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Fluoruro

El fluoruro ( / ˈflʊəraɪd , ˈflɔːr - / ) [ 3 ] es un anión inorgánico , monoatómico del flúor , con la fórmula química F −
(también escrito [F]−
), cuyas sales son típicamente blancas o incoloras. Las sales de fluoruro suelen tener sabores amargos distintivos y son inodoras. Sus sales y minerales son reactivos químicos importantes 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 fluoruro se encuentran en la Tierra en varios minerales, particularmente en la fluorita , pero están presentes solo en cantidades traza en los cuerpos de agua de 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 fluoruro en condiciones normales.

El nombre sistemático fluoruro , el nombre válido de la IUPAC , se determina según la nomenclatura aditiva. Sin embargo, el nombre fluoruro también se utiliza en la nomenclatura IUPAC compositiva que no tiene en cuenta la naturaleza del enlace involucrado. El fluoruro también se utiliza 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 IUPAC preferido para el fluorano . [ cita requerida ]

Aparición

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, enteramente en forma de fluoruros. La gran mayoría se encuentra en depósitos minerales , el más importante desde el punto de vista comercial es la fluorita (CaF 2 ). [4] La erosión natural de algunos tipos de rocas, [5] [6] así como las actividades humanas, liberan fluoruros a la biosfera a través de lo que a veces se denomina el ciclo del flúor .

En el agua

El fluoruro está presente de forma natural en las aguas subterráneas, en fuentes de agua dulce y salada , así como en el agua de lluvia, particularmente en las zonas urbanas. [7] Los niveles de fluoruro en el agua de mar suelen estar en el rango de 0,86 a 1,4 mg/L, y el promedio es de 1,1 mg/L [8] (miligramos por litro ). A modo de comparación, la concentración de cloruro en el agua de mar es de unos 19 g/L. La baja concentración de fluoruro refleja la insolubilidad de los fluoruros alcalinotérreos , por ejemplo, CaF 2 .

Las concentraciones en agua dulce varían más significativamente. Las aguas superficiales , como ríos o lagos, generalmente contienen entre 0,01 y 0,3 mg/L. [9] Las concentraciones en aguas subterráneas (agua de pozo) varían aún más, dependiendo de la presencia local de minerales que contienen flúor. Por ejemplo, se han detectado niveles naturales inferiores a 0,05 mg/L en algunas partes de Canadá, pero de hasta 8 mg/L en algunas partes de China; en general, los niveles rara vez superan los 10 mg/litro [10].

El fluoruro puede estar presente en la lluvia, y su concentración aumenta significativamente con la exposición a la actividad volcánica [14] o a la contaminación atmosférica derivada de la quema de combustibles fósiles u otros tipos de industria, [15] [16] en particular las fundiciones de aluminio . [17]

En las plantas

Toda la vegetación contiene algo de flúor, que se absorbe del suelo y del agua. [10] Algunas plantas concentran el flúor de su entorno más que otras. Todas las hojas de té contienen flúor; ​​sin embargo, las hojas maduras contienen hasta 10 a 20 veces más niveles de flúor que las hojas jóvenes de la misma planta. [18] [19] [20]

Propiedades químicas

Basicidad

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

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

En solución acuosa, el fluoruro tiene un valor p K b 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:

Sin embargo, tras un contacto prolongado con la humedad, las sales solubles de fluoruro se descompondrán en sus respectivos hidróxidos u óxidos, a medida que se escape el fluoruro de hidrógeno. El fluoruro es distinto en este aspecto entre los haluros. La identidad del disolvente puede tener un efecto drástico en el equilibrio, desplazándolo hacia el lado derecho, lo que aumenta considerablemente la velocidad de descomposición.

Estructura de las sales de fluoruro

Las sales que contienen fluoruro son numerosas y adoptan una gran variedad de estructuras. Normalmente, el anión fluoruro está rodeado de cuatro o seis cationes, como es habitual en otros haluros. El fluoruro de sodio y el cloruro de sodio adoptan la misma estructura. En el caso de los compuestos que contienen más de un fluoruro por catión, las estructuras suelen diferir de las de los cloruros, como se ilustra en el caso del principal mineral fluoruro, la fluorita (CaF 2 ), en el que los iones Ca 2+ están rodeados de ocho centros F − . En el CaCl 2 , cada ion Ca 2+ está rodeado de seis centros Cl − . Los difluoruros de los metales de transición suelen adoptar la estructura del rutilo, mientras que los dicloruros tienen estructuras de cloruro de cadmio .

Química inorgánica

Al tratarlas con un ácido estándar, las sales de fluoruro se convierten en fluoruro de hidrógeno y sales metálicas . Con ácidos fuertes, se pueden protonar dos veces para dar H2F+La oxidación del fluoruro produce flúor. Las soluciones de fluoruros inorgánicos en agua contienen F − y bifluoruro HF−
2. [21] Pocos fluoruros inorgánicos son solubles en agua sin sufrir una hidrólisis significativa. En términos de 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 verdaderos aniones F − son raras porque el anión fluoruro altamente básico abstrae protones de muchas fuentes, incluso adventicias. El fluoruro relativamente no solvatado , que existe en solventes apróticos, se llama "desnudo". El fluoruro desnudo es una base de Lewis fuerte , [22] y un nucleófilo poderoso. Algunas sales de amonio cuaternario de fluoruro desnudo incluyen fluoruro de tetrametilamonio y fluoruro de tetrabutilamonio . [23] El fluoruro de cobaltocenio es otro ejemplo. [24] Sin embargo, todos carecen de caracterización estructural en solventes 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 de un ejemplo termodinámicamente estable y estructuralmente caracterizado de una fuente de fluoruro "desnuda" en un solvente aprótico (acetonitrilo). [25] El catión imidazolio, estéricamente exigente, estabiliza los aniones discretos y los protege de la polimerización. [26] [27]

Bioquímica

A pH fisiológicos, el fluoruro de hidrógeno suele estar completamente ionizado en 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 el crecimiento sano de los huesos. [28] La planta del té ( Camellia sinensis L.) es un conocido acumulador de compuestos de flúor, que se liberan al formar infusiones como la bebida común. Los compuestos de flúor se descomponen en productos que incluyen iones de flúor. El flúor es la forma más biodisponible de flúor y, como tal, el té es potencialmente un vehículo para la dosificación de flúor. [29] Aproximadamente, el 50% del flúor absorbido se excreta por vía renal en un período de veinticuatro horas. El resto puede retenerse en la cavidad oral y el tracto digestivo inferior. El ayuno aumenta drásticamente la tasa de absorción de flúor a casi el 100%, de un 60% a un 80% cuando se toma con alimentos. [29] 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 proporcionar 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 se aplique la fluoración del agua. [29] El ión fluoruro en dosis bajas en la boca reduce la caries dental. [30] Por esta razón, se utiliza en la pasta de dientes y en la fluoración del agua. En dosis mucho más altas y con 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 los organofluorados

Los compuestos organofluorados están muy extendidos. Muchos fármacos, muchos polímeros, refrigerantes y muchos compuestos inorgánicos se elaboran a partir de reactivos que contienen flúor. A menudo, los fluoruros se convierten en fluoruro de hidrógeno, que es un reactivo importante y precursor de reactivos. El ácido fluorhídrico y su forma anhidra, el fluoruro de hidrógeno , son particularmente importantes. [4]

Producción de metales y sus compuestos.

Los principales usos del fluoruro, en términos de volumen, son la producción de criolita, Na3AlF6 . Se utiliza en la fundición de aluminio . Antiguamente, se extraía de minas, 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

El flúor se vende en tabletas para prevenir las caries.

Los compuestos que contienen flúor, como el fluoruro de sodio o el monofluorofosfato de sodio, se utilizan en la terapia con flúor tópico y sistémico para prevenir la caries dental . Se utilizan para la fluoración del agua y en muchos productos asociados con la higiene bucal . [31] Originalmente, el fluoruro de sodio se utilizaba para fluorar el agua; el ácido hexafluorosilícico (H 2 SiF 6 ) y su sal hexafluorosilicato de sodio (Na 2 SiF 6 ) son aditivos más utilizados, especialmente en los Estados Unidos. Se sabe que la fluoración del agua previene la caries dental [32] [33] y los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades de los Estados Unidos la consideran "uno de los 10 grandes logros de salud pública del siglo XX". [34] [35] En algunos países donde los grandes sistemas de agua centralizados son poco comunes, el flúor se suministra a la población mediante la fluoración de la sal de mesa. Para el método de acción para la prevención de caries, consulte Terapia con flúor . La fluoración del agua tiene sus críticos (véase La controversia sobre la fluoración del agua ) . [36] La pasta de dientes fluorada es de uso común. Un metanálisis muestra la eficacia de 500 ppm de flúor en las pastas de dientes. [37] [38] Sin embargo, no se puede detectar ningún efecto beneficioso cuando se utiliza más de una fuente de flúor para el cuidado bucal diario. [39] [ necesita cita para verificar ]

Reactivo de laboratorio

Las sales de fluoruro se utilizan comúnmente en el procesamiento de ensayos biológicos para inhibir la actividad de las fosfatasas , como las fosfatasas de serina / treonina . [40] El fluoruro imita al ion hidróxido nucleofílico en los sitios activos de estas enzimas. [41] 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. [42] [43]

Recomendaciones dietéticas

En 1997, el Instituto de Medicina de los Estados Unidos (IOM) actualizó los Requerimientos Promedio Estimados (EAR) y las Ingestas Dietéticas Recomendadas (RDA) para algunos minerales. Cuando no había suficiente información para establecer EAR y RDA, se utilizó en su lugar una estimación denominada Ingesta Adecuada (IA). Las IA suelen coincidir con el consumo promedio real, con la suposición de que parece haber una necesidad y que esa necesidad se satisface con lo que las personas consumen. La IA actual para mujeres de 19 años o más 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 deficiencia de flúor parece ser un mayor riesgo de caries dentales causadas por bacterias. En cuanto a la seguridad, el IOM establece niveles máximos de ingesta tolerables (UL) para vitaminas y minerales cuando hay evidencia suficiente. En el caso del flúor, el UL es de 10 mg/día. En conjunto, las EAR, RDA, AI y UL se denominan Ingestas Dietéticas de Referencia (DRI). [44]

La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (AESA) denomina al conjunto colectivo de información Valores Dietéticos de Referencia, con Ingesta de Referencia Poblacional (PRI) en lugar de RDA, y Requerimiento Promedio en lugar de EAR. La IA y el UL se definen de la misma manera que en los Estados Unidos. Para las mujeres de 18 años o más, la IA se establece en 2,9 mg/día (incluido el embarazo y la lactancia). Para los hombres, el valor es de 3,4 mg/día. Para los niños de 1 a 17 años, las IA aumentan con la edad de 0,6 a 3,2 mg/día. Estas IA son comparables a las IA de EE. UU. [45] La AESA revisó la evidencia de seguridad y estableció un UL para adultos en 7,0 mg/día (menor para los niños). [46]

A los efectos del etiquetado de alimentos y suplementos dietéticos en los EE. UU., la cantidad de vitamina o mineral en una porción se expresa como un porcentaje del valor diario (%VD). Si bien existe información para establecer la ingesta adecuada, el flúor no tiene un valor diario y no es obligatorio que se muestre en las etiquetas de los alimentos. [47]

Ingesta diaria estimada

La ingesta diaria de flúor puede variar significativamente según las distintas fuentes de exposición. En varios estudios se han descrito valores que van desde 0,46 a 3,6–5,4 mg/día (IPCS, 1984). [28] En las zonas donde el agua está fluorada, se puede esperar que sea una fuente importante de flúor, aunque el flúor también está presente de forma natural en prácticamente todos los alimentos y bebidas en una amplia gama de concentraciones. [48] El consumo diario máximo seguro de flúor es de 10 mg/día para un adulto (EE. UU.) o 7 mg/día (Unión Europea). [44] [46]

El límite superior de la ingesta de flúor de todas las fuentes (agua fluorada, alimentos, bebidas, productos dentales fluorados y suplementos dietéticos de flúor) se establece en 0,10 mg/kg/día para lactantes, niños pequeños y niños de hasta 8 años de edad. Para niños mayores y adultos, que ya no corren riesgo de sufrir fluorosis dental, el límite superior de flúor se establece en 10 mg/día independientemente del peso. [49]

Seguridad

Ingestión

Según el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos, la ingesta dietética de referencia, que es el "nivel más alto de ingesta diaria de nutrientes que probablemente no presente ningún riesgo de efectos adversos para la salud", especifica 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 menores y oscilan entre 0,7 mg/día y 2,2 mg/día para los lactantes. [51] Las fuentes de flúor en el agua y los alimentos incluyen la fluoración del agua de la comunidad, los mariscos, el té y la gelatina. [52]

Las sales solubles de fluoruro, de las cuales el fluoruro de sodio es la más común, son tóxicas y han provocado muertes accidentales y autoinfligidas por envenenamiento agudo . [4] 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). [53] [54] [55] Se documentó un caso de envenenamiento fatal de un adulto con 4 gramos de fluoruro de sodio, [56] y se ha sobrevivido a una dosis de 120 g de fluoruro de sodio. [57] Para el fluorosilicato de sodio (Na 2 SiF 6 ), la dosis letal media (LD 50 ) por vía oral en ratas es de 125 mg/kg, correspondiente a 12,5 g para un adulto de 100 kg. [58]

El tratamiento puede implicar la administración oral de hidróxido de calcio diluido o cloruro de calcio para prevenir una mayor absorción, y la inyección de gluconato de calcio para aumentar los niveles de calcio en la sangre. [56] El fluoruro de hidrógeno es más peligroso que las sales como el NaF porque es corrosivo y volátil, y puede provocar una exposición fatal por inhalación o por contacto con la piel; el gel de gluconato de calcio es el antídoto habitual. [59]

En las dosis más altas utilizadas 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 como para causar úlceras. Las versiones de liberación lenta y con cubierta entérica del fluoruro de sodio no tienen efectos secundarios gástricos de ninguna manera significativa, y tienen complicaciones más leves y menos frecuentes en los huesos. [60] 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 mayormente leve y es poco probable que represente un efecto real en la apariencia estética o en la salud pública. [61] Se sabía que el fluoruro mejoraba la densidad mineral ósea en la columna lumbar, pero no era eficaz para las fracturas vertebrales y provocaba más fracturas no vertebrales. [62] En áreas que tienen altos niveles naturales de fluoruro en el agua subterránea que se utiliza para agua potable , tanto la fluorosis dental como la esquelética pueden ser prevalentes y graves. [63]

En 2024, un informe de 300 páginas de los Institutos Nacionales de Salud relacionó la fluoración del agua potable en los Estados Unidos, en áreas donde los niveles son ligeramente más del doble del límite recomendado, con un menor coeficiente intelectual en los niños en desarrollo. [64] [65] [66] [67]

Mapas de riesgo de fluoruro en aguas subterráneas

Alrededor de un tercio de la población humana bebe agua de fuentes subterráneas. De esta cantidad, alrededor del 10%, aproximadamente 300 millones de personas, obtienen agua de fuentes subterráneas que están altamente contaminadas con arsénico o flúor. [68] Estos oligoelementos se derivan principalmente de minerales. [69] Hay mapas que localizan pozos potencialmente problemáticos. [70]

Actual

Las soluciones concentradas de fluoruro son corrosivas. [71] Se utilizan guantes de caucho de nitrilo para manipular 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. [4]

Otros derivados

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

Véase también

Referencias

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