磷酸鹽

磷酸鹽（phosphate，符號：PO43-），是磷酸的鹽，在無機化學、生物化學及生物地質化學上是很重要的物質。

## 化學特性

磷酸鹽離子是一個多原子的離子，其實驗式是PO43−，而分子量是94.97。它包含一個磷原子，並由四個氧原子所包圍，形成一個正四面體。磷酸鹽離子帶有-3的形式電荷，且是磷酸氫鹽離子（HPO42−）的共軛鹼；磷酸氫鹽離子則是磷酸二氫鹽離子（H2PO4−）的共軛鹼；而磷酸二氫鹽離子又是磷酸（H3PO4）的共軛鹼。它是一個超價分子（磷原子在其電子層有著10個電子）。如果磷酸鹽作為一種有機磷化合物就被稱為磷酸酯，其化學式為OP(OR)3。

除了一些鹼金屬外，大部份磷酸鹽，在標準狀態下，都是不可溶於水的。

在稀釋的水溶液中，磷酸鹽以四種形式存在。在強鹼環境下，磷酸鹽離子（PO43−）會較多；而在弱鹼的環境下，磷酸氫鹽離子（HPO42−）則較多。在弱酸的環境下，磷酸二氫鹽離子（H2PO4−）較為普遍；而在強酸的環境下，則水溶的磷酸（H3PO4）是主要存在的形式。更精確的就是以下三種平衡反應：

$$H_{3}PO_{4} \rightleftharpoons H^{+} + H_{2}PO_{4}^{-}$$

$$H_{2}PO_{4}^{-} \rightleftharpoons H^{+} + HPO_{4}^{2-}$$

$$HPO_{4}^{2-} \rightleftharpoons H^{+} + PO_{4}^{3-}$$

在25℃的環境下有以各種不同的酸度係數（mol/L）：

$$K_{a1}=\frac{[H^+][H_2PO_4^-]}{[H_3PO_4]}\simeq 7.5\times10^{-3} \mbox{，}$$

$$K_{a2}=\frac{[H^+][HPO_4^{2-}]}{[H_2PO_4^-]}\simeq 6.2\times10^{-8} \mbox{，}$$

$$K_{a3}=\frac{[H^+][PO_4^{3-}]}{[HPO_4^{2-}]}\simeq 2.14\times10^{-13}$$

若在強鹼的pH值下（pH=13），可以發現：

$$\frac{[H_2PO_4^-]}{[H_3PO_4]}\simeq 7.5\times10^{10} \mbox{ , }\frac{[HPO_4^{2-}]}{[H_2PO_4^-]}\simeq 6.2\times10^5 \mbox{ , } \frac{[PO_4^{3-}]}{[HPO_4^{2-}]}\simeq 2.14$$

可見只有磷酸鹽（PO43−）及磷酸氫鹽（HPO42−）是主要的成份。

若在中和的pH值下（例如原生質，pH=7.0），可以發現：

$$\frac{[H_2PO_4^-]}{[H_3PO_4]}\simeq 7.5\times10^4 \mbox{ , }\frac{[HPO_4^{2-}]}{[H_2PO_4^-]}\simeq 0.62 \mbox{ , } \frac{[PO_4^{3-}]}{[HPO_4^{2-}]}\simeq 2.14\times10^{-6}$$

所以只有磷酸二氫鹽（H2PO4−）及磷酸氫鹽（HPO42−）離子是主要成份（當中62%是H2PO4−，38%是HPO42−）。需要留意的是在細胞外體液（其pH約為7.4），這個比例會倒轉（61%是HPO42−，39%是H2PO4−）。

若在強酸的pH值下（pH=1），可以發現：

$$\frac{[H_2PO_4^-]}{[H_3PO_4]}\simeq 0.075 \mbox{ , }\frac{[HPO_4^{2-}]}{[H_2PO_4^-]}\simeq 6.2\times10^{-7} \mbox{ , } \frac{[PO_4^{3-}]}{[HPO_4^{2-}]}\simeq 2.14\times10^{-12}$$

可見H3PO4，相較於H2PO4−是最多的。實際上HPO42−及PO43−會接近消失。

磷酸鹽可以形成聚合離子的二磷酸鹽（亦即焦磷酸鹽，P2O74−）、三磷酸鹽（P3O105−）等。多種的偏磷酸鹽離子都有著一個實驗式的PO3−，且是在普遍在多種化合物。

磷酸鹽礦產可以包含大量自然產生的鈾。若吸收了這些土壤改良劑可以引致農作物含有鈾成份。

## 生理特性

磷酸鹽在人體與組織結構、代謝、調節有關，是重要生理生化物質。攝取過多磷酸鹽且血中磷酸鹽過高，則與心血管疾病、腎臟病有關。

磷酸鹽常做為加工食品和速食的添加劑，也普遍存在於調味軟飲料、某些奶製品中，以上食物吃多有礙健康。

## 出現

磷酸鹽是元素磷自然產生的形態，在多種磷酸鹽礦物中可以找到。元素的磷或是磷化物是很難發現的（只有極少量在隕石中可以找到）。在礦物學及地質學，磷酸鹽是指含有磷酸鹽離子的石或礦石。

在北美洲最大型的磷礦粉礦床位於美國的佛羅里達州中部、愛德荷州的索達斯普陵、北卡羅萊那州沿岸區域。而其次的是位於蒙大拿州、田納西州、喬治亞州及南卡羅萊那州近查爾斯頓。諾魯這個細少的島國就曾經是有著大量高質素的磷酸鹽礦產，但現時已被大量挖掘。磷礦粉亦可以在納弗沙島、摩洛哥、突尼西亞、以色列、多哥及約旦找到，這些地方亦有大量的磷酸鹽礦業。

在生物中，磷是以溶液中游離的磷酸鹽離子的形態出現，稱為「無機磷酸鹽」，這是要與其他在磷酸酯中的磷酸鹽作出區別的。無機磷酸鹽是會以Pi來表示，它可以是由焦磷酸鹽（以PPi來表示）水解而得：

$$P_{2}O_{7}^{4-} + H_{2}O \rightarrow 2HPO_{4}^{2-}$$

但是，磷酸鹽最普遍是以一磷酸腺苷（AMP）、二磷酸腺苷（ADP）、三磷酸腺苷（ATP）、脫氧核糖核酸（DNA）及核糖核酸（RNA）的形式出現，且可以經由水解ADP或ATP而被釋放出來。對於其他的二磷或三磷核苷亦有相似的反應。在ADP及ATP，或其他二磷及三磷核苷中的磷酸酐鍵，包含著大量的能量，所以它們在生物中有著重要的地位。它們一般會被稱為高能磷酸磷，就像在肌肉組織中的磷酸肌酸一樣。一些如膦的化合物在有機化學上亦會被使用，但它卻似乎沒有自然的相應物。

由於磷酸鹽對生物的重要性，所以在生態學上，它是高度被採集。因此，它在環境中往往是限量試劑，而它的可得性則決定生物成長的速度。將大量的磷酸鹽加入缺乏磷酸鹽的環境或微生物環境中，會對生態有著重大的影響。例如，某一種生物的暴漲會使其他生物死亡。另外耗氧的種群也會消亡（參見富營養化）。在污染的問題下，磷酸鹽是總溶解固體量（一種主要的水質指標）的主要成份。

## 用途

磷酸鹽一般會用在清潔劑中作為軟水劑，但是因為磷酸鹽的排放會影響藻類的繁榮衰退，所以在某些地區磷酸鹽清潔劑是受到管制的。

在農業上，磷酸鹽是植物的三種主要養份之一，且是肥料的主要成份。磷礦粉是從沉積岩的磷層中開採。以前它在開採後不用加工便可使用，但現時未加工的磷酸鹽只會用在有機耕種上。一般它都是會化學加工製成過磷酸石灰、重過磷酸鈣或磷酸二氫銨，它們的濃度都較磷酸鹽高，且較易溶於水，所以植物可以較快吸收。

肥料級數一般有三個數字：第一個是指氮的數量，第二個是指磷酸鹽的數量（以P2O5作基準），而第三個是指鹼水（以K2O作基準）。所以一個10-10-10的肥料就每種成份各有10%，而其他的則是填充物。

從過度施肥的農地逕流的磷酸鹽會是富營養化、赤潮及其後缺氧的起因。這就像磷酸鹽清潔劑一樣會引起魚類及其他水生生物的缺氧。

## 基本資料

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- 3D模型（JSmol）：O-P(O-)(O-)=O
- StdInChI：1S/H3O4P/c1-5(2,3)4/h(H3,1,2,3,4)/p-3
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- 化學式：PO43−
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