Fosfato de aluminio

¿Qué es el fosfato de aluminio?

El fosfato de aluminio es un sólido inorgánico blanco, una sal del ácido fosfórico y aluminio cuya estructura cristalina es semejante a la de la sílice SiO₂. Es insoluble en agua. Está formado por un ion aluminio Al³⁺ y un ion fosfato PO₄^3-. Su fórmula química es AlPO₄. 

Se puede obtener a partir de alúmina (Al₂O₃) y ácido fosfórico (H₃PO₄). También se puede obtener partiendo de soluciones acuosas de cloruro de aluminio (AlCl₃) y fosfato de sodio (Na₃PO₄).

El fosfato de aluminio tiene un punto de fusión muy alto, por lo que es muy utilizado como componente de cerámicas refractarias, es decir, que aguantan temperaturas muy altas.

Se emplea además como antiácido para el estómago, en mezclas para la reparación de los dientes y como adyuvante de vacunas (para estimular la respuesta inmune del organismo).

Algunos concretos refractarios poseen AlPO₄ en su composición, que incrementa las propiedades mecánicas y de soporte de altas temperaturas de este tipo de cementos.

Ha sido utilizado como escudo protector para evitar que se quemen materiales combustibles, como ciertos polímeros.

Estructura del fosfato de aluminio

El AlPO₄ está formado por un catión aluminio Al³⁺ y un anión fosfato PO₄^3-.

El fosfato de aluminio cristalino se denomina también berlinita o fase alfa (α-AlPO₄) y sus cristales son similares al cuarzo.

La fase alfa del fosfato de aluminio es un sólido formado por una red covalente de tetraedros de PO₄ y AlPO₄ que se alternan y están unidos por los átomos de oxígeno.

Esta estructura es isomorfa con la sílice, es decir, tiene la misma forma que la de la sílice SiO₂.

Nomenclatura del fosfato de aluminio

• Fosfato de aluminio.
• Monofosfato de aluminio.
• Sal de aluminio del ácido fosfórico.

Propiedades del fosfato de aluminio

• Estado físico. Sólido blanco cristalino.
• Peso molecular. 121,93 g/mol.
• Punto de fusión. 1800 °C.
• Densidad. 2,56 g/cm³
• Solubilidad. Insoluble en agua.
• Otras propiedades. La estructura del AlPO₄ es muy similar a la de la sílice SiO₂, por lo que comparte muchas propiedades físicas y químicas de esta. Es un material que resiste temperaturas muy altas sin cambiar su estado físico ni su estructura y sin descomponerse. El AlPO₄ cristalino o berlinita, cuando se calienta, se convierte a una estructura tipo tridimita y luego tipo cristobalita, otras formas de este compuesto que lo asemejan a la sílice SiO₂.

Obtención del fosfato de aluminio

El fosfato de aluminio se puede obtener mediante la reacción entre el ácido fosfórico H₃PO₄ y alúmina Al₂O₃. Se requiere aplicación de temperatura, por ejemplo, entre 100 y 150 °C.

Al₂O₃ + 2 H₃PO₄ = 2 AlPO₄ + 3 H₂O

También se puede obtener uniendo una solución acuosa de cloruro de aluminio AlCl₃ con una solución acuosa de fosfato de sodio Na₃PO₄:

AlCl₃ + Na₃PO₄ = AlPO₄ + 3 NaCl

Usos del fosfato de aluminio 

• En cerámicas. El fosfato de aluminio AlPO₄ se encuentra a menudo en la constitución de las cerámicas de alúmina. La cerámica con alto contenido de alúmina es uno de los materiales que, por su dureza, se utiliza en aplicaciones en las que se requiere resistir altas cargas y condiciones severas. Este tipo de cerámica es resistente a la corrosión, a ambientes con alta temperatura, a la presencia de vapor caliente o en atmósferas reductoras como la de monóxido de carbono (CO). La cerámica de alúmina también posee baja conductividad eléctrica y térmica, por lo que se utiliza para hacer ladrillos refractarios y componentes aislantes de la electricidad. Debido a que el fosfato de aluminio se forma a una temperatura mucho menor que la sílice SiO₂, su producción es más económica, lo que constituye una ventaja en la fabricación de cerámicas adecuadas a servicios exigentes.
• Fabricación de cerámica. Se emplean alúmina Al₂O₃ y ácido fosfórico H₃PO₄ en medio acuoso. El pH de formación preferido es 2-8, pues hay abundancia de especies de ácido fosfórico disueltas, como H₂PO₄^– y HPO₄^2-. A pH ácido, la concentración de iones Al³⁺ es alta, provenientes de la disolución de la alúmina Al₂O₃. En primer lugar, se forma un gel de trihidrógeno difosfato de aluminio hidratado AlH₃(PO₄)₂.H₂O: Al³⁺ + H₂PO₄^– + HPO₄^2- + H₂O ⇔ AlH₃(PO₄)₃.H₂O. Sin embargo, llega un momento en que el pH de la solución baja y se vuelve neutro, donde la alúmina Al₂O₃ presenta una baja solubilidad. En este momento, la alúmina insoluble forma una capa sobre la superficie de las partículas, impidiendo que continúe la reacción. Por lo tanto, es necesario aumentar la solubilidad de la alúmina y esto se logra calentando suavemente. Al calentar a 150 °C, el gel continúa la reacción con alúmina Al₂O₃ liberando agua y se forma la berlinita cristalina (alfa-AlPO₄). Al₂O₃ + 2 AlH₃(PO₄)₃·H₂O AlPO₄ + 4 H₂O. La berlinita une las partículas individuales y se forma la cerámica.
• Otros usos. El AlPO₄ se emplea como antiácido, adsorbente, tamiz molecular, soporte de catalizadores y como recubrimiento para mejorar la resistencia a la corrosión en caliente. 
  • En la obtención de concreto. El fosfato de aluminio es un ingrediente de los concretos refractarios o concretos resistentes al calor. Proporciona excelentes propiedades mecánicas y refractantes a estos concretos, como resistencia al calor. En el intervalo de temperatura entre 1400-1600 °C, el concreto celular basado en fosfato de aluminio es uno de los materiales más eficientes como aislante térmico. No requiere secado; su endurecimiento se alcanza mediante una reacción exotérmica autopropagada. Es posible preparar ladrillos de este material de cualquier forma y tamaño.
  • En cementos dentales. En los cementos dentales, la alúmina se emplea como moderador de reacciones ácido-base, donde el efecto moderador se debe a la formación de fosfato de aluminio sobre las partículas de otros materiales. Estos cementos presentan una muy alta resistencia a la compresión y a la tensión, debida a la presencia del fosfato de aluminio.
  • En vacunas. El AlPO₄ ha sido usado desde hace muchos años en varias vacunas humanas para mejorar la respuesta inmunitaria del organismo. Se dice que el AlPO₄ es un “adyuvante” de las vacunas. El mecanismo aún no se comprende bien. Se sabe que el efecto inmunoestimulante del AlPO₄ depende del proceso de adsorción del antígeno al adyuvante, es decir, de la forma en que se adhiere a este. Un antígeno es un compuesto que, al entrar en el organismo, genera la formación de anticuerpos para combatir una enfermedad específica. Los antígenos se pueden adsorber al AlPO₄ por interacciones electrostáticas o por la unión con ligandos. Se adsorben sobre la superficie del adyuvante. Se cree además que el tamaño de las partículas de AlPO₄ también tiene influencia. A menor tamaño de partícula, la respuesta del anticuerpo es mayor y más duradera.
  • Como retardante de llama en polímeros. El AlPO₄ se ha utilizado como ignífugo y para evitar la combustión o quemado de ciertos polímeros. La adición de AlPO₄ a un polímero de polipropileno que ya posee un retardador de llama hace que se produzca un efecto sinérgico entre ambos retardadores, lo que significa que el efecto es mucho mayor que el de ambos ignífugos por separado. Cuando el polímero es sometido a combustión o quemado en presencia de AlPO₄, se forma un metafosfato de aluminio que penetra en la superficie carbonizada y llena los poros y grietas de esta. Esto conduce a la formación de un escudo protector altamente eficiente para evitar el quemado o combustión del polímero. En otras palabras el AlPO₄ sella la superficie carbonizada y evita que el polímero se queme.

Referencias

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