vignette|Le phosphore, oligo-élément indispensable à la vie, est inégalement réparti sur terre et dans les océans, les poissons et les oiseaux jouent un rôle important dans sa concentration et dans son retour à la terre (bioturbation)Le cycle biogéochimique et écologique du phosphore a été modifié par l'Homme qui l'a massivement introduit sous forme d'engrais (eutrophisant) dans les agrosystèmes, et indirectement dans les écosystèmes (Atlas mondial des océans).. vignette|Phosphate dans une coupelle.
Un phosphate est un composé dérivé de l'acide phosphorique par perte ou substitution d'un ou plusieurs atomes d'hydrogène, par d'autres atomes ou groupes fonctionnels.
En chimie minérale, c'est un sel résultant de l'attaque d'une base par cet acide, ou l'anion faisant partie de ce sel. Les ions orthophosphates sont les formes chimiques les plus fréquentes du phosphate dans l’environnement (H2PO4−, HPO42−, PO43−), tous dérivés de l'acide phosphorique par perte d'un à trois atomes d'hydrogène. Ils sont utilisés dans certains engrais, lessives, comme inhibiteurs de corrosion ou additifs alimentaires (ils portent alors les numéros E338 à E343 si ce sont des orthophosphates, E450 à E455 si ce sont des polyphosphates). Présents en excès dans l'eau, ils sont source d'eutrophisation (voire de dystrophisation).
En chimie organique, un phosphate est un type de composé organophosphoré ; les groupes substituants des hydrogènes de l'acide phosphorique peuvent alors être des chaînes carbonées, on parle parfois de phosphate organique.
Dosage La mesure de la concentration en phosphate est basée sur l'apparition du complexe phosphomolybdate d'ammonium qui est détecté par spectrophotométrie dans l'ultraviolet. Les ions chlorure peuvent gêner et doivent être éliminés en faisant bouillir avec deux gouttes d'acide nitrique ; l'addition au réactif molybdique de tartrate améliore la spécificité.
Une solution d'orthomolybdate d'ammonium (NH4)2MoO4 mélangée à chaud à de l'acide nitrique 6M et à un phosphate, donne un précipité jaune de phosphomolybdate d'ammonium (NH4)3PO4(MoO3)2.
Les ions argent pour le phosphate donnent un précipité jaunâtre Ag3PO4. L'hydrogénophosphate de sodium donne avec l'ion Ag+ un précipité jaune de phosphate d'argent soluble dans l'acide nitrique et dans l'ammoniaque.
Un protocole de dosage a été validé en France par l'AFNORAFNOR, 1990, Dosage des orthophosphates, des phosphates et du phosphore total. In: AFNOR (Éd.), Eaux Méthodes d'essais, Paris, 87–97..
Caractéristiques moléculaires et chimiques L'ion phosphate (ou orthophosphate) est un anion polyatomique de formule chimique brute PO43− et de masse moléculaire de . Il se présente sous la forme d'un tétraèdre dont les sommets sont formés par les quatre atomes d'oxygène encadrant un atome de phosphore.
Cet ion, qui comporte trois charges négatives, est la base conjuguée de l'ion hydrogénophosphate HPO42− (ou phosphate inorganiqueHarvey Lodish, Arnold Berk, Paul Matsudaira, James Darnell, Chris A. Kaiser, Pierre L. Masson, Biologie moléculaire de la cellule, ., noté « Pi ») qui est lui-même la base conjuguée de l'ion dihydrogénophosphate H2PO4− qui est lui-même la base conjuguée de l'acide phosphorique H3PO4. C'est une molécule hypervalente sachant que l'atome de phosphore possède dix électrons libres sur sa couche de valence.
Un sel de phosphate se forme lorsqu'un cation se lie à l'un des atomes d'oxygène de l'ion phosphate, formant un composé ionique. La plupart des phosphates sont insolubles dans l'eau aux conditions normales de température et de pression, excepté pour les sels de métaux alcalins.
Solubilisé dans une solution aqueuse, le phosphate existe sous ses quatre formes selon le taux d'acidité. En allant du plus basique au plus acide : la première forme à prédominer est l'ion phosphate (proprement dit) PO43− (fortement basique) ; la seconde forme est l'ion hydrogénophosphate HPO42− (faiblement basique) ; la troisième forme est l'ion dihydrogénophosphate H2PO4− (faiblement basique) ; la quatrième est la forme phosphate de trihydrogène (à l'état cristallin non ionisé) ou acide phosphorique H3PO4 (fortement acide en solution).
Le pK des couples acide/base précédents estKumler, W.D. ; Eiler, J.J., J. Am. Chem. Soc. 1943, 65, 2355.https://www.sigmaaldrich.com/content/dam/sigma-aldrich/docs/Sigma/Product_Information_Sheet/1/p6560pis.pdf : HPO42− / PO43− : 12,32 ; H2PO4− / HPO42− : 7,20 ; H3PO4 / H2PO4− : 2,15.
L'ion phosphate peut former des ions polymères, par exemple : diphosphate P2O74− (aussi appelé pyrophosphate) ; triphosphate P3O105−.
Les phosphates formant des complexes avec le calcium (contrôle micro-environnemental pendant la (bio-)minéralisation), ils entrent souvent dans la composition des lessives. Riche en phosphore, les rejets lessiviels augmentent donc le risque d'eutrophisation. Depuis les années 1980, les fabricants utilisent donc de plus en plus des substituts, telles les zéolithes.
Formation et répartition
La roche phosphatée (roche concentrée en sels de phosphate) est une roche sédimentaire dite roche : elle se forme par concentration lorsque des ions phosphate précipitent dans une roche en diagenèse. Les formes biogènes, telles les guanos d'oiseaux et de chauve-souris, sont exploitées depuis des siècles.
Les gisements les plus importants se trouvent au Maroc, plus particulièrement à Khouribga, au Sahara occidental., aux États-Unis en Floride, en Russie, en Tunisie, au Togo, au Sénégal, en Israël, en Jordanie, en Chine et sur certaines îles d'Océanie : Nauru, Banaba, Makatea...
De célèbres gisements insulaires sont aujourd'hui épuisés : île de la Navasse près d'Haïti, Nauru et Banaba (Micronésie), Îles Chincha (Pérou)… Celui de Makatea (Polynésie française) pourrait être relancé ou non..
Rôle biologique Les ions phosphate et les liaisons phosphodiester sont très importants en biochimie.
Tous les êtres vivants contiennent des phosphates : ainsi les groupes phosphate sont des éléments de base de la chaîne composant l'ARN et les hélices de l'ADN ; les os et les dents sont essentiellement constitués d'hydroxyapatite (Ca5(PO4)3(OH))…
L'énergie chimique produite par la respiration, la photosynthèse ou la fermentation est stockée dans tous les organismes vivants sous forme de molécules d'adénosine triphosphate qui sert de vecteur d'énergie dans les cellules.
Son hydrolyse est lente, sauf quand elle est catalysée par une enzyme. Dans beaucoup de réactions biochimiques de substitution ou d'élimination, un phosphate ou pyrophosphate joue le rôle de groupe partant..
Les phosphates sont impliqués dans la fermentation vinicole (type de fermentation éthylique). vignette|Ossements de chauves-souris contenus dans les gisements de phosphates du Quercy. Les apatites contenues dans les os, dents, arêtes de poissons, coquilles d'œufs, coquilles de bivalves, tests de foraminifères mélangés aux excréments sont à l'origine de dépôts marins (parfois continentaux) accumulés à l'échelle des temps géologiques ; ces roches sédimentaires exondées constituent 80 % des gisements de phosphates exploités actuellement ; les gisements situés en mer ne sont pas encore exploités..
Synthèse industrielle vignette|Frédéric Kuhlmann chimiste français fondateur des Établissements Kuhlmann, en 1881 La synthèse des superphosphates fut développée à échelle industrielle par les Établissements Kuhlmann déjà producteurs d'acide sulfurique, à partir des années 1840, d'abord pour satisfaire les besoins des producteurs de betteraves de la région de Lille..
Des composés du phosphates peuvent être industriellement synthétisés. Ainsi Rhodia produisait par exemple du Tri-polyphosphate (TPP) en France (à Rouen) dans une unité de fabrication finalement fermée dans le cadre des restructurations industriellesJournal officiel (2007) Bulletin des annonces légales obligatoires bulletin n° 40 Rhodia S.A. Société anonyme au capital de 1.204.186.174 €. Siège social : Immeuble Cœur Défense, Tour A, 110, esplanade Charles-de-Gaulle, 92400 Courbevoie. 352 170 161 R.C.S. Nanterre JO du 2 avril 2007.
Utilisation vignette|Granulés de superphosphate triple, engrais titrant 45 % de P2O5. vignette|Ouvriers (probablement chinois) d'une mine de Nauru, 1917. vignette|Mines de Nauru. vignette|Grand four électrique de fusion de phosphate, utilisé pour produire du phosphore élémentaire dans une usine chimique de la TVA (Tennessee Valley Authority) dans la zone de en Alabama (États-Unis), juin 1946. vignette|Diminution des ventes de phosphates en France, qui ne s'est pas partout traduite par une diminution des teneurs des sols (qui ont diminué dans 34 % des régions, sont restées stables dans 24 % et ont augmenté dans 43 % dont en Bretagne), en raison notamment des apports de lisiers et boues d'épuration.
Les phosphates sont utilisés dans l'agriculture et le jardinage comme engrais« Les engrais phosphatés », sur agroneo.com pour fournir aux plantes (fruits, légumes…) une source de phosphoreÉtat de l'environnement, , L'environnement en France, Commissariat général au développement durable • Service de l'observation et des statistiques ( / 152). Les engrais phosphatés représentent, de loin, la principale utilisation des phosphates. Le minerai, en général des phosphates de calcium, peut être épandu directement sur les terres acides après avoir été finement broyé. Ayant tendance à se recombiner au calcium des sols, ce qui le rend moins assimilable, il doit être rendu plus hydrosoluble avant d'être employé sur les sols calcaires, ce qui passe par la fabrication des superphosphates. Suivant l'origine du minerai et le traitement, ces engrais sont susceptibles d'apporter des éléments fertilisants variés outre le calcium et le phosphore. Ces engrais peuvent être d'origine organique (poudre d'os, arêtes de poissons, etc.) ou inorganique (attaque d'acide sur du minerai), ce qui est de plus en plus le cas, hormis en agriculture biologique où les engrais de synthèse sont interdits.
Le superphosphate simple peut être utilisé pour l'assainissement des litières en élevage. Il passe dans le fumier et joue à nouveau un rôle de fertilisant.
Les dihydrogénophosphates H2PO4− de calcium ou sodium (E450) et le phosphate d'aluminium sodique acide (E541) sont utilisés associés au bicarbonate de sodium comme poudre à lever en boulangerie-pâtisserie. Ils ont fait partie des premières levures chimiques, ne laissent pas d'arrière-goût et ont en grande partie remplacé la levure de boulanger.
Les polyphosphates sont utilisés comme prétraitement des eaux calcaires potables ou traitement préalable ou principal à l'adoucissement de l'eau en général. Ils ont été utilisés massivement comme composants des lessives
L'acide phosphorique est généralement obtenu comme coproduit de la fabrication des superphosphates (attaque des minerais phosphatés par l'acide sulfurique).
La phosphatation et ses variantes bondérisation et parkérisation sont des traitements de protection de surface des aciers. On y utilise des bains d'acide phosphorique pour produire une couche superficielle de phosphate de fer.
Des orthophosphates (OP) ajoutés à une eau potabilisée permet de déposer des complexes stables (ex. : pyromorphite, Pb5(PO4)3) avec le fer, le plomb ou le cuivre issu de la corrosion de conduites métalliques. Ces complexes forment un film qui diminue le contact entre l'eau (et son oxygène dissous) et le métal toxique de la paroi interne d'une canalisation métallique. La corrosion est alors inhibée ou ralentie. Un tel traitement est permis au Royaume-Uni et aux États-Unis depuis les années 1990 puis a été utilisé au Canada, et plus en Irlande. En Belgique et en République Tchèque il est utilisé pour protéger les canalisations en fer.