Fluoruro

Fluoruro () es un anión monoatómico inorgánico de flúor, con la fórmula química F⁻
(también escrito [F]⁻
), cuyas sales suelen ser blancas o incoloras. Las sales de fluoruro suelen tener un sabor amargo característico y no tienen olor. Sus sales y minerales son importantes reactivos químicos y productos químicos industriales, utilizados principalmente en la producción de fluoruro de hidrógeno para fluorocarbonos. El fluoruro se clasifica como una base débil ya que solo se asocia parcialmente en solución, pero el fluoruro concentrado es corrosivo y puede atacar la piel.

El fluoruro es el anión de flúor más simple. En términos de carga y tamaño, el ion fluoruro se parece al ion hidróxido. Los iones de fluoruro se encuentran en la Tierra en varios minerales, particularmente en la fluorita, pero están presentes solo en cantidades mínimas en cuerpos de agua en la naturaleza.

Nomenclatura

Los fluoruros incluyen compuestos que contienen fluoruro iónico y aquellos en los que el fluoruro no se disocia. La nomenclatura no distingue estas situaciones. Por ejemplo, el hexafluoruro de azufre y el tetrafluoruro de carbono no son fuentes de iones de fluoruro en condiciones ordinarias.

El nombre sistemático fluoruro, el nombre IUPAC válido, se determina según la nomenclatura aditiva. Sin embargo, el nombre fluoruro también se utiliza en la nomenclatura de composición de la IUPAC que no tiene en cuenta la naturaleza de los enlaces involucrados. Fluoruro también se usa de forma no sistemática para describir compuestos que liberan fluoruro al disolverse. El fluoruro de hidrógeno es en sí mismo un ejemplo de un nombre no sistemático de esta naturaleza. Sin embargo, también es un nombre trivial y el nombre preferido de la IUPAC para fluorano.

Ocurrencia

Cristales de fluorita

Se estima que el flúor es el decimotercer elemento más abundante en la corteza terrestre y se encuentra ampliamente disperso en la naturaleza, completamente en forma de fluoruros. La gran mayoría se encuentra en depósitos minerales, de los cuales el más importante comercialmente es la fluorita (CaF₂). La meteorización natural de algunos tipos de rocas, así como las actividades humanas, liberan fluoruros en la biosfera a través de lo que a veces se denomina el ciclo del flúor.

En agua

El fluoruro está presente de forma natural en las fuentes de agua subterránea, dulce y salada, así como en el agua de lluvia, especialmente en las zonas urbanas. Los niveles de fluoruro del agua de mar suelen estar en el rango de 0,86 a 1,4 mg/L, y tienen un promedio de 1,1 mg/L (miligramos por litro). A modo de comparación, la concentración de cloruro en el agua de mar es de aproximadamente 19 g/L. La baja concentración de fluoruro refleja la insolubilidad de los fluoruros alcalinotérreos, por ejemplo, CaF₂.

Las concentraciones en agua dulce varían más significativamente. El agua superficial, como ríos o lagos, generalmente contiene entre 0,01 y 0,3 mg/L. Las concentraciones de agua subterránea (agua de pozo) varían aún más, dependiendo de la presencia de minerales locales que contienen fluoruro. Por ejemplo, se han detectado niveles naturales de menos de 0,05 mg/L en partes de Canadá, pero de hasta 8 mg/L en partes de China; en general, los niveles rara vez superan los 10 mg/litro

• En partes de Asia las aguas subterráneas pueden contener niveles peligrosamente altos de flúor, lo que provoca graves problemas de salud.
• En todo el mundo, 50 millones de personas reciben agua de suministros de agua que naturalmente tienen cerca del "nivel óptimo".
• En otros lugares el nivel de fluoruro es muy bajo, a veces conduce a la fluoración de los suministros públicos de agua para llevar el nivel a alrededor de 0,7–1,2 ppm.
• La minería puede aumentar los niveles locales de fluoruro

El fluoruro puede estar presente en la lluvia, y su concentración aumenta significativamente con la exposición a la actividad volcánica o la contaminación atmosférica derivada de la quema de combustibles fósiles u otros tipos de industrias, en particular las fundiciones de aluminio.

En plantas

Toda la vegetación contiene algo de fluoruro, que se absorbe del suelo y el agua. Algunas plantas concentran más fluoruro de su entorno que otras. Todas las hojas de té contienen fluoruro; sin embargo, las hojas maduras contienen de 10 a 20 veces los niveles de fluoruro de las hojas jóvenes de la misma planta.

Propiedades químicas

Básica

El fluoruro puede actuar como base. Puede combinarse con un protón ( H+):

F− + H+ → HF

()1)

Esta reacción de neutralización forma fluoruro de hidrógeno (HF), el ácido conjugado del fluoruro.

En solución acuosa, el fluoruro tiene un valor de pKb de 10,8. Por lo tanto, es una base débil y tiende a permanecer como ion fluoruro en lugar de generar una cantidad sustancial de fluoruro de hidrógeno. Es decir, el siguiente equilibrio favorece el lado izquierdo en el agua:

F− + H2O <math alttext="{displaystyle {ce {<}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">↽ ↽ − − ⇀ ⇀ {displaystyle {ce {} {cHFF} {fn}}} {fn}}} {fn}} {fn}}}}<img alt="{displaystyle {ce {<}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c78d3cd51f1e83cb464dcf6fec2e692339f2c642" style="vertical-align: -0.505ex; width:3.358ex; height:3.009ex;"/> HF + HO−

()2)

Sin embargo, tras un contacto prolongado con la humedad, las sales de fluoruro solubles se descomponen en sus respectivos hidróxidos u óxidos, a medida que se escapa el fluoruro de hidrógeno. El fluoruro es distinto en este sentido entre los haluros. La identidad del solvente puede tener un efecto dramático en el equilibrio, desplazándolo hacia el lado derecho, aumentando en gran medida la velocidad de descomposición.

Estructura de las sales de fluoruro

Las sales que contienen fluoruro son numerosas y adoptan innumerables estructuras. Por lo general, el anión fluoruro está rodeado por cuatro o seis cationes, como es típico para otros haluros. El fluoruro de sodio y el cloruro de sodio adoptan la misma estructura. Para los compuestos que contienen más de un fluoruro por catión, las estructuras a menudo se desvían de las de los cloruros, como lo ilustra el principal mineral de fluoruro, la fluorita (CaF₂), donde el Ca²⁺ Los iones están rodeados por ocho centros F⁻. En CaCl₂, cada ion Ca²⁺ está rodeado por seis centros Cl⁻. Los difluoruros de los metales de transición a menudo adoptan la estructura de rutilo mientras que los dicloruros tienen estructuras de cloruro de cadmio.

Química inorgánica

Tras el tratamiento con un ácido estándar, las sales de fluoruro se convierten en fluoruro de hidrógeno y sales metálicas. Con ácidos fuertes, puede protonarse doblemente para dar H2F+. La oxidación del fluoruro da flúor. Las soluciones de fluoruros inorgánicos en agua contienen F⁻ y bifluoruro HF⁻
₂. Pocos fluoruros inorgánicos son solubles en agua sin sufrir una hidrólisis significativa. En cuanto a su reactividad, el fluoruro difiere significativamente del cloruro y otros haluros, y se solvata más fuertemente en solventes próticos debido a su menor relación radio/carga. Su pariente químico más cercano es el hidróxido, ya que ambos tienen geometrías similares.

Fluoruro desnudo

La mayoría de las sales de fluoruro se disuelven para dar el bifluoruro (HF⁻
₂) anión. Las fuentes de aniones F⁻ verdaderos son raras porque el anión fluoruro altamente básico extrae protones de muchas fuentes, incluso adventicias. El fluoruro no solvatado relativo, que existe en los disolventes apróticos, se denomina "desnudo". El fluoruro desnudo es una base de Lewis fuerte y un poderoso nucleófilo. Algunas sales de amonio cuaternario de fluoruro desnudo incluyen fluoruro de tetrametilamonio y fluoruro de tetrabutilamonio. El fluoruro de cobaltocenio es otro ejemplo. Sin embargo, todos ellos carecen de caracterización estructural en disolventes apróticos. Debido a su alta basicidad, muchas de las llamadas fuentes de fluoruro desnudo son, de hecho, sales de bifluoruro. A fines de 2016, se sintetizó fluoruro de imidazolio, que es la aproximación más cercana a un ejemplo termodinámicamente estable y estructuralmente caracterizado de un 'desnudo'. fuente de fluoruro en un solvente aprótico (acetonitrilo). El catión de imidazolio estéricamente exigente estabiliza los aniones discretos y los protege de la polimerización.

Bioquímica

A valores de pH fisiológicos, el fluoruro de hidrógeno suele estar totalmente ionizado a fluoruro. En bioquímica, el fluoruro y el fluoruro de hidrógeno son equivalentes. El flúor, en forma de fluoruro, se considera un micronutriente para la salud humana, necesario para prevenir las caries dentales y promover un crecimiento óseo saludable. La planta del té (Camellia sinensis L.) es un conocido acumulador de compuestos de flúor, liberados al formar infusiones como la bebida común. Los compuestos de flúor se descomponen en productos que incluyen iones de fluoruro. El fluoruro es la forma de flúor más biodisponible y, como tal, el té es potencialmente un vehículo para la dosificación de fluoruro. Aproximadamente, el 50% del flúor absorbido se excreta por vía renal en un período de veinticuatro horas. El resto puede ser retenido en la cavidad oral y en el tracto digestivo inferior. El ayuno aumenta dramáticamente la tasa de absorción de fluoruro a cerca del 100%, de un 60% a un 80% cuando se toma con alimentos. Según un estudio de 2013, se descubrió que el consumo de un litro de té al día puede proporcionar potencialmente la ingesta diaria recomendada de 4 mg por día. Algunas marcas de menor calidad pueden llegar a suministrar hasta un 120% de esta cantidad. El ayuno puede aumentar esto al 150%. El estudio indica que las comunidades que beben té tienen un mayor riesgo de fluorosis dental y esquelética, en el caso de que la fluoración del agua esté en vigor. El ion fluoruro en dosis bajas en la boca reduce la caries dental. Por esta razón, se utiliza en la pasta de dientes y en la fluoración del agua. En dosis mucho más altas y exposición frecuente, el fluoruro causa complicaciones de salud y puede ser tóxico.

Aplicaciones

Las sales de fluoruro y el ácido fluorhídrico son los principales fluoruros de valor industrial.

Química de organofluorados

Los compuestos organofluorados son omnipresentes. Muchos medicamentos, muchos polímeros, refrigerantes y muchos compuestos inorgánicos están hechos de reactivos que contienen fluoruro. A menudo, los fluoruros se convierten en fluoruro de hidrógeno, que es un reactivo principal y precursor de los reactivos. El ácido fluorhídrico y su forma anhidra, el fluoruro de hidrógeno, son particularmente importantes.

Producción de metales y sus compuestos

Los principales usos del fluoruro, en términos de volumen, se encuentran en la producción de criolita, Na₃AlF₆. Se utiliza en la fundición de aluminio. Anteriormente, se extraía, pero ahora se deriva del fluoruro de hidrógeno. La fluorita se utiliza a gran escala para separar la escoria en la fabricación de acero. La fluorita extraída (CaF₂) es un producto químico básico que se utiliza en la fabricación de acero. El hexafluoruro de uranio se emplea en la purificación de isótopos de uranio.

Prevención de caries

Fluoride se vende en tabletas para la prevención de la cavidad.

Los compuestos que contienen fluoruro, como el fluoruro de sodio o el monofluorofosfato de sodio, se usan en la terapia de fluoruro tópica y sistémica para prevenir la caries dental, pero se desconoce la razón bioquímica exacta. Se usan para la fluoración del agua y en muchos productos asociados con la higiene bucal. higiene. Originalmente, el fluoruro de sodio se usaba para fluorar el agua; El ácido hexafluorosilícico (H₂SiF₆) y su sal hexafluorosilicato de sodio (Na₂SiF₆) son los más comunes aditivos usados, especialmente en los Estados Unidos. Se sabe que la fluoración del agua previene la caries dental y los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades de EE. UU. la consideran "uno de los 10 grandes logros de salud pública del siglo XX". En algunos países donde los grandes sistemas de agua centralizados son poco comunes, el fluoruro se entrega a la población mediante la fluoración de la sal de mesa. Para conocer el método de acción para la prevención de caries, consulte Terapia con flúor. La fluoración del agua tiene sus críticos (ver controversia sobre la fluoración del agua). La pasta de dientes fluorada es de uso común. El metanálisis muestra la eficacia de 500 ppm de flúor en las pastas dentales. Sin embargo, no se puede detectar ningún efecto beneficioso cuando se usa más de una fuente de fluoruro para el cuidado bucal diario.

Reactivo de laboratorio

Las sales de fluoruro se usan comúnmente en el procesamiento de ensayos biológicos para inhibir la actividad de las fosfatasas, como las serina/treonina fosfatasas. El fluoruro imita el ion hidróxido nucleofílico en estas enzimas' sitios activos. El fluoruro de berilio y el fluoruro de aluminio también se utilizan como inhibidores de la fosfatasa, ya que estos compuestos son imitadores estructurales del grupo fosfato y pueden actuar como análogos del estado de transición de la reacción.

Recomendaciones dietéticas

El Instituto de Medicina de EE. UU. (IOM, por sus siglas en inglés) actualizó los Requerimientos promedio estimados (EAR, por sus siglas en inglés) y las Ingestas dietéticas recomendadas (RDA, por sus siglas en inglés) para algunos minerales en 1997. Cuando no hubo información suficiente para establecer los EAR y las RDA, se calculó una ingesta adecuada (AI, por sus siglas en inglés).) fue utilizado en su lugar. Los AI generalmente se comparan con el consumo promedio real, con el supuesto de que parece haber una necesidad, y esa necesidad se satisface con lo que consume la gente. La IA actual para mujeres mayores de 19 años es de 3,0 mg/día (incluye embarazo y lactancia). La IA para hombres es de 4,0 mg/día. La IA para niños de 1 a 18 años aumenta de 0,7 a 3,0 mg/día. El principal riesgo conocido de la deficiencia de fluoruro parece ser un mayor riesgo de caries dental causada por bacterias. En cuanto a la seguridad, el IOM establece niveles máximos de ingesta tolerable (UL) para vitaminas y minerales cuando la evidencia es suficiente. En el caso del flúor la UL es de 10 mg/día. En conjunto, las EAR, RDA, AI y UL se denominan ingestas dietéticas de referencia (DRI).

La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) se refiere al conjunto colectivo de información como Valores dietéticos de referencia, con Ingesta de referencia de la población (PRI) en lugar de RDA y Requerimiento promedio en lugar de EAR. AI y UL definieron lo mismo que en Estados Unidos. Para mujeres mayores de 18 años, la IA se establece en 2,9 mg/día (incluye embarazo y lactancia). Para los hombres el valor es de 3,4 mg/día. Para niños de 1 a 17 años, los IA aumentan con la edad de 0,6 a 3,2 mg/día. Estas IA son comparables a las IA de EE. UU. La EFSA revisó la evidencia de seguridad y estableció un UL para adultos en 7,0 mg/día (más bajo para niños).

Para fines de etiquetado de alimentos y suplementos dietéticos de EE. UU., la cantidad de una vitamina o mineral en una porción se expresa como un porcentaje del valor diario (%DV). Si bien existe información para establecer una ingesta adecuada, el fluoruro no tiene un valor diario y no es necesario que se muestre en las etiquetas de los alimentos.

Ingesta diaria estimada

La ingesta diaria de fluoruro puede variar significativamente según las distintas fuentes de exposición. En varios estudios se informaron valores que oscilan entre 0,46 y 3,6–5,4 mg/día (IPCS, 1984). En áreas donde el agua está fluorada, se puede esperar que sea una fuente importante de fluoruro; sin embargo, el fluoruro también está presente de forma natural en prácticamente todos los alimentos y bebidas en una amplia gama de concentraciones. El consumo diario máximo seguro de fluoruro es de 10 mg/día para un adulto (EE. UU.) o 7 mg/día (Unión Europea).

El límite superior de ingesta de fluoruro de todas las fuentes (agua fluorada, alimentos, bebidas, productos dentales con fluoruro y suplementos dietéticos de fluoruro) se establece en 0,10 mg/kg/día para bebés, niños pequeños y niños de hasta 8 años. Para niños mayores y adultos, que ya no corren el riesgo de sufrir fluorosis dental, el límite superior de fluoruro se establece en 10 mg/día, independientemente del peso.

Seguridad

Ingestión

Según el Departamento de Agricultura de EE. UU., la Ingesta Dietética de Referencia, que es el "nivel más alto de ingesta diaria de nutrientes que probablemente no presente riesgo de efectos adversos para la salud" especificar 10 mg/día para la mayoría de las personas, lo que corresponde a 10 L de agua fluorada sin riesgo. Para los niños pequeños, los valores son más pequeños, con un rango de 0,7 mg/d a 2,2 mg/d para los lactantes. Las fuentes de fluoruro en el agua y los alimentos incluyen la fluoración del agua comunitaria, los mariscos, el té y la gelatina.

Las sales de fluoruro solubles, de las cuales el fluoruro de sodio es la más común, son tóxicas y han provocado muertes accidentales y autoinfligidas por intoxicación aguda. La dosis letal para la mayoría de los humanos adultos se estima en 5 a 10 g (lo que equivale a 32 a 64 mg de fluoruro elemental por kg de peso corporal). Se documenta un caso de intoxicación mortal de un adulto con 4 gramos de fluoruro de sodio y se ha sobrevivido a una dosis de 120 g de fluoruro de sodio. Para el fluorosilicato de sodio (Na₂SiF₆), la dosis letal mediana (LD₅₀) por vía oral en ratas es de 125 mg/kg, correspondiente a 12,5 g para un adulto de 100 kg.

El tratamiento puede incluir la administración oral de hidróxido de calcio diluido o cloruro de calcio para evitar una mayor absorción, y la inyección de gluconato de calcio para aumentar los niveles de calcio en la sangre. El fluoruro de hidrógeno es más peligroso que las sales como el NaF porque es corrosivo y volátil y puede resultar en una exposición fatal por inhalación o por contacto con la piel; El gel de gluconato de calcio es el antídoto habitual.

En las dosis más altas que se usan para tratar la osteoporosis, el fluoruro de sodio puede causar dolor en las piernas y fracturas por estrés incompletas cuando las dosis son demasiado altas; también irrita el estómago, a veces tan severamente que causa úlceras. Las versiones de liberación lenta y con recubrimiento entérico del fluoruro de sodio no tienen efectos secundarios gástricos significativos y tienen complicaciones más leves y menos frecuentes en los huesos. En las dosis más bajas utilizadas para la fluoración del agua, el único efecto adverso claro es la fluorosis dental, que puede alterar la apariencia de los dientes de los niños durante el desarrollo dental; esto es en su mayoría leve y es poco probable que represente un efecto real en la apariencia estética o en la salud pública. Se sabía que el fluoruro mejoraba la medición de la densidad mineral ósea en la columna lumbar, pero no era efectivo para las fracturas vertebrales y provocaba más fracturas no vertebrales.

Un mito urbano popular afirma que los nazis usaron fluoruro en los campos de concentración, pero no hay evidencia histórica que pruebe esta afirmación.

En áreas que tienen altos niveles naturales de fluoruro en el agua subterránea que se usa para beber, la fluorosis tanto dental como esquelética puede ser frecuente y grave.

Mapas de peligro por fluoruro en aguas subterráneas

Alrededor de un tercio de la población humana bebe agua de fuentes de agua subterránea. De esto, alrededor del 10%, aproximadamente trescientos millones de personas, obtiene agua de fuentes de agua subterránea que están muy contaminadas con arsénico o fluoruro. Estos oligoelementos derivan principalmente de minerales. Los mapas que ubican los pozos potencialmente problemáticos están disponibles.

Tópica

Las soluciones de fluoruro concentrado son corrosivas. Los guantes hechos de caucho de nitrilo se usan cuando se manipulan compuestos de fluoruro. Los peligros de las soluciones de sales de fluoruro dependen de la concentración. En presencia de ácidos fuertes, las sales de fluoruro liberan fluoruro de hidrógeno, que es corrosivo, especialmente para el vidrio.

Otros derivados

Los aniones orgánicos e inorgánicos se producen a partir del fluoruro, incluidos:

• Bifluoruro, usado como un etchant para vidrio
• Tetrafluoroberyllate
• Hexafluoroplatinado
• Tetrafluoroboato usado en síntesis organometállica
• Hexafluorofosfato utilizado como electrolito en baterías secundarias comerciales.
• Trifluorometanosulfonato