Fosfato de bismuto (BiPO₄)

El fosfato de bismuto (BiPO₄) es un compuesto inorgánico con la fórmula molecular BiPO₄ y un peso molecular de 303,95 g/mol. Se presenta como un polvo blanco o blanquecino, o como un sólido cristalino monoclínico que no se funde al calentarse. Su densidad es de 6,32 g/mL a 25 °C. El fosfato de bismuto es ligeramente soluble en agua y ácidos diluidos, pero no se hidroliza en agua hirviendo. Es prácticamente insoluble en alcohol y ácido acético, pero se disuelve en ácido nítrico concentrado y ácido clorhídrico. A continuación, se presenta una introducción detallada al fosfato de bismuto:

Propiedades

El fosfato de bismuto tiene una fórmula molecular de BiO4P y un peso molecular de 303,951741. Su número de registro CAS es 10049-01-1. Existe como un polvo inodoro o cristales monoclínicos. Su estructura cristalina puede variar dependiendo del método de síntesis, como formas cúbicas tipo sillenita o monoclínicas. Los parámetros de red del fosfato de bismuto cúbico tipo sillenita son a = 10,1773(2) Å, mientras que los del fosfato de bismuto monoclínico son a = 6,4717(3) Å, b = 6,9385(3) Å, c = 6,7497(3) Å y β = 103,696°. Su constante de producto de solubilidad (pKsp) es 22,89. Es insoluble en agua y álcalis pero soluble en ácido clorhídrico.

Métodos de síntesis

Método de reacción en estado sólidoEste es uno de los métodos de síntesis más comunes. Por ejemplo, el Bi₂O₃ y el K₃PO₄ se pueden dispersar en agua desionizada y luego calentar a 850 °C durante 2 horas para obtener BiPO₄. Otro método consiste en hacer reaccionar nitrato de bismuto y dihidrogenofosfato de amonio. Primero, se obtiene BiPO₄ puro mediante la reacción de nitrato de bismuto y dihidrogenofosfato de amonio. Luego, se puede sintetizar fosfato de bismuto recubierto de carbono amorfo mediante un proceso posterior de recubrimiento de carbono.

Método de síntesis hidrotermalPor ejemplo, se mezclan 97 mg (0,2 mmol) de Bi(NO3)3·5H2O y 26,3 mg (0,2 mmol) de (NH4)2HPO4 con 10 mL de agua desionizada y se agitan en un recipiente de teflón de 15 mL a temperatura ambiente hasta obtener una mezcla homogénea. El recipiente de teflón se transfiere a un autoclave de acero inoxidable y se calienta a 220 °C durante 24 horas. El producto se filtra y se lava con agua desionizada, etanol y acetona, seguido de un secado al aire a 80 °C para obtener BiPO₄ monoclínico. El BiPO₄ cúbico también se puede sintetizar mediante métodos hidrotermales. Por ejemplo, se mezclan Bi(NO3)3·5H2O y (NH4)2HPO4 con otros aditivos y agua, se agitan y se someten a un tratamiento hidrotermal a 180 °C durante 24 horas. Tras enfriarse, el precipitado se filtra, se lava y se seca para obtener BiPO₄ cúbico.

Método de síntesis solvotérmicaSe colocan etilenglicol y glicerina en un recipiente de reacción y se mezclan uniformemente. Se añade ácido tartárico y se agita hasta obtener una mezcla homogénea. A continuación, se añade nitrato de bismuto pentahidratado y se agita. Se añade una cantidad molar igual de fosfato soluble, se agita y se transfiere a un reactor hidrotermal para la reacción solvotérmica a 160 °C durante 24 horas. Tras la centrifugación, el lavado y el secado al vacío a 60 °C durante 12 horas, se obtienen fotocatalizadores de fosfato de bismuto con diferentes morfologías.

Aplicaciones

Detección de humedadEl fosfato de bismuto presenta prometedoras propiedades de detección de humedad. El fosfato de bismuto cúbico tipo sillenita muestra un cambio de capacitancia de hasta cuatro órdenes de magnitud en un rango de humedad relativa (HR) del 11 % al 95 %, junto con una relación lineal de adsorción/desorción. Su comportamiento de detección de humedad está relacionado con la presencia de una estructura reticular que contiene cationes Bi³⁺ polarizables y un dopaje moderado de fosfato. En comparación con el BiPO₄ monoclínico, el fosfato de bismuto cúbico muestra propiedades de detección de humedad superiores y más lineales, tiempos de respuesta más rápidos y un mejor comportamiento de respuesta, lo que lo convierte en un candidato potencial para sensores de humedad.

Campos ópticos y magnetoópticosLos nanocristales de fosfato de bismuto sintetizados en vidrio de fosfato de bajo punto de fusión exhiben propiedades ópticas y magnetoópticas únicas. Los espectros de transmisión óptica de las muestras de vidrio indican que el desplazamiento al rojo en el borde de absorción se atribuye a la presencia de nanopartículas de BiPO₄. Las pruebas de rotación de Faraday en el nanocompuesto de vidrio muestran que la constante de Verdet de las nanopartículas de BiPO₄ en vidrio de fosfato es tres veces mayor que la del vidrio BK-7. Los nanocompuestos de vidrio de fosfato de bismuto podrían tener aplicaciones potenciales en dispositivos magnetoópticos.

CatálisisEl fosfato de bismuto puede utilizarse como catalizador en síntesis orgánica, por ejemplo, en la deshidratación de alcoholes a olefinas, la isomerización de olefinas, la nitración de hidrocarburos aromáticos, la polimerización de aldehídos y otras reacciones. También es una fuente de fosfatos para reacciones de intercambio en estado sólido, que permiten obtener fosfatos metálicos como los de magnesio, calcio y zinc.

Campo médicoEl fosfato de bismuto, junto con sus formas de aluminato y subcarbonato, se ha utilizado para tratar diversos trastornos gastrointestinales. Además, los compuestos de bismuto exhiben una potente actividad antimicrobiana contra patógenos bacterianos Gram positivos y Gram negativos. Leishmaniay hongos. Estudios recientes han demostrado que los compuestos de bismuto pueden actuar como coadyuvantes antibióticos para tratar infecciones microbianas multirresistentes, cáncer e infecciones virales, incluido el SARS-CoV-2. Sin embargo, debido a su baja biodisponibilidad en entornos fisiológicos, se han desarrollado y probado biológicamente muchos compuestos de bismuto con propiedades fisicoquímicas mejoradas y nuevas modalidades de administración para la liberación de bismuto.

Industria nuclearEl fosfato de bismuto se utiliza en la separación del plutonio de los productos de fisión.

Fabricación de vidrioSe utiliza en la producción de vidrio óptico flint.

Información de seguridad

El fosfato de bismuto irrita la piel, el sistema respiratorio y los ojos. Es tóxico si se ingiere. La exposición prolongada puede suponer riesgos para la salud. Sin embargo, no es combustible y no reacciona violentamente con otros compuestos químicos. Sus indicaciones de riesgo y seguridad lo clasifican como WGK Alemania 3 y figura en el inventario TSCA.

Perspectivas del mercado

Las propiedades únicas del fosfato de bismuto lo convierten en un material ampliamente utilizado en campos como la química, la ciencia de los materiales, la electrónica y la medicina. Con el desarrollo de industrias como la de las energías renovables y la optoelectrónica, se prevé un aumento en la demanda de fosfato de bismuto de alta pureza. La investigación sobre sus métodos de síntesis y aplicaciones seguirá avanzando, ampliando aún más su potencial de mercado.