Chemia fluoru

Fluor (symbol chemiczny F, liczba atomowa 9, masa atomowa 18,9884 u), odkryty został przez Henriego Moissana w 1886 r. Nazwa łacińska fluorium, pochodzi od łacińskiego fluere – płynąć. Fluor rozpoczyna 17. grupę układu okresowego. Jest zielonożółtym gazem o ostrym zapachu, silnie toksycznym. W stanie gazowym tworzy cząstki dwuatomowe F₂.  Jego temperatura topnienia wynosi -219,62°C, temperatura wrzenia-188°C, gęstość 1,696 g/l, konfiguracja elektronowa [₉F]: 1s²2s²2p⁵, stopień utlenienia –I. Pierwiastek ten otrzymywany jest w skali przemysłowej przez elektrolizę stopionego KFxHF. Nie tworzy kwasów tlenowych.

Właściwości fluoru i jego zastosowanie

Fluor jest najsilniejszym utleniaczem. Wysoka reaktywność sprawia, że z wodorem tworzy mieszaninę wybuchową – fluorowodór, powszechnie stosowany do trawienia szkła. Występuje w przyrodzie wyłącznie w stanie związanym. Minerały zawierające fluor to fluoryt CaF_2, kriolit Na₃AlF₆, apatyt Ca₅(PO₄)₃F. Potocznie mówi się zatem o fluorkach, czyli jonach fluoru F^-.

Fluor używany jest do produkcji UF₆ stosowanego przy rozdzielaniu izotopów uranu oraz produkcji UF₄, z którego otrzymuje się uran metaliczny stosowany w technice jądrowej. Coraz większe znaczenie zyskuje on w produkcji tworzyw sztucznych, w tym produkcji teflonu (tetrafluoroetylen) czy freonu (difluorodichlorometan). Freony stosowane są w technice chłodniczej i przemyśle kosmetycznym.

Fluorowodór jest używany do trawienia szkła i do impregnacji drewna. Fluor powszechnie znany jest ze swojej roli w pastach do zębów, w których stosowany jest w postaci fluorku sodu (NaF), fluorku cyny (II) (SnF₂) i jednofluorofosforanu sodu (Na₂PO₃F). Jest także jednym z głównych składników leków psychotropowych, wzmacniającym ich działanie. Popularne Valium poszerzone o fluor to Rohylpnol. Fluor stosowany jest w domach opieki społecznej i szpitalach psychiatrycznych na całym świecie (Stelazinum, Atorwastatyna, Deksametazol, Ezetymib, Nebiwolol, Riluzol, Sparfloksacyna, Triamcinolon). Znajduje się także w trutkach na insekty.

Występowanie fluoru

Do źródeł fluoru zaliczyć można wodę, pokarmy pochodzenia roślinnego i zwierzęcego. W wodach naturalnych poziom fluoru wynosi od 0,01 do 100 ppm. W jedzeniu jony fluorkowe znajdują się w: herbacie (od 1-7 mg/100g), produktach zbożowych np. mące pszennej (0,56 mg/1000g), warzywach liściastych (sałata), orzechach, rybach (1,65 mg/1000g), ziemniakach (0,141 mg), marchewce (0,227 mg), brokułach.

W Polsce dopuszczalne stężenie fluoru w wodzie przeznaczonej do picia i celów gospodarczych wynosi 1,5 mg/l, jednak wśród napojów produkowanych w kraju są napoje z ekstraktem herbaty oraz niektóre wody mineralne, które mogą zawierać nawet do 1,4 mg/l fluoru. Do środowiska fluor dostaje się z hut aluminium, żelaza, szkła, fabryk nawozów sztucznych, elektrowni czy produkcji środków ochrony roślin. Źródłem fluoru jest także organizm człowieka, gdzie pierwiastek ten występuje w ilości ok. 3 mg/kg masy ciała.

Jak duże jest zapotrzebowanie na fluor? Ile wynosi dzienna dawka?

Dzienna dawka spożywanego fluoru nie powinna przekraczać 3mg/dobę. Jak na każdy mikroelement czy witaminę, także zapotrzebowanie na fluor zmienia się w zależności od wieku, płci i masy ciała. Dzieci w wieku 1-3 lat potrzebują 0,7 mg/dobę, 4-8 lat - 1,1 mg/dobę, 9-13 lat - 2,0 mg/dobę, chłopcy i dziewczęta w wieku 14-18 lat - średnio 2,9-3,2 mg/dobę, dorośli - 3,1-3,8 mg/dobę. Mając na uwadze, że z żywności nasz organizm może pobrać 1,7-4,75 mg fluoru/dobę, z wody pitnej 1 mg/dobę okazuje się, że już na tym etapie dzienna dawka jest przekroczona. Do tego dochodzą dodatkowe źródła fluoru jak profilaktyka fluorowa próchnicy czy zanieczyszczenia przemysłowe.Powstają zatem pytania:

Jak działa fluor na nasz organizm? Czy przekroczenie dziennej dawki stwarza realne zagrożenie?

Fluor jest niezbędny do tworzenia prawidłowej tkanki kostnej i indukowania postępu przyrostu masy kostnej. Ze względu na fakt poprawy bilansu wapniowego i możliwość leczenia małymi dawkami stosowany jest w leczeniu osteoporozy. Zmniejsza także ilość złamań trzonów kręgów. Przy długotrwałej podaży nadmiar fluoru może prowadzić do fluorozy kostno-szkieletowej, której jednym z początkowym etapów jest fluoroza zębów. W przypadku fluorozy szkieletu kości stają się bardziej kruche, a więzadła tracą elastyczność. Fluor ma także zastosowanie przeciwpróchnicze. Jony fluorkowe hamują demineralizację i zwiększają mineralizację tkanki zęba, ograniczają metabolizm i wzrost bakterii próchnicotwórczych. W pewnym zakresie stężeń fluor może hamować rozwój zmian miażdżycowych w aorcie i innych naczyniach tętniczych. Wykorzystywany jest w leczeniu nowotworów (fluorouracyl) i zakażeń układu moczowego (fluorochinolony).

Fluor ma także negatywny wpływ na organizm człowieka. Przede wszystkim ze względu na duże powinowactwo do wapnia i magnezu, tworząc z tymi pierwiastkami związki nierozpuszczalne, wytrącające się w kościach, więzadłach, torebkach stawowych, mięśniach, powodując zaburzenia czynnościowe narządów. Działa hamująco na wiele enzymów, oddychanie komórkowe, przemianę węglowodanów i lipidów czy syntezę niektórych hormonów. W ciąży zbyt duża podaż fluoru może wpłynąć na obniżenie masy urodzeniowej noworodka, zmniejszenie obwodu główki, wcześniejsze zarastanie ciemiączka, zaburzenia rozwojowe. W literaturze można spotkać również doniesienia o związku fluoryzowanej wody ze wzrostem częstości występowania u dzieci Zespołu Downa. Do innych niekorzystnych działań fluoru zaliczyć można: przedwczesne porody (na skutek uszkodzenia narządów rozrodczych), obniżone wskaźniki płodności, poronienia i zgony noworodków, rozwój niektórych nowotworów, zmniejszenie średniego współczynnika inteligencji IQ, a także obniżenie aktywności tarczycy czy hamowanie powstawania przeciwciał we krwi - obniżenie zdolności białych krwinek do niszczenia czynników chorobotwórczych.

Uwarunkowania osobnicze i indywidualna tolerancja toksycznego działania fluoru na organizm ludzki sprawiają, że to co dla jednych jest bezpieczne, dla drugich jest zagrożeniem zdrowia. Zgodnie z danymi literaturowymi tzw. prawdopodobna dawka toksyczna (PDT) wynosi 5 mg/kg masy ciała lub 20 mg/dobę. Różnica pomiędzy dawką fluoru korzystnie wpływającą na metabolizm, a tą która powoduje jego zaburzenia, toksyczną, jest niewielka. Ponieważ fluor ma silne powinowactwo do wapnia dla osób z jego deficytem, niedożywieniem czy z dysfunkcją nerek ryzyko zatrucia wzrasta. Na zatrucia wpływ ma także fakt, iż fluor kumuluje się w organizmie i jest wydalany przez gruczoły łojowe i potowe. Fluor jest silnie neurotoksyczny – powoduje zmiany neurodegeneracyjne w móżdżku, hipokampie i korze mózgu. Prowadzi do zahamowania syntezy neurotransmiterów i zmniejszenia ilości receptorów w mózgu. Obniża zdolność uczenia i zapamiętywania.

Dlaczego fluor jest toksyczny?

Jony fluorkowe łatwo przenikają przez błony komórkowe, penetrując zarówno tkanki twarde, jak i miękkie tkanki narządów. Najbardziej narażone na szkodliwe działanie fluoru są nerki i wątroba, ponieważ są one zaangażowane w detoksykację i eliminację fluoru z organizmu. Toksyczność fluoru wynika z jego zdolności do wywoływania stresu oksydacyjnego poprzez generowanie wolnych rodników i zmniejszanie wydajności enzymatycznego układu antyoksydacyjnego. Fluor indukuje procesy wolnorodnikowe, które prowadzą do uszkodzeń białek, DNA w nerkach, wątrobie, mózgi i krwi. Z drugiej strony może być również inhibitorem enzymów antyoksydacyjnych. Negatywny wpływ fluor wywiera także na przemiany energetyczne w komórkach. Zaburza gospodarkę mineralną organizmu m. in. poziom wapnia, magnezu i fosforu. Zwiększa przyswajalność glinu przez komórki śluzówki przewodu pokarmowego oraz transport glinu przez barierę krew-mózg. Kompleksy te są uważane za jeden z czynników uszkadzających centralny układ nerwowy.

Rola fluoru w prewencji próchnicy

Próchnica zębów powodowana jest przez bakterie, które na skutek uszkodzenia szkliwa mogą przedostać się do zębiny i rozpocząć proces niszczenia zębów. Ponieważ fluor wpływa na budowę i przemianę szkliwa stosuje się go jako związek zapobiegający próchnicy zębów. Przyjmowanie tabletek fluorowych oraz stosowanie past z fluorem ma tylko sens w okresie kształtowania się i wapnienia związków zębowych, a więc u kobiet w ciąży (u płodu) oraz u dzieci i młodzieży.

Past z fluorem nie powinny używać osoby cierpiące na trądzik o ciężkim przebiegu, dermatozę okołoustną, trądzik sterydowy oraz trądzik różowaty. Badania naukowe nie potwierdziły hamowania próchnicy w przypadku zębów stałych. Zdaniem naukowców jest to biologicznie (fizjologicznie) niemożliwe. Najbardziej bezpieczną formą zewnętrznego podawania fluoru są zabiegi fluoryzacyjne. Odbywają się jednorazowo i w dużych odstępach czasu, a preparaty do nich używane krótko działają w jamie ustnej i są wypluwane, a nie połykane. Taki kontakt z fluorem jest znacznie bezpieczniejszy od wieloletniego, rozpoczętego już w okresie niemowlęcym, podawania kropelek czy tabletek, które to może prowadzić do poważnych zaburzeń.

Aby uniknąć przedawkowania fluoru, powinno się sprawdzić jaka jest jego zawartość w wodzie pitnej (informacji takich udziela Sanepid), a o rozpoczęciu profilaktyki fluorowej, dawce preparatu, dobranej do wagi dziecka zawsze powinien zdecydować lekarz pediatra lub stomatolog. Należy uważać i pilnować, aby małe dzieci nie połykały pasty z fluorem podczas mycia zębów, gdyż może to spowodować bóle brzucha, biegunkę i zatrucie. 

Ciekawostki

Fluor podawany był przez Niemców w obozach koncentracyjnych i obozach pracy przymusowej. Miało to na celu stłamszenie woli więźniów, ponieważ fluor podobnie jak brom ma działanie sedatywne i uspokajające. W porównaniu do bromu jest bezwonny, bez smaku, łatwiej może być ukryty w wodzie. Podobnie postępowali Sowieci podając fluorek sodu do wody w łagrach. Wiadome jest, że fluor powoduje uszkodzenia mózgu, czego konsekwencją jest ograniczenie możliwości samoobrony, gdy człowiek staje się bardziej "potulny". Badania przeprowadzone w tych czasach były tak obiecujące, że zainteresowało się nimi CIA włączając je do programu prania mózgów.