Фосфат кальция: от кристаллической решётки до роли в организме

От кристаллической решётки до роли в организме

Соль с формулой Ca3(PO4)2 встречается в природе повсеместно - именно она формирует основу таких минералов, как апатиты, гидроксиапатиты и фосфориты, а потому обильно присутствует в почве. За соединением закрепилось несколько равноправных наименований: помимо систематического «ортофосфат кальция», его называют трикальцийфосфатом и фосфорнокислым кальцием. Ниже последовательно раскрываются устройство вещества, его физика и химия, лабораторные и заводские пути синтеза, а также широкий круг практических задач и биологическое значение.

Что скрывается за формулой Ca3(PO4)2

Прежде чем переходить к свойствам, стоит зафиксировать точную трактовку понятия и разобрать внутреннее строение молекулы.

По своей природе вещество относится к классу солей. Внутри него катионы кальция (Ca2+) и кислотные остатки (PO43-) удерживаются ионными связями. Растворимость соли ничтожна: возникая в растворе, она немедленно осаждается на дно.

Физические и химические характеристики

Разберём сначала внешние и измеримые параметры соединения, а затем его поведение в реакциях.

Внешний вид и измеримые параметры

При обычных условиях трикальцийфосфат - белое вещество, встречающееся либо в форме кристаллов, либо в виде порошка. Вода растворяет его крайне слабо. Кристаллическая решётка соли существует в двух модификациях: моноклинной (её элементарная ячейка напоминает скошенный параллелепипед) и гексагональной (в основании такой ячейки лежит шестиугольник). Числовые показатели удобно собрать в таблицу.

Реакционная способность

Будучи типичной солью, ортофосфат кальция способен обмениваться ионами с кислотами, основаниями и прочими солями. Условие всегда одно: в ходе превращения должен рождаться осадок, газ либо более слабый электролит. Ниже собраны показательные примеры.

• Взаимодействие с ортофосфорной кислотой. Реакция с собственной кислотой порождает кислую соль - гидрофосфат кальция (CaHPO4).
• Восстановление коксом в присутствии кремнезёма. На этом процессе строится промышленное получение фосфора: в печь загружают углерод (C), песок (SiO2) и фосфорсодержащее сырьё с Ca3(PO4)2. При выдержке заданной температуры образуются фосфор (P), силикат кальция (CaSiO3) и угарный газ (CO).
• Обмен с соляной кислотой. Здесь роль слабого электролита достаётся фосфорной кислоте, поэтому осадок растворяется.
• Реакция с сульфатом лития. Ca3(PO4)2 + 3Li2SO4 = 2Li3PO4↓ + 3CaSO4.
• Контакт с оксидом азота (IV) и водой. Ca3(PO4)2 + 3NO2 + H2O → Ca(NO3)2 + 2CaHPO4 + NO. При этом NO2 частью восстанавливается до нитрата кальция, частью окисляется до газообразного NO, а сам фосфат без смены степени окисления переходит в гидрофосфат.
• Окислительное превращение с углеродом при 1000 °C. Ca3(PO4)2 + 8C = Ca3P2 + 8CO.

Способы получения

Выбор методики напрямую зависит от того, какой объём вещества требуется - скромная лабораторная порция или тонны для промышленности.

Лабораторные приёмы

В лаборатории гнаться за большим выходом незачем, поэтому предпочтение отдают вариантам с малым расходом реактивов. Первый путь - ионный обмен нитрата кальция с гидрофосфатом натрия; образовавшийся осадок выпаривают в чаше и получают белые кристаллы искомой соли.

3Ca(NO3)2 + 2Na2HPO4 = Ca3(PO4)2 + 4NaNO3 + 2HNO3.

Второй маршрут опирается на реакцию гашёной извести с ортофосфорной кислотой, дающую фосфат кальция и воду.

3Ca(OH)2 + 2H3PO4 = Ca3(PO4)2 + 6H2O.

Промышленная технология

Заводское производство преследует иную цель - максимум продукта при минимальных затратах, поэтому лабораторные схемы здесь неприменимы. В дело идут громадные объёмы природного сырья: апатиты и фосфориты растворяют в фосфорной кислоте, а на выходе получают раствор кислых кальциевых солей фосфорной кислоты.

Сферы применения

Практическая ценность ортофосфата кальция охватывает сразу несколько отраслей.

• Сельское хозяйство. Соль вводят в комбикорма для скота и птицы, восполняя дефицит кальция, а также включают в состав минеральных удобрений.
• Фармакология. Вещество входит в отдельные лекарственные препараты, служит биодобавкой при кальциевой недостаточности и применяется при выпуске питательных зубных паст.
• Промышленность. Здесь соединение выступает сырьём для стекла и абразивов, а кроме того, из него получают фосфор.

Пищевая добавка E341

В пищевой индустрии фосфат кальция известен под кодом E341. Он выполняет роль разрыхлителя, стабилизатора и средства, удерживающего естественную окраску продуктов. Его добавляют в самые разные категории пищи:

• творожные сырки и мороженое;
• хлебобулочные и ликёро-водочные изделия;
• мясные и рыбные продукты;
• спортивное питание, готовые завтраки и снеки;
• травяные чаи;
• консервы и тушёнку;
• рафинированные масла и выпечку.

Биологическое значение и возможные риски

Фосфат кальция - один из ключевых компонентов костной ткани, работающий строительным материалом при формировании костей и зубов.