Фосфаты кальция и их соединения¶
Фосфат кальция — общее название группы неорганических соединений, представляющих собой соли кальция и фосфорной кислоты. К этой группе относятся несколько веществ с различным соотношением кальция, фосфора, кислорода и водорода, которые отличаются кристаллической структурой, растворимостью и областями применения. Фосфаты кальция играют ключевую роль в биологии (минеральная основа костей и зубов), в химической промышленности, сельском хозяйстве и пищевом производстве.
¶Общая характеристика
Фосфаты кальция образованы катионом Ca²⁺ и анионами фосфорной кислоты H₃PO₄ — дигидрофосфатом (H₂PO₄⁻), гидрофосфатом (HPO₄²⁻) и ортофосфатом (PO₄³⁻). В зависимости от соотношения компонентов меняются кислотность, растворимость и физические свойства соединения. Большинство фосфатов кальция — белые кристаллические порошки, плохо или умеренно растворимые в воде, но растворимые в разбавленных кислотах.
Общая формула ортофосфата кальция — Ca₃(PO₄)₂. Именно это соединение составляет минеральную основу костной ткани позвоночных в виде гидроксиапатита Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂.
¶Основные виды
| Соединение | Формула | Растворимость в воде |
|---|---|---|
| Монокальцийфосфат | Ca(H₂PO₄)₂ | Хорошо растворим |
| Дикальцийфосфат | CaHPO₄ | Слабо растворим |
| Октакальцийфосфат | Ca₈H₂(PO₄)₆ | Практически нерастворим |
| Трикальцийфосфат | Ca₃(PO₄)₂ | Нерастворим |
| Гидроксиапатит | Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ | Нерастворим |
С ростом содержания кальция растворимость падает, а устойчивость к кислотному воздействию растёт. Это определяет различие в применении: растворимые формы используют как удобрения и пищевые добавки, нерастворимые — в керамике, медицине и как источник фосфора.
¶История и происхождение
Фосфаты кальция известны с XVIII века, когда были выделены из костной золы и минералов. Термин «фосфор» (от греч. «светоносец») связан с открытием фосфора при прокаливании костей. В XIX веке началось промышленное использование фосфоритов — природных минералов на основе фосфата кальция — для производства удобрений. Крупные месторождения фосфоритов расположены в России (Кольский полуостров, Вятско-Камское, Егорьевское), Казахстане, Марокко, Китае и США.
¶Природные источники
В природе фосфаты кальция встречаются в виде минералов:
- Апатит — Ca₅(PO₄)₃(F, Cl, OH), главный минерал фосфора.
- Фосфорит — осадочная порода, состоящая преимущественно из апатита.
- Монетит, брушит, витлокит — редкие формы.
Костная ткань, зубная эмаль, дентин и раковины моллюсков построены на гидроксиапатите и близких соединениях. В организме взрослого человека содержится около 1 кг кальция, из которого более 99 % сосредоточено в костях в виде фосфатов.
¶Применение
¶Сельское хозяйство
Фосфорные удобрения — крупнейший потребитель фосфатов кальция. Фосфоритную муку и преципитат (дикальцийфосфат) вносят в почву для восполнения фосфора, необходимого растениям. Монокальцийфосфат и дикальцийфосфат используют как кормовые добавки в животноводстве.
¶Пищевая промышленность
В пищевой индустрии фосфаты кальция применяются как:
- разрыхлители теста (E341);
- стабилизаторы и эмульгаторы;
- источники кальция в обогащённых продуктах;
- добавки в сыры, сухие смеси, напитки.
¶Медицина и стоматология
Гидроксиапатит и трикальцийфосфат — основа биокерамики для костных имплантатов и зубных паст. Фосфат кальция входит в состав реминерализующих средств, восстанавливающих эмаль. Кальцийфосфатные цементы используют в хирургии для заполнения костных дефектов.
¶Промышленность
Фосфаты кальция применяются в производстве стекла, керамики, катализаторов, люминофоров, а также как абразивы и наполнители. В металлургии их используют для раскисления и фосфатирования поверхностей.
¶Биологическая роль
Кальций и фосфор — незаменимые макроэлементы. Фосфат кальция обеспечивает прочность и жёсткость скелета, участвует в минеральном обмене, регулируется паратгормоном, кальцитонином и витамином D. Нарушение баланса приводит к остеопорозу, рахиту, кариесу и мочекаменной болезни (фосфатные камни). Суточная потребность человека в кальции — около 1000 мг, в фосфоре — 700–1200 мг.
¶Получение
Промышленно фосфаты кальция получают:
- Нейтрализацией фосфорной кислоты гидроксидом или карбонатом кальция.
- Обработкой фосфоритов серной или фосфорной кислотой.
- Осаждением из растворов солей кальция и фосфатов натрия.
Чистые препараты синтезируют в лабораториях для фармацевтики и аналитической химии.
¶Безопасность и регулирование
Фосфаты кальция считаются малоопасными, однако избыток фосфора в рационе нарушает усвоение кальция и может вредить почкам. В РФ и ЕС пищевые добавки E341 регламентируются санитарными нормами. Промышленные выбросы фосфатов в водоёмы вызывают эвтрофикацию — «цветение» воды.
¶Интересные факты
- Зубная эмаль — самое твёрдое вещество в организме человека, на 96 % состоящее из гидроксиапатита.
- Фосфориты добывают открытым способом; мировые запасы оцениваются в десятки миллиардов тонн.
- Фосфор, впервые полученный из костной золы, дал название элементу и целой отрасли.
¶Источники
- Химическая энциклопедия
- Большая российская энциклопедия
- Учебники по неорганической химии
- Материалы по агрохимии и пищевым добавкам