リン酸
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リン酸の立体骨格式
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リン酸の芳香族球棒モデル
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リン酸の空間充填モデル
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名前
IUPAC名
リン酸塩[ 1 ]
その他の名前
オルトリン酸テトラオキソリン酸(V)テトラオキシドリン酸(V)
識別子
3Dモデル（JSmol）
3903772
チェビ
ケムスパイダー
1997
メッシュリン酸塩
ユニイ
  • InChI=1S/H3O4P/c1-5(2,3)4/h(H3,1,2,3,4)/p-3 チェックはい
    キー: NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K チェックはい
  • 超原子価形: [O-]P([O-])([O-])=O
  • イオン型: [O-][P+]([O-])([O-])[O-]
プロパティ
郵便局3−4​
モル質量94.9714 g mol −1
共役酸リン酸水素一塩
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）における材料のものです。
チェックはい 検証する （何ですか  ？） チェックはい☒北

化学において、リン酸とは、リン酸から誘導される陰イオン、塩、官能基、またはエステルを指します。一般的には、オルトリン酸、すなわちオルトリン酸の誘導体、リン酸H 3 PO 4を指します。

リン酸イオンまたはオルトリン酸イオン[PO 4 ] 3- は、リン酸から3つのプロトンH + を除去することで生成されます。1つのプロトンを除去するとリン酸二水素イオン[H 2 PO 4 ] -となり、2つのプロトンを除去するとリン酸水素イオン[HPO 4 ] 2- となります。これらの名称は、リン酸二水素アンモニウムやリン酸三ナトリウムなど、これらの陰イオンの塩にも用いられます。

有機化学において、リン酸またはオルトリン酸は、 PO 4 RR′R″の形のオルトリン酸エステルであり、1つ以上の水素原子が有機基に置き換えられています。例としては、トリメチルリン酸（(CH 3 ) 3 PO 4 ）があります。この用語は、このようなエステル中の3価の官能基OP(O − ) 3も指します。リン酸塩は、1つ以上の酸素原子の代わりに硫黄を含む場合があります（チオリン酸塩および有機チオリン酸塩）。

オルトリン酸は、生化学、生物地球化学、生態学における重要な役割と、農業や産業における経済的重要性から、様々なリン酸の中でも特に重要です。[ 2 ] リン酸基の付加と除去（リン酸化と脱リン酸化）は、細胞代謝における重要なステップです。

オルトリン酸塩は縮合してピロリン酸塩を形成することがあります。

化学的性質

リン酸イオンのモル質量は94.97 g/molで、中心のリン原子を囲む4つの酸素原子が四面体状に配列しています。リン酸水素イオン[ HPO 4 ] 2-の共役塩基であり、リン酸水素イオン[H 2 PO 4 ] - の共役塩基であり、リン酸二水素イオン[H 2 PO 4 ] -の共役塩基であり、リン酸二水素イオン[ H 3 PO 4 ] -の共役塩基です。

多くのリン酸塩は、標準温度および標準圧力において水に溶解します。リン酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸ルビジウム、リン酸セシウム、リン酸アンモニウムはすべて水溶性です。その他のリン酸塩のほとんどは水にほとんど溶けないか、不溶です。一般的に、リン酸水素二塩およびリン酸二水素二塩は、対応するリン酸塩よりもわずかに溶解性が高いです。

溶液中の平衡

リン酸の化学種

水溶液中では、リン酸とその3つの派生陰イオンは、以下の解離・再結合平衡に従って共存する[ 3 ]。

平衡 解離定数K a [ 4 ]p Ka​
H 3 PO 4 ⇌ H 2 PO−4+ H +K1つの1＝[H+][H2郵便局4−][H3郵便局4]≈7.5×10−3{\displaystyle K_{a1}={\frac {[{\ce {H+}}][{\ce {H2PO4-}}]}{[{\ce {H3PO4}}]}}\約 7.5\times 10^{-3}}pK a1  = 2.14
H 2 PO−4 ⇌ HPO2−4+ H +K1つの2＝[H+][HPO42−][H2郵便局4−]≈6.2×10−8{\displaystyle K_{a2}={\frac {[{\ce {H+}}][{\ce {HPO4^2-}}]}{[{\ce {H2PO4-}}]}}\approx 6.2\times 10^{-8}}pK a2  = 7.20
HPO2−4 ⇌ PO3−4+ H +K1つの3＝[H+][郵便局43−][HPO42−]≈2.14×10−13{\displaystyle K_{a3}={\frac {[{\ce {H+}}][{\ce {PO4^3-}}]}{[{\ce {HPO4^2-}}]}}\約 2.14\times 10^{-13}}pK a3  = 12.37

値は 25  °C、イオン強度 0 のときのものです。

p Ka値は、各種の濃度がその共役塩基の濃度に等しいpH値です。pH 1以下では、リン酸は実質的に解離していません。pH 4.7付近（最初の2つのp Ka値の中間）では、リン酸二水素イオン[H 2 PO 4 ] −が実質的に唯一の種となります。pH 9.8付近（2番目と3番目のp Ka値の中間）では、リン酸一水素イオン[HPO 4 ] 2−が唯一の種となります。pH 13以上では、リン酸は完全に解離し、リン酸イオン[PO 4 ] 3−となります。

これは、pH 値を 4.7 または 9.8 に設定することにより、一リン酸イオンと二リン酸イオンの塩を水溶液から選択的に結晶化できることを意味します。

実際には、H 3 PO 4、[H 2 PO 4 ] −および[HPO 4 ] 2− は、連続する p K a が4 以上異なる ため、別々の弱酸として振舞います。

リン酸は、ピロリン酸（[P 2 O 7 ] 4− ）やトリリン酸（[P 3 O 10 ] 5−）など、多くのポリマーイオンを形成することができます。メタリン酸イオン（通常は長い線状ポリマー）は、実験式[PO 3 ] −で表され、多くの化合物に含まれています。

リン酸の生化学

生物系において、リンは溶液中の遊離リン酸アニオン（無機リン酸）として存在するか、または様々な有機リン酸塩として有機分子に結合した状態で存在する。[ 5 ]

無機リン酸は一般にP iと表記され、生理的（恒常的）pHでは主に[HPO 4 ] 2-と[H 2 PO 4 ] -イオンの混合物から構成されます。細胞質（pH = 7.0）のような中性pHでは、オルトリン酸とその3つの陰イオンの濃度比は次のようになります。 [H2郵便局4−][H3郵便局4]≈7.5×104[HPO42−][H2郵便局4−]≈0.62[郵便局43−][HPO42−]≈2.14×10−6{\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {[{\ce {H2PO4-}}]}{[{\ce {H3PO4}}]}}&\approx 7.5\times 10^{4}\\[4pt]{\frac {[{\ce {HPO4^2-}}]}{[{\ce {H2PO4-}}]}}&\approx 0.62\\[4pt]{\frac {[{\ce {PO4^3-}}]}{[{\ce {HPO4^2-}}]}}&\approx 2.14\times 10^{-6}\end{aligned}}}

したがって、細胞質中には[H 2 PO 4 ] −と[HPO 4 ] 2−イオンのみが有意な量で存在する（[H 2 PO 4 ] − 62%、 [HPO 4 ] 2− 38% ）。細胞外液（pH = 7.4）では、この割合は逆転する（[HPO 4 ] 2− 61%、 [H 2 PO 4 ] − 39% ）。

無機リン酸はピロリン酸アニオン[P 2 O 7 ] 4−としても存在し、加水分解によりオルトリン酸を与える。

[P 2 O 7 ] 4− + H 2 O ⇌ 2 [HPO 4 ] 2−

有機リン酸は、ヌクレオチド（AMP、ADP、ATPなど）のエステルの形で、またDNAやRNA中に広く存在します。ATPまたはADPのリン酸無水物結合の加水分解によって、遊離オルトリン酸アニオンが放出されます。これらのリン酸化反応と脱リン酸化反応は、多くの代謝プロセスにおけるエネルギーの直接的な貯蔵源および供給源となります。ATPとADPは、筋組織中のホスファゲンと同様に、しばしば高エネルギーリン酸と呼ばれます。他のヌクレオシド二リン酸および三リン酸にも同様の反応が存在します。

骨と歯

生物系におけるリン酸の重要な存在の一つは、骨や歯の構造材料としての存在です。これらの構造は、ハイドロキシアパタイトという形態の結晶性リン酸カルシウムでできています。哺乳類の歯の硬くて緻密なエナメル質には、一部の水酸基がフッ化物イオンに置換されたヒドロキシリン酸カルシウムであるフルオロアパタイトが含まれていることがあります。

医学および生物学研究の用途

リン酸塩はリンの薬用塩です。多くの尿路感染症の治療に役立つリン酸塩の中には、尿を酸性化するために使用されるものもあります。尿路におけるカルシウム結石の発生を防ぐためにも、リン酸塩が使用されることがあります。 [ 6 ]日常の食事で十分なリンを摂取できない患者の場合、通常は特定の疾患や障害のために、リン酸塩は栄養補助食品として使用されます。[ 6 ]注射用リン酸塩は、資格のある医療従事者のみが取り扱うことができます。[ 6 ]

植物の代謝

植物は、アーバスキュラー菌根経路と直接吸収経路という いくつかの経路を通じてリンを吸収します。

健康への悪影響

高リン血症、つまり血中リン濃度の上昇は、一般集団における死亡率の上昇と関連しています。人、犬、猫における高リン血症の最も一般的な原因は腎不全です。高リン血症の場合、一部の肉類や乳製品などのリンを多く含む食品、および清涼飲料水、ファーストフード、加工食品、調味料、リン酸塩添加物を含むその他の製品など、リン酸塩を多く含む食品の摂取を制限することが推奨されます。[ 7 ]

リン酸塩は血管の石灰化を引き起こし、血中のリン酸塩濃度が高いことは心血管イベントの予測因子であることが判明した。[ 8 ]

生産

地質学的現象

米国ユタ州フレイミング・ゴージ近郊のリン鉱山、2008年
リン鉱石を積んだ列車、メトラウイ、チュニジア、2012年

リン酸塩は、多くのリン酸塩鉱物に含まれるリン元素の天然形態です。鉱物学および地質学において、リン酸塩とはリン酸イオンを含む岩石または鉱石を指します。無機リン酸塩は、農業や工業で使用するためのリンを得るために採掘されます。 [ 2 ]

リン酸塩の世界最大の生産国および輸出国は中国で、最大の埋蔵量を持つのはモロッコであることが知られています[ 9 ]。北米では、最大の鉱床はフロリダ中央部のボーンバレー地域、アイダホ州南東部のソーダスプリングス地域、およびノー​​スカロライナ州沿岸にあります。小規模な鉱床はモンタナ州、テネシー州、ジョージア州、サウスカロライナ州にあります。小さな島国ナウルとその隣のバナバ島は、かつては最高品質のリン酸塩鉱床が大量にありましたが、過剰に採掘されてしまいました。リン鉱石は、大規模なリン酸塩採掘産業があるエジプト、イスラエル、パレスチナ、西サハラ、ナバッサ島、チュニジア、トーゴ、ヨルダンでも見つかります。

リン鉱石鉱山は主に以下の場所で見つかります。

2007年には、現在の消費ペースでいくと、リンの供給は345年で枯渇すると推定されました。[ 10 ]しかし、一部の科学者は30年で「リンのピーク」が来ると考えており、持続可能な未来研究所のダナ・コーデルは「現在のペースでは、埋蔵量は今後50年から100年で枯渇するだろう」と述べています。[ 11 ]埋蔵量とは、現在の市場価格で回収可能と想定される量を指します。USGSは2012年に世界の埋蔵量を710億トンと推定しましたが、2011年には世界で1億9000万トンが採掘されました。[ 12 ] リンは平均的な岩石の質量の0.1%を構成します[ 13 ]（参考までに、植物中の典型的な濃度は0.03%から0.2%です）[ 14 ] 。したがって、地球の3×10 19トンの地殻には数千兆トンのリンが含まれています[ 15 ] 。ただし、その濃度は、目録が作成され、抽出が安価である埋蔵量としてカウントされる鉱床よりも大幅に低いです。リン鉱石中のリン酸塩鉱物が主にハイドロキシアパタイトとフルオロアパタイトであると仮定すると、リン酸塩鉱物には重量の約18.5%のリンが含まれています。リン鉱石にはこれらの鉱物が約 20% 含まれており、平均的なリン鉱石には重量で約 3.7% のリンが含まれています。

フロリダ州のマルベリー[ 16 ]のようなリン鉱石鉱床の中には、放射性ウラン同位体を大量に含むことで知られるものがあります。この鉱床から得られるリン肥料を施用すると、放射能が表層水[ 17 ]に放出される可能性があるため、懸念されています。

2012年12月、コミンコ・リソーシズはコンゴ共和国ブラザヴィルにあるヒンダプロジェクトのJORC準拠の最新資源量が5億3100万トンであると発表し、これは世界最大の測定・推定リン鉱床となった。[ 18 ]

2018年頃、ノルウェーは地球の他の部分の合計とほぼ同等のリン酸塩鉱床を発見しました。[ 19 ] [ 20 ]

2022年7月、中国はリン酸塩輸出の割当を発表した。[ 21 ]

サウジアラビアには豊富なリン鉱石埋蔵量があり、採掘事業も行われている。[ 22 ]

リン酸塩の輸入量でみると、ブラジル（3.2百万トン）、インド（2.9百万トン）、米国（1.6百万トン）が最大である。[ 23 ]

鉱業

1937年のリン酸塩の輸入・輸出

リン酸塩の主な生産国3カ国（中国、モロッコ、米国）は、世界の生産量の約70％を占めています。

2019年の国別天然リン酸塩の生産量と世界の埋蔵量（USGS、2021）[ 24 ]
国生産量（百万kg）世界生産シェア（％）埋蔵量（百万kg）
アルジェリア1,3000.54220万
オーストラリア2,7001.17110万
ブラジル4,7003.001,600,000
中国95,00044.83320万
エジプト5,0002.472,800,000
フィンランド995-1,000,000
インド1,4800.494万6000
イラク2000.0943万
イスラエル2,8101.4857,000
ヨルダン9,2203.3680万
カザフスタン1,5000.7226万
メキシコ5580.763万
モロッコ（WS込み）35,50013.4550,000,000
ペルー4,0001.7921万
ロシア13,1005.6060万
サウジアラビア6,5001.48140万
セネガル3,4200.455万
南アフリカ2,1000.99140万
シリア2,0000.341,800,000
持ち帰り8000.453万
チュニジア4,1101.7910万
ウズベキスタン900-10万
アメリカ合衆国23,30012.371,000,000
ベトナム4,6501.213万
その他の国1,1401.1784万
合計227,00010071,000,000

生態学

世界海洋地図帳の海面リン酸塩
海洋の様々な地域における光合成におけるリン酸と硝酸の吸収の関係。硝酸はリン酸よりも制限的な役割を果たすことが多いことに注意。レッドフィールド比を参照。

生態学的には、生物系におけるその重要な役割から、リン酸は非常に求められている資源です。一度使用されると、環境中の制限栄養素となることが多く、その利用可能性が生物の成長速度を左右する可能性があります。これは一般的に淡水環境に当てはまりますが、海洋（海水）環境では窒素が制限栄養素となることが多いです。環境や、通常はリン酸がほとんど存在しない微小環境に高濃度のリン酸が添加されると、重大な生態学的影響を及ぼす可能性があります。例えば、一部の生物の個体群が他の生物を犠牲にして急増したり、酸素などの資源を奪われた個体群が崩壊したりすることがあります（富栄養化を参照）。汚染の観点から見ると、リン酸は水質の主要指標である全溶解固形物（TOS）の1つの成分ですが、すべてのリンが藻類が分解して消費できる分子形態をしているわけではありません。[ 25 ]

沖積表土中の細菌の周囲には、カルシウムハイドロキシアパタイトと方解石の沈殿物が見られます。[ 26 ]粘土鉱物はバイオミネラリゼーションを促進するため、細菌と粘土鉱物の存在により、カルシウムハイドロキシアパタイトと方解石の沈殿物が生成されます。[ 26 ]

リン酸塩鉱床には、天然由来の重金属が多量に含まれている可能性があります。リン鉱石を採掘する際には、カドミウム、鉛、ニッケル、銅、クロム、ウランを高濃度に含む鉱滓が残されることがあります。これらの廃棄物は、適切に管理されなければ、地下水や近隣の河口に重金属を浸出させる可能性があります。植物や海洋生物がこれらの物質を吸収すると、食品中の有毒重金属濃度が上昇する可能性があります。[ 27 ]

参照

参考文献

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