Käyttö.
Fosfaatit ovat tärkeitä lannoitteita. Fosforiyhdisteitä käytetään myös räjähteissä, kasvinsuojeluaineissa, hammastahnassa ja pesuaineissa.
Punainen fosfori on tärkeä aine metamfetamiinin valmistuksessa. Sitä on myös tulitikkuaskin raapaisupinnassa, jossa sen kipinöinti vaikuttaa osaltaan tikun syttymiseen. Valkoista fosforia voidaan käyttää sytytysaineena erityyppisissä ampumatarvikkeissa, kuten panssarisytytysammuksissa, fosforikäsikranaateissa ja palopommeissa.
Fosfori kasviravinteena.
Fosforiyhdisteet ovat tärkeitä elämälle ja niitä on kaikissa eliöissä. Kasvit saavat sitä maaperän fosfaateista, H2PO4-- ja HPO42--ioneista. Fosforia tarvitaan solussa mm. ATP:n, nukleiinihappojen ja fosfolipidien rakenneosana. Monet solun reaktiot perustuvat molekyylien fosforylaatioon. Fosforin puute aiheuttaa kasvissa kasvun vähyyttä, tummanvihreää väriä, laikkuja lehdissä ja häiritsee juurten kehitystä.
Fosforilannoitteet ovat suuri syy vesistöjen rehevöitymisessä. Fosforisaastuminen voi tapahtua jos lannoitteita tai pesuaineita on vuotanut maaperään tai vesistöön.
Glyfosaatin käyttö voi lisätä fosforin päästöjä ympäristöön, sillä ne kilpailevat samoista maaperän sitoutumispaikoista.
Riittävyys.
Tunnettuja fosforivarantoja on arviolta 370 vuodeksi (2014). Aiemmin on väitetty fosforin loppuvan noin 50 vuodessa.
Varsinaisia fosfaattikivivarantoja arvioidaan olevan 67 miljardia tonnia (Jasinski 2013) eli tilastollisesti 338 vuodeksi. Laajemmin fosfaattikiveä on vielä moninkertainen määrä, arviolta 290–460 miljardia tonnia.
Vuonna 2007 riittävyydeksi nykykäytöllä laskettiin 345 vuotta. Institute for Sustainable Futuresin vanhempi tutkija Dana Cordell on tosin sanonut Times-lehdelle, että nykyvauhdilla varannot loppuisivat jo 50–100 vuodessa. Vuonna 2012 U.S. Geological Survey arvioi 71 miljardin tonnin helposti käytettävät varannot ja maailmassa louhittiin 0,19 miljardia tonnia vuonna 2011. Keskivertokivessä on 0,1 prosenttia fosforia (kasveissa tyypillisestä 0,03–0,2 prosenttia), joten maan 3 · 1019 tonnissa kiveä sitä on miljoonia gigatonneja eli vuosimiljooniksi, joskin pääosin sen saaminen käyttöön on nykyteknologialla kalliimpaa.
Kierrätys.
Luomutuotannossa käytetään kierrätettyä fosforia. Koska luomuviljelyn kierrätys kuitenkin nojaa tavanomaisen viljelyn ravinnepanoksiin erityisesti fosforin osalta, sekään ei ole fosforin kallistumiselta turvassa eikä siis asiassa mikään vaihtoehto.
Jätevesistä fosfori ravinnesaasteena otetaan Suomessa talteen. Esimerkiksi Helsingin Veden Viikin jätevedenpuhdistamo on poistanut sitä jätevedestä 97–98 prosentin erotusteholla, kun 2014 viranomaisvaatimus oli &gt; 95 prosenttia. Helsingin seudun ympäristöpalvelut HSY:n Ravita-menetelmän, joka oli 2017 demo-testausvaiheessa Helsingin Veden Viikin jätevedenpuhdistamolla, tavoitteena oli jalostaa lietteestä eroteltu fosfori turvallisesti ja kustannustehokkaasti raelannoitteeksi. Helsingin Veden yksikön 2009 haastatellun johtajan Tommi Fredin mukaan viemärijätteestä tehdyn lannoitteen imago oli harmillisen huono, eikä sillä tuntunut olevan ostajia. Tavara kuitenkin hänen mukaansa täytti lainsäädännön vaatimukset ja oli "käytännössä samanlaista kuin yleisesti myynnissä oleva kanankakka".
Puhdistamolle oltiin 2017 rakentamassa koelaitosta, jossa testattaisiin markkinoille soveltuvan lopputuotteen tekoa. Tulevaisuudessa samaan prosessiin voidaan yhdistää myös typen talteenotto. Tällöin keruutuotteesta voidaan HSY:n mukaan tuottaa korkeatasoista fosfori-typpilannoitetta
Merkittävimmät esiintymisalueet.
Fosforikiven reservi (tuhatta tonnia)
Tuotto 2008 (tuhatta tonnia):
Ihmisten ravinteena.
Merkitys, tarve ja saanti.
Fosfori on kivennäisaine, jolla on ihmisissä ja muissa eliöissä fosforilla on monia toimintoja. Kaikesta kehon fosforista noin 85 prosenttia on rakenneosana luiden ja hampaiden hydroksiapatiitissa. Fosfori on myös osa happo-emästasapainon säätelyä sekä rakenneosa monissa kehon orgaanisissa molekyyleissä. Näistä vain muutamia esimerkkejä ovat ATP, DNA, RNA, fosfolipidit, fosfokreatiini, cAMP, cGMP ja 2,3-bisfosfoglyseraatti. Moniin kehon proteiineihin ja hiilihydraatteihin liitetään fosforia fosforylaatiossa. Fosforin liittyminen ohjaa proteiinien ja hiilihydraattien toimintaa ja kohdentumista kehossa. Fosforin aineenvaihduntaa ohjaavat keskeisimmin parathormoni ja 1,25-hydroksyloidut D-vitamiinien aktiivimuodot, kuten kalsitrioli.
Vuoden 2007 arvion mukaan suomalaiset naiset saavat fosforia keskimäärin 1 363 milligrammaa per vuorokausi (mg/vrk) ja miehet 1 778 mg/vrk eli suosituksiin (taulukko alla) verrattuna riittävästi.
Liikasaanti.
Fosforin runsas saanti saattaa altistaa muun muassa osteoporoosille, mutta tästä ei ole selkeää näyttöä muiden kuin kroonista munuaisten vajaatoimintaa potevien kohdalla. Lisäksi fosforin runsas saanti voi aiheuttaa kroonista munuaisten vajaatoimintaa potevilla hyperfosfatemiaa ja hypokalsemiaa, sillä kehon fosforiylimäärä tuottaa kalsiumin kanssa kalsiumfosfaattikertymiä pehmytkudoksiin. Tämä pidemmällä aikavälillä aiheuttaa verisuonten kalkkeutumista ja johtaa kalsifylaksiaan eli kivuliaisiin pikkuvaltimoiden tukkeumiin.
Vajaatoimintaa potevilla on myös korkea kuolleisuus sydän- ja verisuonitauteihin. Kuolleisuus liittyy osin suonten fosfaattikertymien muodostumiseen. Siksi vajaatoimintaa poteville saatetaan määrätä lääkkeeksi fosforin suolistosta imeytymistä estäviä aineita, kuten kalsiumkarbonaattia. Liika kalsium on kuitenkin myös haitallista samasta syystä kuin fosfaatit (suonten kalkkeutuminen). Siksi on kehitetty myös kalsiumia sisältämättömiä fosforin imeytymisen estäjiä. Suomessa estäjinä käytetään esimerkiksi kalsiumia sisältämätöntä sevelameeria ja lantaanikarbonaattia. Dialyysipotilaita ohjeistetaan siksi myös välttämään runsaasti fosforia sisältäviä ruokia. Sitä on luontaisesti eritoten maitotuotteissa. Seuraavaksi eniten fosforia on lihoissa, viljoissa ja hernekasveissa. Fosforin johdannaisia käytetään lisäksi laajalti lisäaineina jalostetuissa ruuissa, kuten lihajalosteissa, valmiissa leivonnaisissa ja kolajuomissa.