Clasificación y regla de basicidad
Las moléculas de los ácidos del fósforo forman un tetraedro. La regla clave que determina sus propiedades establece que únicamente los átomos de hidrógeno que forman parte de los grupos hidroxilo (–OH) pueden disociarse y ser reemplazados por un metal. El hidrógeno unido directamente al átomo de fósforo (enlace P–H) no participa en la formación de sales.
Basándose en esta regla, se distinguen tres ácidos principales:
- Ácido hipofosforoso ($H_3PO_2$). Contiene un grupo –OH y dos enlaces P–H. Es monoprótico. Forma sales llamadas hipofosfitos.
- Ácido fosforoso ($H_3PO_3$). Contiene dos grupos –OH y un enlace P–H. Es diprótico. Forma sales llamadas fosfitos.
- Ácido ortofosfórico (fosfórico) ($H_3PO_4$). Los tres átomos de hidrógeno forman parte de los grupos –OH. Es un ácido triprótico que forma fosfatos.
Disociación del ácido ortofosfórico
El ácido fosfórico se disocia en disoluciones acuosas de forma escalonada. En la primera etapa se comporta como un ácido de fuerza moderada: a una concentración de 0,1 mol/l, el grado de disociación alcanza aproximadamente el 20%. En esta fase se forman un catión hidrógeno y un ion dihidrogenofosfato ($H_2PO_4^-$).
En la segunda etapa, donde se desprende el segundo protón, ya se convierte en un ácido débil. La tercera etapa de disociación es extremadamente débil; en esta fase el compuesto apenas supera en fuerza al agua corriente.
Solubilidad de los fosfatos
La solubilidad de las sales del ácido fosfórico en agua obedece a un patrón claro. Las sales neutras (fosfatos trisustituidos) son prácticamente insolubles en agua. La única excepción son las sales de iones monovalentes, por ejemplo, los metales alcalinos. En cambio, las sales ácidas (mono- y disustituidas) se disuelven mucho mejor.
Esta diferencia está relacionada con la estructura de la red cristalina: al pasar de $PO_4^{3-}$ a $H_2PO_4^-$, la carga del anión disminuye, lo que debilita los enlaces iónicos y facilita la disolución.
| Sal | Fórmula | Tipo de sal | Solubilidad a 20 °C (mg/l) |
|---|---|---|---|
| Fosfato de calcio | $Ca_3(PO_4)_2$ | Insoluble | 0,2 |
| Hidrogenofosfato de calcio | $CaHPO_4$ | Poco soluble | 70 |
| Dihidrogenofosfato de calcio | $Ca(H_2PO_4)_2$ | Bien soluble | 15 000 |
Propiedades químicas: hidrólisis y calentamiento
Los fosfatos neutros solubles son propensos a una hidrólisis muy intensa. Un ejemplo interesante es el fosfato de amonio trisustituido, el cual simplemente no existe en disolución acuosa. El ion amonio ($NH_4^+$) posee propiedades ácidas más fuertes que el ion hidrogenofosfato. Debido a esto, el amonio cede su protón al fosfato, lo que da lugar a la liberación de amoníaco ($NH_3$).
Al calentar sales sólidas, su estabilidad depende del tipo de sal. Las sales neutras de metales del bloque s toleran bien el calor. Sin embargo, las sales ácidas son térmicamente inestables y entran en reacciones de deshidratación (condensación):
- Los hidrogenofosfatos pierden agua y se transforman en difosfatos (pirofosfatos).
- Los dihidrogenofosfatos experimentan cambios escalonados: primero se convierten en difosfatos ácidos y, al calentarlos más, forman metafosfatos poliméricos.
Obtención y papel biológico
A nivel industrial, el ácido fosfórico se obtiene mediante una reacción de descomposición por doble desplazamiento. Los minerales naturales (apatita o fosforita, que contienen $Ca_3(PO_4)_2$) se tratan con ácido sulfúrico. Dependiendo de la proporción exacta de los reactivos, se puede obtener ácido ortofosfórico puro o valiosas sales ácidas (fertilizantes como el precipitado o el superfosfato).
Desde el punto de vista biológico, para que las reacciones bioquímicas transcurran con normalidad, los organismos vivos necesitan exclusivamente fósforo «inorgánico», en el cual está presente el enlace entre el fósforo y el oxígeno. Los compuestos organofosforados (con enlace P–C) son, en su mayoría, extremadamente tóxicos y se utilizan en la agricultura como plaguicidas e insecticidas.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Qué aniones se forman en cada una de las tres etapas de disociación del ácido ortofosfórico?
En las tres etapas de disociación del ácido ortofosfórico se forman sucesivamente los iones dihidrogenofosfato, hidrogenofosfato y fosfato.
- Ion dihidrogenofosfato ($\text{H}_2\text{PO}_4^-$): se forma en la primera etapa de desprendimiento de un protón a partir de la molécula neutra.
- Ion hidrogenofosfato ($\text{HPO}_4^{2-}$): se forma en la segunda etapa.
- Ion fosfato ($\text{PO}_4^{3-}$): se forma en la tercera etapa.
La contribución principal a la concentración de iones hidrógeno la aporta únicamente la primera etapa, ya que en cada fase sucesiva el grado de disociación disminuye drásticamente debido a la atracción electrostática del protón que se separa hacia el anión cargado negativamente.
¿Qué papel desempeñan los hidrogenofosfatos y dihidrogenofosfatos en el mantenimiento del equilibrio ácido-base de la sangre?
Los hidrogenofosfatos y dihidrogenofosfatos forman el sistema tampón fosfato, que mantiene constante el pH sanguíneo (7,40 ± 0,05) y la relación óptima de los componentes del sistema tampón bicarbonato.
- Ion hidrogenofosfato ($HPO_4^{2-}$): componente alcalino, neutraliza el exceso de protones cuando el medio se acidifica.
- Ion dihidrogenofosfato ($H_2PO_4^-$): componente ácido, neutraliza el exceso de bases.
En la sangre, estos componentes se encuentran en una proporción de 1:4. Al aumentar la concentración de iones hidrógeno, el hidrogenofosfato los une para formar dihidrogenofosfato, cuyo exceso es posteriormente excretado por los riñones. Este sistema también desempeña un papel fundamental en la regulación intracelular del equilibrio ácido-base.
¿Qué enzimas llevan a cabo la transferencia de grupos fosfato a sustratos orgánicos en la célula?
La transferencia de grupos fosfato a sustratos orgánicos es realizada por las enzimas quinasas (fosfotransferasas), pertenecientes a la clase de las transferasas.
- Proteincinasas (por ejemplo, proteincinasa A, MEK-cinasa, MAPK-cinasa): fosforilan proteínas en residuos de aminoácidos específicos (treonina, tirosina).
- Nucleósido monofosfato quinasas y nucleósido difosfato quinasas: participan en la síntesis de nucleótidos al transformar monofosfatos en difosfatos y trifosfatos.
- Piridoxal quinasa: transfiere un grupo fosfato al piridoxal.
Las quinasas catalizan reacciones de transferencia de grupos fosfato de un compuesto a otro, utilizando más frecuentemente una molécula de ATP como donante.
¿En qué enfermedades se produce el depósito patológico de fosfatos de calcio insolubles en los tejidos del organismo?
El depósito patológico de sales de calcio se produce en la calcificación distrófica de los tejidos y en ciertas nefropatías.
- Tuberculosis: la calcificación se desarrolla en áreas de necrosis caseosa.
- Aterosclerosis: la calcificación distrófica se desarrolla en las placas aterosclerosas.
- Tumores malignos (por ejemplo, sarcomas): la calcificación puede ser un signo de cambios secundarios.
- Nefrocalcinosis: calcificación del parénquima renal; la nefrocalcinosis medular está asociada con el hiperparatiroidismo, el riñón en esponja medular, la acidosis tubular renal, la hipervitaminosis D y la hiperoxaluria primaria, mientras que la cortical se relaciona con la necrosis cortical aguda, la glomerulonefritis crónica y la hiperoxaluria primaria.
- Nefrolitiasis: formación de cálculos en el sistema recolector de los riñones.
Asimismo, la calcificación distrófica se desarrolla en zonas de infarto, trombos antiguos, válvulas cardiacas con cambios fibrosos y cápsulas de parásitos.
Para determinar rápidamente la basicidad de un ácido del fósforo a partir de su fórmula, reste uno al número de átomos de oxígeno. H3PO2 (2 oxígenos − 1) = monoprótico. H3PO3 (3 − 1) = diprótico. H3PO4 (4 − 1) = triprótico.
Preguntas de clases y exámenes
¿Por qué el ácido fosforoso ($H_3PO_3$) es dibásico si contiene tres átomos de hidrógeno?
En la molécula de ácido fosforoso, solo dos átomos de hidrógeno están unidos al oxígeno (formando grupos hidroxilo). El tercer hidrógeno está unido directamente al fósforo, por lo que no es capaz de disociarse en solución ni de ser reemplazado por un metal.
¿Existe el fosfato de amonio neutro en el agua?
No, se descompone en solución acuosa. El catión amonio actúa como un ácido más fuerte que el anión hidrogenofosfato, por lo que le cede un protón con formación de amoníaco.
¿Por qué las sales ácidas de calcio se disuelven mejor que las neutras?
Cuanto menor es la carga del anión (en el dihidrogenofosfato es -1, y en el fosfato neutro es -3), más débil es la red cristalina de la sal. Una estructura menos resistente es destruida con mucha mayor facilidad por las moléculas de agua.
Qué más repasar sobre el tema
- Procesos de polimerización: formación de los ácidos difosfórico, trifosfórico y metafosfóricos.
- Escritura de ecuaciones de reacciones de neutralización de diversos ácidos del fósforo con exceso de hidróxido de potasio.
- Particularidades de los cálculos estequiométricos en la síntesis industrial de superfosfato y precipitados.
- Mecanismos toxicológicos de la intoxicación por compuestos organofosforados.
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