Het gemiddelde fosforgehalte in zeewater ligt bij ongeveer 60 ppm, waarbij de concentraties heel variabel zijn en in de bovenste waterlagen duidelijk lager zijn dan in de diepzee. Rivierwater bevat over het algemeen fosforconcentraties van circa 20 ppb.
In opgeloste anorganische vorm komt het element vooral als HPO42-, maar ook als H2PO4-, PO43- en H3PO4 voor. In de oceanen is bovendien MgPO4- aanwezig, terwijl het voorkomen van fosfaat hier heel gering is en hooguit de bovenste waterlagen betreft.  Wat betreft de reactie van fosfor met water is bekend, dat het zogenoemde witte fosfor bij contact met vochtige lucht in het donker licht uitstraalt.
Veel fosforverbindingen hydrolyseren in water, wat bijvoorbeeld voor fosfor(III)hydrogeen, fosforoxidechloride en fosfortrichloride geldt. Heftiger reageert fosfor(V)chloride met water waarbij het HCl en H3PO4 oftewel POCl3 en HCl vormt. Fosfor(V)oxide reageert onder sterke opwarming met water tot fosforzuur.
Figuur: Wit fosfor in water (wikipedia.de)
En voorbeeld voor de hydrolyse van metaalfosfiden is het volgende:
Ca3P2 + 6H2O -> 2PH3 + 3Ca(OH)2.
Ook fosfortrifluoride hydrolyseert in water, ook al is deze reactie langzamer dan die van andere trihaliden in water:
PF3 + 3H2O -> H3PO3 + 3HF.
Elementair fosfor is in water onder normale omstandigheden onoplosbaar. Goede oplosbaarheden zijn echter wel bij ijzer(II)fosfaat en fosforigzuur te vinden. Fosforzuur is zelfs tot 5700 g/L in water oplosbaar, terwijl dit bij fosforzuurtri(2-chloorethyl)ester slechts 5-7 g/L zijn. Fosfinen zijn in water bij normale luchtdruk bijna onoplosbaar. Oplosbaarheid en waardoor deze beïnvloed kan worden Fosfaten, de zouten van fosforzuur, komen in de natuur aan veel plaatsen voor, ook omdat zij in verschillende soorten gesteente aanwezig zijn. Zo komt fosfor in vorm van een aantal apatieten voor, bijvoorbeeld als carbonaatfluorapatiet in fosforiet. Fosfaten komen echter niet alleen op natuurlijke manier (fosforcyclus) in water en andere milieucompartimenten terecht, maar ook door menselijke activiteiten. Een grote rol spelen hierbij fosfaathoudende meststoffen die in het water gespoeld worden. Ongeveer 90% van het commercieel gebruikte fosfor wordt hierin toegepast. Zo kan bijvoorbeeld fosforzuur voor de productie van deze meststoffen gebruikt worden. Vroeger werden botten, later fosfaathoudende gesteentes met zwavelzuur behandeld en voor deze doeleinden gebruikt. Ook natuurlijke guano geldt als uitstekende fosfaatbron.
In mest van koeien, varkens en paarden zijn ongeveer 1-2 g fosfor per kilogram te vinden. Door de veehouderij werd zo in 1980 ook wereldwijd zeven keer zo veel fosfaat uitgescheden als door mensen. Bovendien komt het element in de landbouw door het gebruik van fosfororganische herbiciden, insecticiden en fungiciden vrij.
In huishoudelijk afvalwater komen fosfaten uit was- en schoonmaakmiddelen en excrementen terecht. Het gebruik in de eerstgenoemden was heel extreem, omdat fosfaten bijvoorbeeld als waterontharders in wasmiddel werden toegepast. Inmiddels is dit erg teruggegaan en er wordt vaak gebruik gemaakt van vervangende stoffen. Fosfaten hebben bovendien de eigenschap om van de kleding verwijderd vuil in suspensie te houden, zo dat het zich niet weer hierop afzet.
Ook andere fosforverbindingen vinden een commerciële toepassing. Zo wordt het element in rook- en brandbommen net zoals voor de productie van fosforzuur en andere chemicaliën gebruikt. Het zogenoemde rode fosfor speelt een belangrijke rol bij de productie van lucifers. Ook dient het element ter productie van halfgeleiders. Fosfororganische verbindingen kunnen als brandbeveiligingsmiddel, als toevoeging aan smeerolie, in chemische wapens en bij de metaalextractie worden ingezet. Fosforzuur mag sterk verdund als voedingsmiddeladditief gebruikt worden en kan als beschermlaag metaal voor roesten bewaren of roest verwijderen. Andere fosforverbindingen zijn goede weekmakers of worden in lakken en lijm toegepast. Dinatriumfosfaat wordt bij de productie van glas en keramiek en bij het leerlooien ingezet. Het element wordt aan tandpasta toegevoegd en in vorm van metaalfosfiden in witte LED-lampjes gebruikt.
Zwarte fosfor geleidt elektrische stroom en 32P wordt als tracer voor wetenschappelijk onderzoek ingezet. Fosfor is, in vorm van fosfaat, een belangrijk voedingsstof voor zowel planten als dieren. Het is zelfs voor alle soorten organismen essentieel. Fosfaten worden zo ook principieel als ongiftig beschouwd. Het element wordt voor de opbouw van fosfolipiden voor celmembranen, van nucleïnezuren en andere verbindingen gebruikt. Bovendien is het in vorm van ATP (adenosinetrifosfaat) een energieoverdragend molecule dat een belangrijke rol bij een groot aantal biochemische processen speelt.
De fosforconcentratie van normale luchtdroge grond ligt bij ongeveer 200-800 ppm, waarvan meestal ongeveer een helft organisch en de andere helft anorganisch is gebonden. Fosformineralen zijn meestal te slecht oplosbaar om fosfaat in voor planten beschikbare vorm af te geven. Daarom is fosfaat vaak een limiterende factor.
Het plantenbeschikbare fosfaation wordt sterk aan de grond gebonden. Dit is mogelijk als adsorberend anion, maar vooral ook als onoplosbaar ijzer- of aluminiumfosfaat bij lage pH-waardes en als calciumfosfaat bij hoge pH-waardes. In de extreme pH-gebieden is deze binding zo sterk, dat het fosfaat niet meer voor planten beschikbaar is. De beste beschikbaarheid wordt bij pH-waarde 6-7 bereikt.
Planten bestaan tot ongeveer 3% (drogestofgehalte) uit fosfor. Bij een fosfortekort wordt hun groei beperkt en hun bladeren krijgen een donkergroene tot blauwviolette kleur. Dit is de reden waarom in de landbouw vaak fosfaatmeststoffen worden gebruikt. Een positief bijeffect van dit fosfaat is, dat in de mest aanwezige sporen van eventueel schadelijke metalen door fosfaat gestabiliseerd worden en op deze manier niet van planten opgenomen kunnen worden.
Alhoewel fosfaten minder mobiel zijn dan nitraten, kunnen zij bij verzadiging van de grond diepere bodem- en grondwaterlagen bereiken en tot dystrofiering leiden. Ook in oppervlaktewateren kunnen zij grote milieuproblemen veroorzaken. Dit ligt vooral aan hun bijzondere rol bij de eutrofiering van langzaam stromende of staande wateren. Fosfaat is in natuurlijke wateren groeibeperkende factor voor het aanwezige fytoplankton. Deze functie als minimumfactor bestaat niet meer, als het fosfaatgehalte extreem stijgt. De voedingsstofbeschikbaarheid wordt zo groot dat een zogenoemde algenbloei kan ontstaan. Bij de afbraak van afgestorven algen wordt heel veel zuurstof verbruikt, wat de concentratie hiervan zo sterk laat dalen dat veel waterorganismen sterven (zie ook Zuurstof en water, Stikstof en water).
In eerste instantie ontstaat door de versterkte algengroei troebelheid in de deklaag. Hierdoor wordt de inval van licht beperkt, wat de fotosynthese verminderd en op deze manier een zelfregulerend effect heeft. Hieraan levert ook de toename aan zooplankton dat van algen leeft, een bijdrage. Toch komt het ten slotte tot een overmatig zuurstofverbruik door de afbraak van afgestorven plantenresten en plankton. Als onoplosbaar ijzer(III)fosfaat wordt fosfor aan de biologische cyclus onttrokken.
Wordt eenmalig een grotere hoeveelheid fosfaat in het water gebracht, heeft dit nog geen langdurige werking op de ecologische toestand van het oppervlaktewater. Gaat het echter om een continue inbreng van fosfaat kan het zuurstofgehalte in waterlagen dichtbij de grond, waar de meeste afbraakprocessen plaatsvinden, dalen tot bijna nul. Dit betekent ook dat geen aërobe afbraak van biomassa meer plaats kan vinden. Anaërobe bacteriën nemen dit over, maar produceren tegelijkertijd naast methaan ook giftige stofwisselingsproducten zoals ammoniak. De omzetting van ijzer(III)fosfaat tot goed oplosbaar ijzer(II)fosfaat onder de bestaande reducerende condities brengt fosfaat weer terug in de biologische cyclus. Hierdoor wordt de productie van biomassa opnieuw versterkt.
Door toevoeging van 1 g fosfor, kunnen ongeveer 100 g biomassa geproduceerd worden. Bij de afbraak van deze wordt wederom 140 g zuurstof verbruikt. De in het water levende organismen kunnen uiteindelijk niet meer overleven.
Komen fosfaten in rivieren terecht, worden zij meestal direct in de zee gespoeld waar zij langzaam gesedimenteerd worden. De fosfaatconcentratie in de oceanen is heel gering wat aan de onoplosbaarheid van calcium-, magnesium- en ijzerfosfaten ligt. Bovendien bezinkt het in vorm van organische depositie.
De inbreng van fosfaat uit was- en schoonmaakmiddelen in oppervlaktewateren is sterk gedaald, maar ook fosfaatvervangers kunnen een negatief effect op het milieu hebben. Bovendien worden nog steeds fosforhoudende insecticiden gebruikt. Deze worden meestal als ongevaarlijk voor het milieu beschouwd, maar over hun gebonden residuen is nog niet zo veel bekend.
In het dierlijke organisme heeft fosfaat niet alleen de bovengenoemde functies, maar het is in vorm van calciumfosfaat ook bestanddeel van alle dierlijke botten. Bovendien komt het in tanden voor.
Fosfaatverbindingen kunnen een toxische werking op verschillende organismen hebben. Fosfaatester die als insecticiden gebruikt worden, zijn ook voor veel dierlijke waterorganismen giftig. Ook elementair fosfor en fosfor(III)hydrogeen zijn vistoxisch. Zij hebben bovendien een negatief effect op het centrale zenuwstelsel van zoogdieren en irriteren de long.
Er zijn ook een aantal concrete waardes voor de toxiciteit van fosforverbindingen bekend. Zo heeft bijvoorbeeld fosforoxychloride een LD50-waarde van 380 mg/kg bij orale inname door de rat. Deze waarde geeft de dosering aan waarbij de helft van een populatie sterft. De LD50-waarde van trifenylfosfit bedraagt bij orale inname door de rat 1600 mg/kg en die van fosforzuurtrietylester bij orale inname door ratten of muizen 1,3-1,6 g/kg.
Ook voor waterorganismen zijn toxiciteiten in vorm van LC50-waardes bekend die de concentratie van een stof in water aangeven, waarbij 50% van een populatie sterft. Deze liggen bijvoorbeeld voor fosforzuurtrietylester bij 2,1 g/L en voor fosforzuurtri(2-chloorethyl)ester bij 200 mg/L bij de goudwinde binnen 48 uur.
Fosfor(V) wordt bij de zwak waterbedreigende stoffen gerekend. De toxiciteit van elementair fosfor ligt bij een LD50-waarde van 15 g/kg bij ratten en bij een LC50-waarde van 100 mg/L bei de zebravis.
Van nature bestaat slechts een enkel stabiel fosforisotoop. Er zijn inmiddels ook zeven instabiele isotopen. Fosfor is een essentieel element in het menselijke lichaam dat hierin ongeveer 1,1% uitmaakt. De dagelijkse inname via voedingsmiddelen ligt bij omgerekend 1-2 g fosfor, terwijl het lichaam slechts circa 800 mg nodig heeft. De hoogste fosforgehaltes zijn in dierlijke voedingsmiddelen te vinden. Ongeveer 60% van het opgenomen fosfaat wordt in de dunne darm geabsorbeerd. De rest wordt weer uitgescheiden. Meestal nemen wij fosfaat gebonden aan calcium op. Daarom is er bij een voldoende calciumopname ook meestal sprake van een voldoende fosforopname. Fosfaattekort komt nauwelijks voor, waardoor ook geen deficiëntieverschijnselen bij volwassenen bekend zijn. Pasgeboren baby’s met een heel laag geboortegewicht die met moedermelk worden gevoed, nemen vaker te weinig fosfor op. Dit kan hypofosfatemische rachitis veroorzaken. Bij een te geringe calciumopname kan fosfaat een negatieve invloed op de botten hebben en de kans op osteoporose vergroten.
90% van het fosfor is in het skelet ingebouwd. Bovendien is het, ook weer in vorm van hydroxyapatiet, hoofdbestanddeel van het tandglazuur. Dit kan fluorionen binden en in bepaalde mate hydroxyapatiet in sterkere fluorapatiet omwandelen, wat ook de reden is, waarom mondwater met fluoride wordt aangeboden.
Hiernaast is fosfor voor de opbouw van fosfolipiden, van het DNA en van ATP nodig. Het laatstgenoemde heeft de functie van een chemische batterij en kan energie opslaan en weer vrijgeven, als deze benodigd wordt. Per uur wordt meer dan een kilogram ATP geproduceerd, verbruikt en gerecycled. Hiervoor moet glucose worden afgebroken. Fosfor speelt bovendien een rol bij het transport van stoffen in het bloed en bij een groot aantal stofwisselingsprocessen. Het is bestanddeel van enzymen en ook onderdeel van het voor enzymprocessen belangrijke co-enzym NADP. Het DNA, ATP en de meeste organofosfaten hebben een negatieve lading wat vooral door positief geladen magnesiumionen wordt gecompenseerd.
Elementair fosfor is voor de mens giftig, wat vooral voor wit fosfor geldt. Het tast de lever aan en leidt op deze manier binnen een week na inname van een grotere dosis tot de dood. Hoeveelheden van 60-100 mg opgelost fosfor gelden als dodelijk voor volwassenen. Bij kleine kinderen zijn dit zelfs slechts circa 3 mg. In de natuur komt het echter alleen in vorm van fosfaationen en organofosfaten voor.
Anorganische fosfaten worden als redelijk ongevaarlijk beschouwd. Zij kunnen echter wel de absorptie van zink verminderen. Bovendien kan een te grote concentratie in het lichaam van kinderen hyperactiviteit veroorzaken. De toepassing van fosfaten als voedingsmiddeladditieven wordt als veilig beschouwd. Er zijn echter ook wel giftige fosforverbindingen.
Het inhaleren van fosfordamp kan een verandering van het kaakbeen veroorzaken. Bij het in afvalwater voorkomende fosfor gaat het meestal om fosfaten en hierbij wederom om orthofosfaat, polyfosfaat en organisch gebonden fosfaat. Het aandeel aan anorganisch orthofosfaat is echter wel het grootst. De meest gebruikte methodes ter verwijdering van fosfaat zijn coagulatie en biologische fosfaatverwijdering. De coagulatie kan bij de voor- of nabehandeling, in een speciale tank of samen met de biologische afvalwaterbehandeling plaatsvinden. De biologische fosfaatverwijdering hoort bij de derde trap van een rioolwaterzuiveringsinstallatie.
Effectieve middelen om fosfaten te laten neerslaan zijn bijvoorbeeld aluminiumsulfaat, ijzer(III)chloride en kalk. De coagulatie van fosfaten kan door verandering van de pH-waarde worden gesteund, omdat hun oplosbaarheid sterk pH-afhankelijk is. Hoe alkalischer een oplossing is, hoe meer fosfaationen vormen een slecht oplosbare neerslag. De coagulatie van polyfosfaten is alleen na een voorafgaande hydrolyse mogelijk (P3O105- + 6H2O -> 3 PO43- + 4H3O+).
De gevormde fosfaatvlokken kan men na de neerslagreactie laten bezinken of met behulp van zandfilters affiltreren. Bovendien bestaat de mogelijkheid om fosfaat op zandkorrels of zelfs magnetietkorreltjes neer te laten slaan. De laatstgenoemden kunnen vervolgens met behulp van magneten uit het water worden verwijderd.
Een nadeel van het gebruik van coagulatiemiddelen is, dat op deze manier ijzer- en aluminiumzouten in oppervlaktewateren worden gebracht.
Bij de biologische fosfaatverwijdering nemen micro-organismen het fosfaat in hun biomassa op. Het gaat hierbij dus om een soort van eutrofiering onder gecontroleerde omstandigheden. Komt echter te veel fosfaat in de afvalwaterzuiveringsinstallatie terecht, sterven ook alle organismen in dit water af. Bovendien is voor de effectiviteit van de biologische afvalwaterzuivering een gunstige verhouding van koolstof, stikstof en fosfor belangrijk. Een aantal bacteriesoorten kan fosfor in grotere hoeveelheden opnemen dan voor hun celgroei nodig is en het in vorm van polyfosfaten opslaan. Dit gebeurt vooral bij een snelle wissel van anaërobe en aërobe condities. Dit is ook de reden waarom het proces goed met de nitrificatie en denitrificatie tijdens de stikstofverwijdering (zie Stikstof en water) gecombineerd kan worden.
Fosfor dat zich ten slotte in het celmateriaal bevindt, wordt in zogenoemde actief slibvlokken opgeslagen. Het kan later eventueel weer als mest gebruikt worden. Ook de toepassing van waterhyacinten of helofytenfilters is geschikt voor de biologische verwijdering van fosfor en stikstof.
Een andere mogelijkheid is de verwijdering van fosfaationen met behulp van ionenwisselaars.
Ook fosfaten zelf worden bijvoorbeeld voor de waterontharding gebruikt. In het Nederlandse Waterleidingbesluit wordt een normwaarde voor het totale fosfaatgehalte in drinkwater van 2,2 mg/L genoemd. Literatuurverwijzingen
Terug naar het periodiek systeem der elementen
Terug naar de overzicht van elementen en water | | | | |
