Фторид - Fluoride

Фторид
F- crop.svg
Фторид-ион.svg
Имена
Название ИЮПАК
Фторид
Идентификаторы
3D модель ( JSmol )
ЧЭБИ
ЧЭМБЛ
ChemSpider
14905
КЕГГ
MeSH Фторид
UNII
  • InChI = 1S / FH / h1H / p-1 проверитьY
    Ключ: KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M проверитьY
Характеристики
F-
Молярная масса 18,998 403 163  г · моль -1
Конъюгированная кислота Фтористый водород
Термохимия
145,58 Дж / моль K (газообразный)
−333 кДж моль −1
Родственные соединения
Другие анионы
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
Ссылки на инфобоксы

Фторид ( / е л ʊər д , е л ɔːr - / ) представляет собой неорганический , одноатомный анион из фтора , с химической формулой F-
(также пишется [F]-
), соли которого обычно белые или бесцветные. Фторидные соли обычно имеют характерный горький вкус и не имеют запаха. Его соли и минералы являются важными химическими реагентами и промышленными химикатами, в основном используемыми при производстве фтористого водорода для фторуглеродов . Фторид классифицируется как слабое основание, поскольку он только частично связывается в растворе, но концентрированный фторид вызывает коррозию и может поражать кожу.

Фторид - простейший анион фтора. По заряду и размеру фторид- ион похож на гидроксид- ион. Ионы фтора присутствуют на Земле в нескольких минералах, в частности в флюорите , но присутствуют только в следовых количествах в водоемах в природе.

Номенклатура

Фториды включают соединения, содержащие ионный фторид, и те, в которых фторид не диссоциирует. Номенклатура этих ситуаций не различает. Например, гексафторид серы и четырехфтористый углерод не являются источниками фторид-ионов в обычных условиях.

Систематическое название фторида , действительное название ИЮПАК , определяется в соответствии с номенклатурой добавок. Однако название фторид также используется в номенклатуре композиций IUPAC, которая не принимает во внимание природу вовлеченного связывания. Фторид также используется несистематически для описания соединений, которые выделяют фторид при растворении. Фтористый водород сам по себе является примером несистематического названия этой природы. Тем не менее, это также тривиальное название , а предпочтительным имя ИЮПАК для fluorane .

Вхождение

Кристаллы флюорита

По оценкам, фтор является 13-м по содержанию элементом в земной коре и широко распространен в природе, полностью в форме фторидов. Подавляющее большинство из них находится в месторождениях полезных ископаемых , наиболее коммерчески важным из которых является флюорит (CaF 2 ). Естественное выветривание этих пород, а также деятельность человека высвобождают фториды в биосферу через то, что иногда называют циклом фтора .

В воде

Фторид естественно присутствует в низкой концентрации в большинстве источников пресной и соленой воды , а также в дождевой воде, особенно в городских районах. Уровни фторида в морской воде обычно находятся в диапазоне от 0,86 до 1,4 мг / л и в среднем 1,1 мг / л (миллиграммы на литр ). Для сравнения, концентрация хлоридов в морской воде составляет около 19 г / л. Низкая концентрация фторида отражает нерастворимость фторидов щелочноземельных металлов , например CaF 2 .

Концентрации в пресной воде различаются более значительно. Поверхностные воды, такие как реки или озера, обычно содержат 0,01–0,3 частей на миллион. Концентрации в подземных водах (колодезной воде) еще больше варьируются в зависимости от присутствия местных фторидсодержащих минералов. Например, естественные уровни ниже 0,05 мг / л были обнаружены в некоторых частях Канады, но до 8 мг / л в некоторых частях Китая; в целом уровни редко превышают 10 мг / л

  • В некоторых местах, например, в Танзании и некоторых частях Индии , питьевая вода содержит опасно высокий уровень фторида, что приводит к серьезным проблемам со здоровьем .
  • Во всем мире 50 миллионов человек получают воду из источников воды, уровень которой, естественно, близок к «оптимальному».
  • В других местах уровень фторида очень низкий, что иногда приводит к фторированию водопроводной воды, чтобы довести уровень до 0,7–1,2 частей на миллион.

Фторид может присутствовать в дожде, причем его концентрация значительно увеличивается под воздействием вулканической активности или загрязнения атмосферы, вызванного сжиганием ископаемого топлива или другими видами промышленности, особенно алюминиевыми заводами .

В растениях

Вся растительность содержит некоторое количество фторида, который абсорбируется из почвы и воды. Некоторые растения концентрируют фтор из окружающей среды больше, чем другие. Все чайные листья содержат фтор; однако зрелые листья содержат в 10-20 раз больше фторидов, чем молодые листья того же растения.

Химические свойства

Основность

Фторид может выступать в качестве основания . Он может сочетаться с протоном ( H + ):

F - + H + → HF

 

 

 

 

( 1 )

В этой реакции нейтрализации образуется фтористый водород (HF), сопряженная кислота фторида.

В водном растворе фторид имеет значение p K b 10,8. Следовательно, это слабое основание , и оно имеет тенденцию оставаться в виде фторид-иона, а не генерировать значительное количество фтористого водорода. То есть следующее равновесие в воде благоприятствует левой стороне:

F - + H
2
O
HF + HO -

 

 

 

 

( 2 )

Однако при длительном контакте с влагой растворимые фторидные соли будут разлагаться до своих соответствующих гидроксидов или оксидов, поскольку фтористый водород улетучивается. В этом отношении фторид выделяется среди галогенидов. Идентичность растворителя может существенно повлиять на равновесие, сдвигая его вправо, значительно увеличивая скорость разложения.

Структура фторидных солей

Соли, содержащие фторид, многочисленны и имеют бесчисленное множество структур. Обычно фторид-анион окружен четырьмя или шестью катионами, что типично для других галогенидов. Фторид натрия и хлорид натрия принимают ту же самую структуру. Для соединений, содержащих более одного фторида на катион, структуры часто отличаются от структур хлоридов, как показано на примере основного фторидного минерала флюорита (CaF 2 ), где ионы Ca 2+ окружены восемью F - центрами. В CaCl 2 каждый ион Ca 2+ окружен шестью центрами Cl - . Дифториды переходных металлов часто имеют структуру рутила, тогда как дихлориды имеют структуру хлорида кадмия .

Неорганическая химия

При обработке стандартной кислотой фторидные соли превращаются во фтористый водород и соли металлов . С сильными кислотами он может быть дважды протонирован с образованием H
2
F+
. Окисление фторида дает фтор. Растворы неорганических фторидов в воде содержат F - и дифторид HF-
2
. Некоторые неорганические фториды растворимы в воде без значительного гидролиза. По своей реакционной способности фторид значительно отличается от хлорида и других галогенидов и сильнее сольватируется в протонных растворителях из-за меньшего отношения радиус / заряд. Его ближайший химический родственник - гидроксид , поскольку оба имеют схожую геометрию.

Голый фторид

Большинство солей фторидов растворяются с образованием бифторида ( HF-
2
) анион. Источники истинных анионов F - редки, потому что высокоосновной фторид-анион отводит протоны от многих, даже побочных источников. Относительный несольватированный фторид, который действительно существует в апротонных растворителях, называется «голым». Голый фторид - это сильное основание Льюиса и мощный нуклеофил. Некоторые четвертичные аммониевые соли фторида обнаженного включают в себя фторид тетраметиламмонии и фторид тетрабутиламмонии . Другой пример - фторид кобальтоцения . Однако всем им не хватает структурных характеристик апротонных растворителей. Из-за своей высокой основности многие так называемые источники голого фторида на самом деле являются солями бифторида. В конце 2016 года был синтезирован фторид имидазолия, который является наиболее близким приближением к термодинамически стабильному и структурно охарактеризованному примеру «голого» источника фторида в апротонном растворителе (ацетонитриле). Катион имидазолия, требующий стерических требований, стабилизирует отдельные анионы и защищает их от полимеризации.

Биохимия

При физиологических значениях pH фтороводород обычно полностью ионизируется до фторида. В биохимии фторид и фтороводород эквивалентны. Фтор в форме фторида считается питательным микроэлементом для здоровья человека, необходимым для предотвращения кариеса и для обеспечения здорового роста костей. Чайное растение ( Camellia sinensis L.) - известный накопитель соединений фтора, выделяемых при приготовлении настоев, таких как обычный напиток. Соединения фтора разлагаются на продукты, включая ионы фтора. Фторид - это наиболее биодоступная форма фтора, и поэтому чай потенциально является средством для дозирования фтора. Примерно 50% абсорбированного фторида выводится через 24 часа через почки. Остальная часть может оставаться в полости рта и нижних отделах пищеварительного тракта. Пост резко увеличивает скорость абсорбции фторида почти до 100%, с 60% до 80% при приеме с пищей. Согласно исследованию, проведенному в 2013 году, было обнаружено, что потребление одного литра чая в день потенциально может обеспечить дневную рекомендуемую дозу в 4 мг в день. Некоторые бренды более низкого качества могут предоставить до 120% от этого количества. Пост может увеличить это количество до 150%. Исследование показывает, что общины, пьющие чай, подвергаются повышенному риску флюороза зубов и скелета в случае, когда действует фторирование воды. Ион фтора в низких дозах во рту уменьшает разрушение зубов. По этой причине он используется в зубных пастах и ​​фторировании воды. В гораздо более высоких дозах и при частом воздействии фтор вызывает осложнения для здоровья и может быть токсичным.

Приложения

Фторидные соли и фтористоводородная кислота являются основными фторидами промышленного значения. Соединения со связями CF относятся к сфере химии фторорганических соединений . Основные области применения фторида с точки зрения объема - производство криолита Na 3 AlF 6 . Используется при выплавке алюминия . Раньше его добывали, а теперь получают из фтороводорода. Флюорит широко используется для отделения шлака в сталеплавильном производстве. Добытый флюорит (CaF 2 ) - это товарный химикат, используемый в сталеплавильном производстве.

Плавиковая кислота и ее безводная форма, фтористый водород , также используются в производстве фторуглеродов . Плавиковая кислота имеет множество специализированных применений, в том числе ее способность растворять стекло.

Профилактика кариеса

Фторид продается в таблетках для предотвращения кариеса.

Фторидсодержащие соединения, такие как фторид натрия или монофторфосфат натрия , используются в местной и системной фторидной терапии для предотвращения кариеса . Они используются для фторирования воды и во многих продуктах, связанных с гигиеной полости рта . Первоначально фторид натрия использовался для фторирования воды; Гексафторкремниевая кислота (H 2 SiF 6 ) и ее соль гексафторсиликат натрия (Na 2 SiF 6 ) являются более часто используемыми добавками, особенно в Соединенных Штатах. Известно, что фторирование воды предотвращает разрушение зубов и считается Центром по контролю и профилактике заболеваний США «одним из 10 великих достижений общественного здравоохранения 20-го века». В некоторых странах, где большие централизованные системы водоснабжения не распространены, фторид доставляется населению путем фторирования поваренной соли. О способах предотвращения кариеса см. Фторидная терапия . У фторирования воды есть свои критики (см. Споры о фторировании воды ). Часто используется фторированная зубная паста . Мета-анализ показывает эффективность 500 ppm фторида в зубных пастах. Однако при использовании более одного источника фтора для ежедневного ухода за полостью рта не может быть обнаружено никакого положительного эффекта.

Биохимический реагент

Фторидные соли обычно используются в процессах биологического анализа для ингибирования активности фосфатаз , таких как серин / треонинфосфатазы . Фторид имитирует нуклеофильный гидроксид- ион в активных центрах этих ферментов. Бериллий фторид и фторид алюминия также используются в качестве ингибиторов фосфатазов, поскольку эти соединения являются структурными имитаторами в фосфатной группе и могут выступать в качестве аналогов переходного состояния реакции.

Фторид-ионный аккумулятор

В 2018 году группа исследователей, включая Саймона К. Джонса из Калифорнийского технологического института и Кристофера Дж. Брукса из Исследовательского института Honda, создала фторид-ионную батарею (FIB). Они использовали жидкий электролит для перемещения ионов фтора в батарею и продемонстрировали его использование в перезаряжаемых FIB при комнатной температуре.

Диетические рекомендации

Институт медицины США (IOM) обновил расчетные средние потребности (EAR) и рекомендуемые диетические нормы (RDA) для некоторых минералов в 1997 году. В тех случаях, когда не было достаточной информации для установления EAR и RDA, использовалась оценка, обозначенная как «Адекватное потребление» (AI). вместо. ИИ обычно сопоставляются с фактическим средним потреблением, исходя из предположения, что потребность существует, и эта потребность удовлетворяется тем, что люди потребляют. Текущий AI для женщин 19 лет и старше составляет 3,0 мг / день (включая беременность и период лактации). AI для мужчин составляет 4,0 мг / день. AI для детей в возрасте от 1 до 18 лет увеличивается с 0,7 до 3,0 мг / день. Основным известным риском дефицита фтора, по-видимому, является повышенный риск возникновения кариеса, вызванной бактериями. Что касается безопасности, IOM устанавливает допустимые верхние уровни потребления (ПД) витаминов и минералов, когда доказательств достаточно. В случае фторида UL составляет 10 мг / день. В совокупности EAR, RDA, AI и UL называются диетическими референсами (DRI).

Европейский орган по безопасности пищевых продуктов (EFSA) относится к коллективному набору информации , как диетическое эталонных значений, с справочном населения Intake (PRI) вместо АРР, и средняя потребность вместо EAR. AI и UL определены так же, как в США. Для женщин в возрасте 18 лет и старше AI установлен на уровне 2,9 мг / день (включая беременность и период кормления грудью). Для мужчин это значение составляет 3,4 мг / сут. Для детей в возрасте от 1 до 17 лет AI увеличивается с 0,6 до 3,2 мг / день. Эти ИИ сопоставимы с ИИ США. EFSA рассмотрело доказательства безопасности и установило UL для взрослых на уровне 7,0 мг / день (ниже для детей).

Для целей маркировки пищевых продуктов и пищевых добавок в США количество витамина или минерала в порции выражается в процентах от дневной нормы (% DV). Несмотря на то, что существует информация о том, как установить адекватное потребление, фторид не имеет дневной нормы и не требуется указывать на этикетках пищевых продуктов.

Расчетное суточное потребление

Ежедневное потребление фтора может значительно варьироваться в зависимости от различных источников воздействия. В нескольких исследованиях сообщалось о значениях от 0,46 до 3,6–5,4 мг / день (IPCS, 1984). В регионах, где вода фторирована, можно ожидать, что это будет значительным источником фторида, однако фторид также естественным образом присутствует практически во всех продуктах питания и напитках в широком диапазоне концентраций. Максимально безопасное ежедневное потребление фтора составляет 10 мг / день для взрослого (США) или 7 мг / день (Европейский союз).

Верхний предел потребления фторидов из всех источников (фторированная вода, продукты питания, напитки, стоматологические продукты с фтором и пищевые фторидные добавки) установлен на уровне 0,10 мг / кг / день для младенцев, детей ясельного возраста и детей в возрасте до 8 лет. Для детей старшего возраста и взрослых, которые больше не подвержены риску флюороза зубов, верхний предел фтора установлен на уровне 10 мг / день независимо от веса.

Примеры содержания фтора
Еда, напиток Фторид
(мг на 1000 г / частей на миллион)
Часть Фторид
(мг на порцию)
Черный чай (заваренный) 3,73 1 чашка, 240 г (8 жидких унций) 0,884
Изюм без косточек 2.34 маленькая коробка, 43 г (1,5 унции) 0,101
Столовое вино 1,53 Бутылка, 750 мл (26,4 жидких унций) 1.150
Муниципальная водопроводная вода
(фторированная)
0,81 Рекомендуемая суточная доза,
3 литра (0,79 галлона США).
2,433
Запеченный картофель, красновато-коричневый 0,45 Средний картофель, 140 г (0,3 фунта) 0,078
ягненок 0,32 Отбивная, 170 г (6 унций) 0,054
Морковь 0,03 1 большая морковь, 72 г (2,5 унции) 0,002
Источник: данные взяты из Национальной базы данных по питательным веществам Министерства сельского хозяйства США.

Безопасность

Проглатывание

По данным Министерства сельского хозяйства США, рекомендуемые нормы потребления питательных веществ, которые представляют собой «самый высокий уровень суточного потребления питательных веществ, который, вероятно, не представляет риска неблагоприятных последствий для здоровья», определяют 10 мг / день для большинства людей, что соответствует 10 л фторированных веществ. вода без риска. Для детей младшего возраста значения меньше: от 0,7 мг / сут до 2,2 мг / сут для младенцев. Водные и пищевые источники фторида включают фторирование воды, морепродукты, чай и желатин.

Растворимые фторидные соли, из которых фторид натрия является наиболее распространенным, токсичны и приводят как к несчастным случаям, так и к смертельному исходу от самого себя в результате острого отравления . Смертельная доза для большинства взрослых людей составляет от 5 до 10 г (что эквивалентно от 32 до 64 мг / кг элементарного фторида / кг массы тела). Задокументирован случай смертельного отравления взрослого 4 граммами фторида натрия, и выживалась доза 120 г фторида натрия. Для фторосиликата натрия (Na 2 SiF 6 ) средняя летальная доза (LD 50 ) при пероральном введении крысам составляет 0,125 г / кг, что соответствует 12,5 г для взрослого человека весом 100 кг.

Лечение может включать пероральное введение разбавленного гидроксида кальция или хлорида кальция для предотвращения дальнейшего всасывания и инъекцию глюконата кальция для повышения уровня кальция в крови. Фтористый водород более опасен, чем соли, такие как NaF, потому что он коррозийный и летучий и может привести к смертельному воздействию при вдыхании или при контакте с кожей; Гель глюконата кальция - обычное противоядие.

В более высоких дозах, используемых для лечения остеопороза , фторид натрия может вызывать боль в ногах и неполные стрессовые переломы, когда дозы слишком высоки; он также раздражает желудок, иногда настолько сильно, что вызывает язвы. Варианты фторида натрия с медленным высвобождением и с энтеросолюбильным покрытием не имеют каких-либо значительных побочных эффектов со стороны желудка и имеют более легкие и менее частые осложнения со стороны костей. В более низких дозах, используемых для фторирования воды , единственным явным побочным эффектом является флюороз зубов , который может изменить внешний вид детских зубов во время их развития ; это в основном умеренное воздействие и вряд ли окажет какое-либо реальное влияние на эстетический внешний вид или на здоровье населения. Было известно, что фторид улучшает измерение минеральной плотности костной ткани в поясничном отделе позвоночника, но он не был эффективен при переломах позвонков и спровоцировал большее число непозвоночных переломов.

Популярный городской миф утверждает, что нацисты использовали фтор в концентрационных лагерях, но нет никаких исторических свидетельств, подтверждающих это утверждение.

В районах с естественным высоким содержанием фтора в грунтовых водах, которые используются для питья , флюороз зубов и скелета может быть распространенным и тяжелым.

Карты опасностей для фторида в грунтовых водах

Около одной трети населения пьет воду из подземных источников. Из них около 10%, примерно триста миллионов человек, получают воду из ресурсов подземных вод, которые сильно загрязнены мышьяком или фтором. Эти микроэлементы происходят в основном из минералов. Имеются карты расположения потенциально проблемных скважин.

Актуальные

Концентрированные фторидные растворы вызывают коррозию. При работе с фторидными соединениями надевают перчатки из нитрильного каучука. Опасности растворов фторидных солей зависят от концентрации. В присутствии сильных кислот фторидные соли выделяют фтороводород , который вызывает коррозию, особенно по отношению к стеклу.

Прочие производные

Органические и неорганические анионы производятся из фторида, в том числе:

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки