Конденсированные фосфаты

9 заданий

Конденсация тетраэдров

Ион \(\ce{PO4^3-}\) представляет собой одиночный тетраэдр; его называют ортофосфатом. При нагревании кислых солей группы P–OH соседних тетраэдров могут соединяться с выделением воды: \(\ce{P-OH + HO-P -> P-O-P + H2O}\). В результате возникает мостик P–O–P: один атом кислорода становится общим для двух тетраэдров. Такое соединение с отщеплением воды называют конденсацией.

Если соединяются два тетраэдра, образуется пирофосфат, или дифосфат. Цепи из нескольких тетраэдров называют полифосфатами; цепь из трёх тетраэдров образует триполифосфат. Когда цепь замыкается в кольцо, образуется циклометафосфат. Строение определяет состав и заряд каждого иона.

Название	Строение	Формула
Ортофосфат	Ион состоит из одного тетраэдра.	\(\ce{PO4^3-}\)
Пирофосфат (дифосфат)	Два тетраэдра имеют общую вершину.	\(\ce{P2O7^4-}\)
Триполифосфат	Три тетраэдра образуют цепь.	\(\ce{P3O10^5-}\)
Полифосфат	\(n\) тетраэдров образуют цепь.	\(\ce{P_nO_{3n+1}^{(n+2)-}}\)
Циклометафосфат	\(n\) тетраэдров образуют кольцо.	\(\ce{(PO3)_n^{n-}}\)

boltКак определить заряд по числу мостиков

Каждый тетраэдр имеет заряд \(-3\). При формальном подсчёте зарядов образование одного мостика P–O–P можно представить как удаление \(\ce{O^2-}\) из суммы двух тетраэдров. Поэтому каждый мостик уменьшает модуль отрицательного заряда на 2. При конденсации групп P–OH выделяется вода. В цепи из \(n\) тетраэдров имеется \(n - 1\) мостиков, поэтому её заряд равен \(-3n + 2(n - 1) = -(n + 2)\). В кольце мостиков \(n\), а заряд равен \(-3n + 2n = -n\). Проверка для \(\ce{P2O7}\) по степеням окисления даёт тот же результат: \(2\cdot5 - 7\cdot2 = -4\).

Конденсированные фосфаты получают нагреванием кислых фосфатов. Состав продукта зависит от состава исходной соли и того, сколько тетраэдров соединилось.

scienceПолучение конденсированных фосфатов

\(\ce{2Na2HPO4 ->[t] Na4P2O7 + H2O}\) — при нагревании гидрофосфата натрия образуется пирофосфат натрия.
\(\ce{NaH2PO4 ->[t] NaPO3 + H2O}\) — при нагревании дигидрофосфата натрия сначала образуется \(\ce{Na2H2P2O7}\), а дальнейшее отщепление воды приводит к метафосфату натрия.
\(\ce{2Na2HPO4 + NaH2PO4 ->[t] Na5P3O10 + 2H2O}\) — при нагревании смеси кислых солей образуется триполифосфат натрия.
\(\ce{H3PO4 ->[t] HPO3 + H2O}\) — при нагревании фосфорной кислоты образуется стекловидная («ледяная») метафосфорная кислота.

Полифосфаты в быту и природе

Триполифосфат натрия \(\ce{Na5P3O10}\) десятилетиями был одним из главных компонентов стиральных порошков: его содержание достигало 30–40 %. Он связывает ионы \(\ce{Ca^2+}\) и \(\ce{Mg^2+}\) жёсткой воды в растворимые комплексы. Поэтому эти ионы не вызывают осаждения мыла.

errorЭвтрофикация водоёмов

Со сточными водами фосфаты попадали в реки и озёра. Для водорослей фосфор служит лимитирующим элементом: его недостаток ограничивает их рост. При поступлении фосфатов начиналось «цветение» воды; затем водоросли отмирали, а их разложение сопровождалось расходованием растворённого кислорода и гибелью рыбы. Такое обогащение водоёмов питательными веществами называют эвтрофикацией. В 1970-е годы озеро Эри объявляли «мёртвым». Ограничение содержания фосфатов в порошках, введённое в ЕС с 2013 года, заметно улучшило состояние водоёмов.

auto_awesomeСоль Грэма

При быстром охлаждении расплава \(\ce{NaPO3}\) образуется стекловидная соль Грэма — смесь длинных полифосфатных цепей. Её продавали как умягчитель воды под названием «Калгон». Томас Грэм в 1833 году первым понял, что орто-, пиро- и метафосфорные кислоты различаются содержанием воды.

Связывание кальция полифосфатами зависит от условий. Триполифосфат образует с ним растворимый комплекс, но пирофосфат при избытке кальция образует осадок. Кроме того, в воде полифосфаты постепенно гидролизуются до ортофосфатов.

scienceПолифосфаты и кальций

\(\ce{Na5P3O10 + Ca^2+ -> Na3[CaP3O10] + 2Na+}\) — ионы кальция образуют с триполифосфатом растворимый комплекс, поэтому жёсткость воды уменьшается.
\(\ce{Na4P2O7 + 2CaCl2 -> Ca2P2O7 v + 4NaCl}\) — при избытке кальция образуется осадок пирофосфата кальция.
\(\ce{P3O10^5- + 2H2O -> 3HPO4^2- + H+}\) — при медленном гидролизе триполифосфат-иона в воде образуются ортофосфат-ионы.

Связи P–O–P в живой клетке

Связи P–O–P встречаются и в молекулах живых организмов. АТФ (аденозинтрифосфат) — органический трифосфат, в котором остаток цепочки \(\ce{P3O10}\) присоединён к рибозе. При гидролизе АТФ по концевой связи P–O–P выделяется около 30 кДж/моль в стандартных условиях и до 50 кДж/моль в клетке. Благодаря этому АТФ служит «энергетической валютой» всего живого:

\[\text{АТФ} + \ce{H2O} \to \text{АДФ} + \ce{HPO4^2-}\]

Почему гидролиз сопровождается выделением энергии? Причина не в том, что связь P–O–P особенно слаба. Продукты реакции устойчивее АТФ: одноимённые заряды фосфатных групп разделяются, образующийся фосфат стабилизирован резонансом и лучше гидратирован.

auto_awesomeКинетическая устойчивость

Хотя гидролиз полифосфатов в воде термодинамически выгоден, без катализатора — фермента или кислоты — он может идти месяцами. Благодаря этой кинетической устойчивости АТФ сохраняется до тех пор, пока фермент не ускорит нужную клетке реакцию.

boltПирофосфат в биохимии

При многих реакциях синтеза, в том числе связанных с образованием ДНК и белков, отщепляется пирофосфат \(\ce{P2O7^4-}\). Затем фермент гидролизует его до двух ортофосфатов. Удаление пирофосфата смещает равновесие синтеза в сторону продуктов и делает процесс практически необратимым. Это пример действия принципа Ле Шателье в клетке.

push_pinГлавное

При нагревании кислых фосфатов отщепляется вода, а тетраэдры \(\ce{PO4}\) соединяются общими атомами кислорода: Реакция \(\ce{2Na2HPO4 -> Na4P2O7 + H2O}\) приводит к образованию пирофосфата, а \(\ce{NaH2PO4 -> NaPO3 + H2O}\) — метафосфата. Формула линейной цепи из \(n\) тетраэдров имеет вид \(\ce{P_nO_{3n+1}^{(n+2)-}}\), а формула цикла — \(\ce{(PO3)_n^{n-}}\). Триполифосфат \(\ce{Na5P3O10}\) связывает \(\ce{Ca^2+}\) в моющих средствах, но попадание фосфатов в водоёмы вызывает эвтрофикацию. В воде полифосфаты медленно гидролизуются до ортофосфатов. АТФ представляет собой органический трифосфат; энергия в клетке выделяется при его гидролизе по связи P–O–P.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.