Фторид ( / ˈ f l ʊər aɪ d , ˈ f l ɔːr -/ ) [ 3] — неорганический одноатомный анион фтора с химической формулой F. −
(также пишется [Ф]−
), 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 лишь 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 встречаются на Земле в нескольких минералах, особенно во флюорите , но в природных водоемах присутствуют лишь в следовых количествах.
К фторидам относятся соединения, содержащие ионный фторид, и те, в которых фторид не диссоциирует. Номенклатура не различает эти ситуации. Например, гексафторид серы и тетрафторид углерода не являются источниками фторид-ионов в обычных условиях.
Систематическое название фторид , действительное название IUPAC , определяется в соответствии с номенклатурой добавок. Однако название фторид также используется в композиционной номенклатуре ИЮПАК, которая не принимает во внимание природу участвующих связей. Фторид также используется несистематически для описания соединений, которые выделяют фторид при растворении. Фтороводород сам по себе является примером несистематического названия такого рода. Однако это также тривиальное название и предпочтительное название IUPAC для фторана . [ нужна цитата ]
По оценкам, фтор является 13-м по распространенности элементом в земной коре и широко распространен в природе, полностью в форме фторидов. Подавляющее большинство содержится в месторождениях полезных ископаемых , наиболее коммерчески важным из которых является флюорит (CaF 2 ). [4] Естественное выветривание некоторых видов горных пород, [5] [6] , а также деятельность человека приводят к выбросу фторидов в биосферу в результате так называемого фторового цикла .
Фторид естественным образом присутствует в грунтовых, пресных и соленых источниках воды, а также в дождевой воде, особенно в городских районах. [7] Уровни фторида в морской воде обычно находятся в диапазоне от 0,86 до 1,4 мг/л и в среднем составляют 1,1 мг/л [8] (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 изменяются более существенно. Поверхностные воды , такие как реки или озера, обычно содержат от 0,01 до 0,3 мг/л. [9] Концентрация грунтовых вод (колодцевой воды) варьируется еще больше 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/литр [10]
Фторид может присутствовать в дожде, при этом его концентрация значительно увеличивается под воздействием вулканической активности [14] или загрязнения атмосферы в результате сжигания ископаемого топлива или других видов промышленности, [15] [16], особенно алюминиевых заводов . [17]
Вся растительность содержит некоторое количество фтора, который поглощается из почвы и воды. [10] Некоторые растения концентрируют фторид из окружающей среды больше, чем другие. Все чайные листья содержат фтор; однако зрелые листья содержат в 10–20 раз больше фтора, чем молодые листья того же растения. [18] [19] [20]
Фторид может выступать в качестве основания . Он может соединяться с протоном ( H + ):
Эта реакция нейтрализации образует фторид водорода (HF), кислоту, сопряженную с фторидом.
В водном растворе фторид имеет значение p K b 10,8. Следовательно, это слабое основание и имеет тенденцию оставаться в виде иона фтора, а не генерировать значительное количество фторида водорода. То есть следующее равновесие благоприятствует левой части воды:
Однако при длительном контакте с влагой растворимые фторидные соли разлагаются до соответствующих гидроксидов или оксидов по мере выхода фторида водорода. В этом отношении фторид отличается от галогенидов. Идентичность растворителя может оказать существенное влияние на равновесие, сместив его в правую часть, что значительно увеличивает скорость разложения.
Соли, содержащие фторид, многочисленны и имеют множество структур. Обычно фторид-анион окружен четырьмя или шестью катионами, что типично для других галогенидов. Фторид натрия и хлорид натрия имеют одинаковую структуру. Для соединений, содержащих более одного фторида на катион, структура часто отличается от структуры 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 принимают рутиловую структуру, тогда как дихлориды имеют структуру хлорида кадмия .
При обработке стандартной кислотой фтористые соли превращаются во фтористый водород и соли металлов . С сильными кислотами его можно дважды протонировать с образованием H.
2Ф+
. Окисление фторида дает фтор. Растворы неорганических фторидов в воде содержат F- и бифторид HF .−
2. [21] Немногие неорганические фториды растворимы в воде, не подвергаясь значительному гидролизу. По реакционной способности фторид существенно отличается от хлоридов и других галогенидов и сильнее сольватируется в протонных растворителях из-за меньшего соотношения радиус/заряд. Его ближайший химический родственник — гидроксид , поскольку оба имеют схожую геометрию.
Большинство солей фторида растворяются с образованием бифторида ( HF−
2) анион. Источники истинных анионов F - редки, поскольку высокоосновный фторид-анион отрывает протоны от многих, даже случайных источников. Относительный несольватированный фторид, который действительно существует в апротонных растворителях, называется «голым». Голый фторид является сильным основанием Льюиса [22] и мощным нуклеофилом. Некоторые четвертичные аммониевые соли голого фторида включают фторид тетраметиламмония и фторид тетрабутиламмония . [23] Другим примером является фторид кобальтоцения . [24] Однако все они не имеют структурных характеристик в апротонных растворителях. Из-за своей высокой основности многие так называемые источники голых фторидов на самом деле представляют собой бифторидные соли. В конце 2016 года был синтезирован фторид имидазолия, который является наиболее близким к термодинамически стабильному и структурно охарактеризованному образцу «голого» источника фторида в апротонном растворителе (ацетонитриле). [25] Стерически требовательный катион имидазолия стабилизирует дискретные анионы и защищает их от полимеризации. [26] [27]
При физиологических значениях pH фторид водорода обычно полностью ионизируется до фторида. В биохимии фторид и фтороводород эквивалентны. Фтор в форме фторида считается микроэлементом для здоровья человека, необходимым для предотвращения кариеса зубов и содействия здоровому росту костей. [28] Чайное растение ( Camellia sinensis L.) является известным аккумулятором соединений фтора, выделяющихся при приготовлении настоев, таких как обычный напиток. Соединения фтора разлагаются на продукты, включающие ионы фтора. Фторид является наиболее биодоступной формой фтора, поэтому чай потенциально является средством дозирования фтора. [29] Примерно 50% абсорбированного фторида выводится почками в течение двадцати четырех часов. Остаток может задерживаться в полости рта и нижних отделах пищеварительного тракта. Голодание резко увеличивает скорость всасывания фторида почти до 100%, а при приеме с пищей — с 60% до 80%. [29] Согласно исследованию 2013 года, было обнаружено, что потребление одного литра чая в день потенциально может обеспечить рекомендуемую суточную дозу 4 мг в день. Некоторые бренды более низкого качества могут поставлять до 120% от этой суммы. Голодание может увеличить этот показатель до 150%. Исследование показывает, что сообщества, пьющие чай, подвергаются повышенному риску флюороза зубов и скелета в случае, когда действует фторирование воды. [29] Ионы фтора в низких дозах во рту уменьшают кариес. [30] По этой причине его используют в зубных пастах и фторировании воды. При гораздо более высоких дозах и частом воздействии фторид вызывает осложнения для здоровья и может быть токсичным.
Фтористые соли и плавиковая кислота являются основными фторидами промышленного значения.
Фторорганические соединения широко распространены. Многие лекарства, многие полимеры, хладагенты и многие неорганические соединения производятся из фторсодержащих реагентов. Часто фториды превращаются во фторид водорода, который является основным реагентом и предшественником реагентов. Особое значение имеют плавиковая кислота и ее безводная форма, фтороводород . [4]
Основное применение фторида с точки зрения объема приходится на производство криолита Na 3 AlF 6 . Его используют при выплавке алюминия . Раньше его добывали, а сейчас получают из фтористого водорода. Флюорит широко используется для отделения шлака при производстве стали. Добываемый флюорит (CaF 2 ) представляет собой товарный химикат, используемый в производстве стали. Гексафторид урана используется для очистки изотопов урана.
Фторсодержащие соединения, такие как фторид натрия или монофторфосфат натрия, используются в местной и системной терапии фторидом для предотвращения кариеса , но точная биохимическая причина неизвестна. [ нужна цитация ] Они используются для фторирования воды и во многих продуктах, связанных с гигиеной полости рта . [31] Первоначально фторид натрия использовался для фторирования воды; гексафторкремниевая кислота (H 2 SiF 6 ) и ее соль гексафторосиликат натрия (Na 2 SiF 6 ) являются более широко используемыми добавками, особенно в США. Известно, что фторирование воды предотвращает кариес [32] [33] и считается Центрами США по контролю и профилактике заболеваний «одним из 10 величайших достижений общественного здравоохранения 20-го века». [34] [35] В некоторых странах, где крупные централизованные системы водоснабжения встречаются редко, фторид доставляется населению путем фторирования поваренной соли. О методе профилактики кариеса см. Фторотерапия . У фторирования воды есть свои критики (см. Споры о фторировании воды ). [36] Фторированная зубная паста широко используется. Метаанализ показывает эффективность 500 ppm фторида в зубных пастах. [37] [38] Однако никакого положительного эффекта не может быть обнаружено при использовании более одного источника фторида для ежедневного ухода за полостью рта. [39] [ для проверки нужна расценка ]
Соли фтора обычно используются в биологических анализах для ингибирования активности фосфатаз , таких как серин / треонинфосфатазы . [40] Фторид имитирует нуклеофильный гидроксид -ион в активных центрах этих ферментов. [41] Фторид бериллия и фторид алюминия также используются в качестве ингибиторов фосфатазы, поскольку эти соединения являются структурными имитаторами фосфатной группы и могут действовать как аналоги переходного состояния реакции. [42] [43]
Институт медицины США (МОМ) обновил расчетные средние потребности (EAR) и рекомендуемые диетические нормы (RDA) для некоторых минералов в 1997 году. Там, где не было достаточной информации для установления EAR и RDA, использовалась оценка, обозначенная как адекватное потребление (AI). вместо. ИИ обычно сопоставляется с фактическим средним потреблением, исходя из предположения, что существует потребность, и эта потребность удовлетворяется за счет того, что люди потребляют. Текущая ИИ для женщин 19 лет и старше составляет 3,0 мг/день (включая беременность и лактацию). ИИ для мужчин составляет 4,0 мг/день. ДВ для детей в возрасте от 1 до 18 лет увеличивается с 0,7 до 3,0 мг/день. Основным известным риском дефицита фтора является повышенный риск возникновения кариеса зубов, вызванного бактериями. Что касается безопасности, МОМ устанавливает верхние допустимые уровни потребления (UL) витаминов и минералов, когда есть достаточные доказательства. В случае фторида UL составляет 10 мг/день. В совокупности EAR, RDA, AI и UL называются эталонными диетическими нормами потребления (DRI). [44]
Европейское управление по безопасности пищевых продуктов (EFSA) называет совокупный набор информации эталонными диетическими значениями, с эталонным потреблением для населения (PRI) вместо RDA и средней потребностью вместо EAR. AI и UL определены так же, как и в США. Для женщин в возрасте 18 лет и старше ИИ устанавливается на уровне 2,9 мг/день (включая беременность и лактацию). Для мужчин значение составляет 3,4 мг/день. Для детей в возрасте 1–17 лет доза ИА увеличивается с возрастом от 0,6 до 3,2 мг/день. Эти ИИ сопоставимы с ИИ США. [45] EFSA рассмотрело доказательства безопасности и установило максимальную дозу для взрослых на уровне 7,0 мг/день (ниже для детей). [46]
В целях маркировки пищевых продуктов и пищевых добавок в США количество витамина или минерала в порции выражается в процентах от дневной нормы (% ДВ). Несмотря на то, что существует информация по установлению адекватного потребления, дневная норма фтора не указана, и его не обязательно указывать на этикетках пищевых продуктов. [47]
Ежедневное потребление фторида 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). [28] В районах, где вода фторируется , 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. [48] Максимальное безопасное ежедневное потребление фторида составляет 10 мг/день для взрослого (США) или 7 мг/день (Европейский Союз). [44] [46]
Верхний предел потребления фтора из всех источников (фторированная вода, продукты питания, напитки, фторсодержащие стоматологические продукты и пищевые фторидные добавки) установлен на уровне 0,10 мг/кг/день для младенцев, малышей и детей до 8 лет. Для детей старшего возраста и взрослых, которые больше не подвержены риску флюороза зубов, верхний предел содержания фтора установлен на уровне 10 мг/день независимо от веса. [49]
По данным Министерства сельского хозяйства США, эталонная норма потребления питательных веществ, которая представляет собой «наивысший уровень ежедневного потребления питательных веществ, который, вероятно, не представляет риска неблагоприятных последствий для здоровья», определяет 10 мг/день для большинства людей, что соответствует 10 л фторированной жидкости. воду без риска. Для маленьких детей значения меньше: от 0,7 мг/день до 2,2 мг/день для младенцев. [51] Источники фтора в воде и пище включают фторирование воды в обществе, морепродукты, чай и желатин. [52]
Растворимые соли фторида, из которых наиболее распространенным является фторид натрия , токсичны и приводят как к случайным, так и к самоубийствам в результате острого отравления . [4] Смертельная доза для большинства взрослых людей оценивается в 5–10 г (что эквивалентно 32–64 мг элементарного фторида на кг массы тела). [53] [54] [55] Задокументирован случай смертельного отравления взрослого человека 4 граммами фторида натрия, [56] и выживший при дозе 120 г фторида натрия. [57] Для фторосиликата натрия (Na 2 SiF 6 ) средняя смертельная доза (LD 50 ) при пероральном приеме у крыс составляет 125 мг/кг, что соответствует 12,5 г для взрослого человека массой 100 кг. [58]
Лечение может включать пероральное введение разбавленного гидроксида кальция или хлорида кальция для предотвращения дальнейшей абсорбции и инъекции глюконата кальция для повышения уровня кальция в крови. [56] Фтороводород более опасен, чем соли, такие как NaF, поскольку он коррозионно-летучий и может привести к смертельному воздействию при вдыхании или при контакте с кожей; Гель глюконата кальция является обычным противоядием. [59]
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 кишечнорастворимой оболочкой не оказывают каких-либо существенных побочных эффектов на желудок и вызывают более легкие и менее частые осложнения со стороны костей. [60] 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 ; в основном это незначительное воздействие и вряд ли окажет какое-либо реальное влияние на эстетический вид или здоровье населения. [61] Известно, что фторид улучшает измерение минеральной плотности костной ткани в поясничном отделе позвоночника, но он не эффективен при переломах позвонков и провоцирует большее количество непозвоночных переломов. [62] В районах, где естественным образом встречается высокий уровень фтора в грунтовых водах , которые используются для питья , флюороз зубов и скелета может быть распространенным и тяжелым. [63]
Популярный городской миф утверждает, что нацисты использовали фторид в концентрационных лагерях, но исторических свидетельств, подтверждающих это утверждение, нет. [64]
Около трети человечества пьет воду из подземных вод. Из них около 10%, примерно триста миллионов человек, получают воду из ресурсов подземных вод, сильно загрязненных мышьяком или фторидом. [65] Эти микроэлементы происходят в основном из минералов. [66] Доступны карты с указанием потенциально проблемных скважин. [67]
Концентрированные растворы фторидов вызывают коррозию. [68] При работе с фторидными соединениями надевают перчатки из нитрильного каучука . Опасность растворов фторидных солей зависит от концентрации. В присутствии сильных кислот фтористые соли выделяют фтористый водород , который вызывает коррозию, особенно по отношению к стеклу. [4]
Из фторида производят органические и неорганические анионы, в том числе:
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )