Fosfato: struttura, composti, tamponi biologici

Lo ione fosfato è un anione poliatomico avente formula PO₄^3- in cui il fosforo ha numero di ossidazione + 5 ed è ibridato sp³.
Ha geometria tetraedrica e il fosforo è legato tramite doppio legame a un atomo di ossigeno e tramite legame semplice ai rimanenti tre e pertanto lo ione fosfato è stabilizzato per risonanza.

Poiché è un sale derivante dall’acido fosforico vengono detti fosfati anche gli anioni idrogenofosfato HPO₄^2- e diidrogenofosfato H₂PO₄^–.
Il fosfato, sotto forma di PO₄^3- e HPO₄^2-, è un nutriente per le piante e per gli animali.

Fa parte del DNA e dell’RNA e delle molecole che forniscono energia come l’ATP sotto forma di fosfolipide nella membrana cellulare.

Tra i composti contenenti lo ione fosfato vi sono gli esteri fosforici aventi formula O=P(OR)₃ in cui i tre atomi di ossigeno legati al fosforo tramite legame semplice sono legati a un gruppo R che può essere un alchile o un arile.

I fosfati o esteri fosforici hanno struttura generale O=P(OR)₃. Non hanno legami diretti carbonio-fosforo, essendo esteri dell’acido fosforico.

Equilibrio acido-base

Lo ione fosfato è la base coniugata dell’idrogeno fosfato e in acqua idrolizza secondo l’equilibrio:

PO₄^3- + H₂O ⇄ HPO₄^2- + OH^–
regolato da una costante di equilibrio K_b3 = K_w/K_a3 = 10^-14/4.8·10^-13 = 0.021. Pertanto una soluzione contenente ioni fosfato dà idrolisi basica.

Solubilità

I fosfati sono in genere sali poco solubili ad eccezione del fosfato di sodio Na₃PO₄, di potassio K₃PO₄ e di ammonio (NH₄)₃PO₄.

I fosfati meno solubili sono quelli di alluminio AlPO₄, cadmio (II) Cd₃(PO₄)₂, calcio Ca₃(PO₄)₂, magnesio Mg₃(PO₄)₂, cobalto (II) Co₃(PO₄)₂, rame (II) Cu₃(PO₄)₂, litio Li₃PO₄, nichel (II) Ni₃(PO₄)₂, argento Ag₃PO₄ e di ferro (III) FePO₄.

Tra i sali poco solubili del fosforo vi è la fluorapatite Ca₅(PO₄)₃F e l’idrossiapatite Ca₅(PO₄)₃OH principale costituente minerale del tessuto osseo che sono contenuti nelle rocce fosfatiche.

Tamponi biologici

Negli organismi pluricellulari il fluido all’interno della cellula e i fluidi che circondano le cellule hanno un pH caratteristico e praticamente costante che viene mantenuto da sistemi tampone biologici come il tampone fosfato che è costituito da H₂PO₄^– che funge da donatore di ioni H⁺ e dallo ione idrogeno fosfato HPO₄^2- che funge da accettore di ioni H⁺. Tra questi ioni si stabilisce l’equilibrio:
H₂PO₄^–_(aq) ⇌ H⁺_(aq) + HPO₄^2-_(aq)

Se a tale sistema, per il principio di Le Chatelier, si aggiungono ioni H⁺ essi reagiscono con lo ione HPO₄^2- e l’equilibrio si sposta verso sinistra mentre l’aggiunta di OH^– fa spostare l’equilibrio a destra in quanto lo ione diidrogeno fosfato dà luogo alla formazione di idrogeno fosfato e acqua secondo la reazione:
H₂PO₄^–_(aq)  + OH^– _(aq) ⇌ HPO₄^2-_(aq) + H₂O_(l)

Secondo l’equazione di Henderson-Hasselbalch il pH di una tale soluzione tampone è dato da:
pH = pK_a + log [HPO₄^2-]/[ H₂PO₄^–]

La costante K_a2 dell’acido fosforico a cui si deve fare riferimento vale 6.23 ·10^-8 quindi pK_a = – log K_a = – log 6.23 ·10^-8  = 7.21

Quando le concentrazioni di H₂PO₄^– e HPO₄^2- sono le stesse si ha che il loro rapporto vale 1 e poiché log 1 = 0 il pH coincide con il pK_a.

Nei mammiferi il fluido cellulare ha un valore di pH che oscilla tra 6.9 e 7.4 e il tampone diidrogeno fosfato/ idrogeno fosfato è efficace nel mantenere il pH all’interno di questo range.

Usi

L’uso principale  è nel settore agricolo e le rocce fosfatiche sono di vitale importanza nell’industria dei fertilizzanti.

Esso fornisce al terreno le sostanze nutritive vitali per le piante ed inoltre viene utilizzato nell’alimentazione animale e negli integratori.