Fluor

Fluor is een chemisch element met het symbool F en atoomnummer 9. Het is het lichtste halogeen en bestaat als een zeer giftig lichtgeel diatomeeëngas onder standaardomstandigheden. Als het meest elektronegatieve element is het extreem reactief, omdat het reageert met alle andere elementen, behalve met argon, neon en helium.

Onder de elementen staat fluor op de 24e plaats in universele overvloed en op de 13e plaats in terrestrische overvloed. Fluoriet, de primaire minerale bron van fluor die het element zijn naam gaf, werd voor het eerst beschreven in 1529; aangezien het werd toegevoegd aan metaalertsen om hun smeltpunten te verlagen voor het smelten, gaf het Latijnse werkwoord fluo, wat “stroom” betekent, het mineraal zijn naam. Voorgesteld als een element in 1810, bleek fluor moeilijk en gevaarlijk te scheiden van zijn verbindingen, en verschillende vroege experimenten stierven of raakten gewond bij hun pogingen. Pas in 1886 isoleerde de Franse chemicus Henri Moissan elementaire fluor met behulp van elektrolyse bij lage temperatuur, een proces dat nog steeds wordt toegepast voor de moderne productie. De industriële productie van fluorgas voor uraniumverrijking, de grootste toepassing, begon tijdens het Manhattan Project in de Tweede Wereldoorlog.

Als gevolg van de kosten van de raffinage van zuivere fluor, gebruiken de meeste commerciële toepassingen fluorverbindingen, waarbij ongeveer de helft van het ontgonnen fluoriet wordt gebruikt in de staalproductie. De rest van het fluoriet wordt onderweg omgezet in corrosieve waterstoffluoride, of in kryoliet, dat een sleutelrol speelt in de aluminiumraffinage. Moleculen die een koolstof-fluorine band bevatten hebben vaak een zeer hoge chemische en thermische stabiliteit; hun belangrijkste toepassingen zijn als koelmiddelen, elektrische isolatie en kookgerei, de laatste als PTFE (Teflon). Farmaceutische producten zoals atorvastatine en fluoxetine bevatten C-F-bindingen. Het fluoride-ion uit opgeloste fluoridezouten remt tandheelkundige holtes en vindt zo zijn toepassing in tandpasta en waterfluoridering. De wereldwijde fluorochemische omzet bedraagt meer dan 15 miljard dollar per jaar.

Fluorkoolstofgassen zijn over het algemeen broeikasgassen met een wereldwijd opwarmingspotentieel dat 100 tot 23.500 keer hoger ligt dan dat van kooldioxide, waarbij SF6 het hoogste opwarmingspotentieel heeft van alle bekende stoffen. Organische fluorverbindingen blijven vaak in het milieu aanwezig door de sterkte van de koolstof-fluorverbinding. Fluor heeft geen bekende metabolische rol bij zoogdieren; enkele planten en zeesponzen synthetiseren organofluorine gifstoffen (meestal monofluoracetaten) die helpen bij het afschrikken van predatie.

Geschiedenis

In 1529 beschreef Georgius Agricola fluoriet als een additief dat wordt gebruikt om het smeltpunt van metalen tijdens het smelten te verlagen. Hij schreef het Latijnse woord fluorés (fluor, stroming) voor fluorietgesteenten. De naam evolueerde later naar vloeispaat (nog steeds veel gebruikt) en vervolgens naar fluoriet. De samenstelling van fluoriet werd later bepaald als kalkdifluoride.

Waterstoffluoride werd vanaf 1720 gebruikt in glasetsen. Andreas Sigismund Marggraf karakteriseerde het voor het eerst in 1764 toen hij fluoriet met zwavelzuur verhitte en de resulterende oplossing zijn glasbakje aantastte. De Zweedse chemicus Carl Wilhelm Scheele herhaalde het experiment in 1771 en noemde het zure product fluss-spats-syran (vloeispaatzuur). In 1810 stelde de Franse fysicus André-Marie Ampère voor dat waterstof en een element analoog aan chloor fluorwaterstofzuur vormden. Sir Humphry Davy stelde voor om deze toen nog onbekende stof fluor te noemen uit fluorzuur en het -ine achtervoegsel van andere halogenen. Dit woord wordt, met wijzigingen, gebruikt in de meeste Europese talen; Grieks, Russisch, en sommige andere (naar aanleiding van de suggestie van Ampère) gebruiken de naam ftor of afgeleiden, van het Griekse φθόριος (phthorios, destructief). De nieuwe Latijnse naam fluorum gaf het element zijn huidige symbool F; Fl werd gebruikt in de vroege papieren.

Isolatie

De eerste studies over fluor waren zo gevaarlijk dat verschillende 19de-eeuwse experimenten werden beschouwd als “fluormartelaren” na tegenslagen met waterstoffluoride. De isolatie van elementair fluor werd gehinderd door de extreme corrosiviteit van zowel elementair fluor zelf als waterstoffluoride, evenals het ontbreken van een eenvoudige en geschikte elektrolyt. Edmond Frémy postuleerde dat elektrolyse van zuiver waterstoffluoride om fluor te genereren haalbaar was en bedacht een methode om watervrije monsters te produceren uit aangezuurd kaliumbifluoride; in plaats daarvan ontdekte hij dat het resulterende (droge) waterstoffluoride geen elektriciteit geleidde. Frémy’s oud-student Henri Moissan hield vol en ontdekte na veel vallen en opstaan dat een mengsel van kaliumbifluoride en droge waterstoffluoride een geleider was, die elektrolyse mogelijk maakte. Om snelle corrosie van het platina in zijn elektrochemische cellen te voorkomen, koelde hij de reactie op extreem lage temperaturen af in een speciaal bad en smeedde hij cellen uit een resistenter mengsel van platina en iridium, en gebruikte hij fluorietstoppers. In 1886, na 74 jaar inspanning van vele chemici, isoleerde Moissan elementaire fluor.

In 1906, twee maanden voor zijn dood, ontving Moissan de Nobelprijs voor de Scheikunde, met het volgende citaat:

n erkenning van de grote diensten die hij heeft geleverd in z’n onderzoek en isolatie van ‘t element fluor… De hele wereld heeft bewondering voor de grote experimentele vaardigheid waarmee je dat woeste beest onder de elementen hebt bestudeerd.

Later gebruikt

De Frigidaire divisie van General Motors (GM) experimenteerde eind jaren twintig met chloorfluorkoolstofkoelmiddelen en Kinetic Chemicals werd in 1930 opgericht als een joint venture tussen GM en DuPont in de hoop Freon-12 (CCl2F2) op de markt te brengen als een van die koelmiddelen. Het verving eerdere en meer toxische verbindingen, verhoogde de vraag naar keukenkoelkasten en werd winstgevend; in 1949 had DuPont Kinetic uitgekocht en verschillende andere Freon-verbindingen op de markt gebracht. Polytetrafluorethyleen (Teflon) werd in 1938 serendipitisch ontdekt door Roy J. Plunkett tijdens het werken aan koelmiddelen in Kinetic, en zijn superieure chemische en thermische weerstand leende het aan versnelde commercialisering en massaproductie tegen 1941.

De grootschalige productie van elementaire fluor begon tijdens de Tweede Wereldoorlog. Duitsland gebruikte elektrolyse bij hoge temperatuur om tonnen van de geplande brandbare chloortrifluoride te maken en het Manhattan Project gebruikte enorme hoeveelheden om uraniumhexafluoride voor uraniumverrijking te produceren. Aangezien UF6 net zo corrosief is als fluor, hadden gasdiffusie-installaties speciale materialen nodig: nikkel voor membranen, fluorpolymeren voor afdichtingen en vloeibare fluorkoolwaterstoffen als koel- en smeermiddelen. Deze ontluikende nucleaire industrie dreef later de naoorlogse fluorochemische ontwikkeling aan.

Natuurlijk voorkomen

Voorkomen in het universum

Onder de lichtere elementen is de overvloedige waarde van 400 ppb (parts per billion) fluor - 24e onder de elementen in het universum - uitzonderlijk laag: andere elementen van koolstof tot magnesium komen twintig of meer keer zo vaak voor. Dit komt omdat stellaire nucleosyntheseprocessen fluor omzeilen, en eventuele fluoratomen die anders ontstaan hebben een hoge nucleaire doorsnede, waardoor verdere fusie met waterstof of helium respectievelijk zuurstof of neon kan genereren.

Naast dit voorbijgaande bestaan zijn er drie verklaringen voorgesteld voor de aanwezigheid van fluor:

  • Tijdens de supernova’s van type II kunnen neonatomen door neutrino’s worden gebombardeerd tot fluor.
  • De zonnewind van Wolf-Rayet sterren kan fluor wegblazen van alle waterstof- of heliumatomen
  • Fluor is gebaseerd op convectiestromen die ontstaan door fusie in asymptotische reuzentaksterren.

Voorkomen op aarde

Fluor is het dertiende meest voorkomende element in de aardkorst met 600-700 ppm (parts per million) in massa. Elementair fluor komt van nature niet voor. In plaats daarvan bestaat alle fluor als fluoridehoudende mineralen. Fluoriet, fluorapatiet en kryoliet zijn de industrieel meest significante. Fluoriet, ook bekend als vloeispaat, (CaF2), wereldwijd in overvloed aanwezig, is de belangrijkste bron van fluoride, en dus fluor. China en Mexico zijn de belangrijkste leveranciers. Fluorapatiet (Ca5(PO4)3F), dat het grootste deel van de wereldfluoride bevat, is een onbedoelde bron van fluoride als bijproduct van de kunstmestproductie. Kryoliet (Na3AlF6), dat in het productiealuminium wordt gebruikt, is het meest fluorrijke mineraal. Economisch levensvatbare natuurlijke bronnen van kryoliet zijn uitgeput, en de meeste worden nu commercieel geproduceerd.

Andere mineralen zoals topaas bevatten fluor. Fluoriden, in tegenstelling tot andere halogeniden, zijn onoplosbaar en komen niet voor in commercieel gunstige concentraties in zout water. In vulkaanuitbarstingen en geothermische bronnen zijn sporen van organofluorines van onzekere oorsprong gevonden. Het bestaan van gasvormige fluor in kristallen, gesuggereerd door de geur van gebroken antozoniet, is omstreden; een studie uit 2012 meldde de aanwezigheid van 0,04% F2 per gewicht in antozoniet, waarbij deze insluitsels worden toegeschreven aan de straling van de aanwezigheid van kleine hoeveelheden uranium.

Zout en zoet water

Atmosfeer

Productie

Elementaire fluor en vrijwel alle fluorverbindingen worden geproduceerd uit waterstoffluoride of zijn waterige oplossingen, fluorwaterstofzuur. Deze soorten worden geproduceerd door behandeling van fluoriet (CaF2) met zwavelzuur.

Ongeveer 20% van de geproduceerde HF is een bijproduct van de productie van meststoffen, die hexafluorosilic zuur (H2SiF6) produceert, dat kan worden afgebroken om HF thermisch en door hydrolyse vrij te geven.

Industriële productie

De methode van Moissan wordt gebruikt om industriële hoeveelheden fluor te produceren, via de elektrolyse van een mengsel van kaliumfluoride en waterstoffluoride: waterstof en fluoride-ionen worden gereduceerd en geoxideerd bij een stalen containerkathode en een koolstofblokanode, onder 8-12 volt, om respectievelijk waterstof en fluorgas te genereren. De temperaturen worden verhoogd, KF-2HF smelten bij 70 °C (158 °F) en worden geëlektrolyseerd bij 70-130 °C (158-266 °F). KF, dat als katalysator fungeert, is essentieel omdat zuivere HF niet geëlektrolyseerd kan worden. Fluor kan worden opgeslagen in stalen cilinders die gepassiveerd interieur, bij temperaturen onder 200 ° C (392 ° F); anders kan nikkel worden gebruikt. Regelkleppen en leidingen zijn gemaakt van nikkel, de laatste eventueel met behulp van Monel. Regelafsluiters en leidingwerk zijn gemaakt van nikkel, eventueel met behulp van Monel, en moeten regelmatig worden gepassiveerd, met strikte uitsluiting van water en vetten. In het laboratorium kan glaswerk onder lage druk en watervrije omstandigheden fluorgas bevatten; sommige bronnen bevelen in plaats daarvan nikkel-Monel-PTFE-systemen aan.

Laboratoriumproductie

Tijdens de voorbereiding van een conferentie in 1986 om het honderdjarig bestaan van de prestatie van Moissan te vieren, redeneerde Karl O. Christe dat de chemische fluorgeneratie haalbaar zou moeten zijn omdat sommige metaalfluorideanionen geen stabiele neutrale tegenhangers hebben; hun verzuring brengt in plaats daarvan potentieel oxidatie teweeg. Hij bedacht een methode die fluor ontwikkelt bij hoge opbrengst en atmosferische druk.

Christe merkte later op dat de reactanten “al meer dan 100 jaar bekend waren en zelfs Moissan had met dit schema kunnen komen”. Nog in 2008 beweerden sommige referenties dat fluor te reactief was voor een chemische isolatie.

Economisch gebruik

De fluorietmijnbouw, die het grootste deel van de wereldwijde fluor levert, bereikte zijn hoogtepunt in 1989 toen er 5,6 miljoen ton erts werd gewonnen. De chloorfluorkoolstofbeperkingen verlaagden dit tot 3,6 miljoen ton in 1994; de productie is sindsdien toegenomen. In 2003 werd ongeveer 4,5 miljoen ton erts en een omzet van 550 miljoen dollar gegenereerd; latere rapporten schatten de wereldwijde verkoop van fluorchemicaliën in 2011 op 15 miljard dollar en voorspelden een productie van 3,5 tot 5,9 miljoen ton in 2016-18 en een omzet van ten minste 20 miljard dollar. Door de schuimlaag wordt het ontgonnen fluoriet in twee belangrijke metallurgische kwaliteiten van gelijke proporties verdeeld: 60-85% zuiver metspar wordt bijna allemaal gebruikt bij het smelten van ijzer, terwijl 97%+ zuiver zuurspar voornamelijk wordt omgezet in de belangrijkste industriële tussenliggende waterstoffluoride.

Elk jaar worden er minstens 17.000 ton fluor geproduceerd. Het kost slechts $5-8 per kilogram als uranium- of zwavelhexafluoride, maar vele malen meer als element vanwege de uitdagingen op het gebied van de verwerking. De meeste processen die gebruik maken van vrije fluor in grote hoeveelheden maken gebruik van in-situ generatie onder verticale integratie.

De grootste toepassing van fluorgas, met een verbruik tot 7.000 ton per jaar, is de voorbereiding van UF6 voor de nucleaire brandstofcyclus. Fluor wordt gebruikt om uraniumtetrafluoride, zelf gevormd uit uraniumdioxide en fluorwaterstofzuur, te fluoriseren. Fluor is monoïsotopisch, dus eventuele massaverschillen tussen UF6-moleculen zijn te wijten aan de aanwezigheid van 235U of 238U, waardoor uraniumverrijking via gasdiffusie of gascentrifuge mogelijk is. Ongeveer 6.000 metrische tonnen per jaar gaan naar de productie van de inerte diëlektrische SF6 voor hoogspanningstransformatoren en stroomonderbrekers, waardoor er geen gevaarlijke polychloorbifenylen meer nodig zijn in verband met met met olie gevulde apparaten. Verschillende fluorverbindingen worden gebruikt in de elektronica: rhenium en wolfraamhexafluoride in chemische dampdepositie, tetrafluormethaan in plasma-etsen en stikstoftrifluoride in reinigingsapparatuur. Fluor wordt ook gebruikt in de synthese van organische fluoriden, maar de reactiviteit ervan vereist vaak eerst conversie naar de zachtere ClF3, BrF3 of IF5, die samen gekalibreerde fluorisering mogelijk maken. Gefluoreerde geneesmiddelen gebruiken in plaats daarvan zwaveltetrafluoride.

Anorganische fluoriden

Net als bij andere ijzerlegeringen wordt aan elke metrische ton staal ongeveer 3 kg (6,5 lb) metspar toegevoegd; de fluoride-ionen verlagen het smeltpunt en de viscositeit. Naast zijn rol als additief in materialen zoals emaille en lasstaaflagen, wordt het meeste zuurspaat gereageerd met zwavelzuur om fluorwaterstofzuur te vormen, dat wordt gebruikt bij het beitsen van staal, het etsen van glas en het kraken van alkaan. Een derde van HF gaat naar het synthetiseren van kryoliet en aluminiumtrifluoride, beide stromen in het Hall-Héroult-proces voor de extractie van aluminium; aanvulling is nodig door hun incidentele reacties met het smelttoestel. Elke metrische ton aluminium vereist ongeveer 23 kg (51 lb) flux. Fluorosilicaten verbruiken het tweede grootste deel, met natriumfluorosilicaat dat wordt gebruikt bij de behandeling van waterfluoridering en wasserijen, en als tussenproduct onderweg naar kryoliet en siliciumtetrafluoride. Andere belangrijke anorganische fluoriden zijn die van kobalt, nikkel en ammonium.

Organische fluoriden

Organofluoriden verbruiken meer dan 20% van het ontgonnen fluoriet en meer dan 40% van het fluorwaterstofzuur, waarbij de koelgassen domineren en de fluorpolymeren hun marktaandeel vergroten. Oppervlakteactieve stoffen zijn een minder belangrijke toepassing, maar genereren meer dan 1 miljard dollar aan jaarlijkse inkomsten. Vanwege het gevaar van directe koolwaterstof-fluorreacties boven -150 °C (-240 °F) is de industriële fluorkoolstofproductie indirect, meestal via halogeenuitwisselingsreacties zoals Swarts fluorisering, waarbij chloorkoolwaterstofchlorines worden vervangen door waterstoffluoride onder katalysatoren. Elektrochemische fluorisering onderwerpt koolwaterstoffen aan elektrolyse in waterstoffluoride, en het Fowler-proces behandelt ze met vaste fluordragers zoals kobalttrifluoride.

Koelmiddelgassen

Gehalogeneerde koelmiddelen, in informele contexten Freons genoemd, worden geïdentificeerd met R-nummers die de hoeveelheid aanwezige fluor, chloor, koolstof en waterstof aangeven. Chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK’s) zoals R-11, R-12 en R-114 domineerden ooit de organofluorines en bereikten een hoogtepunt in de productie in de jaren tachtig. Gebruikt voor airconditioningsystemen, drijfgassen en oplosmiddelen, lag hun productie begin 2000 onder een tiende van deze piek, na een wijdverbreid internationaal verbod. Chloorfluorkoolwaterstoffen (HCFK’s) en fluorkoolwaterstoffen (HFK’s) zijn ontworpen als vervangers; de synthese ervan verbruikt meer dan 90% van de fluor in de organische industrie. Belangrijke HCFK’s zijn R-22, chloordifluormethaan en R-141b. De belangrijkste HFK’s zijn R-134a met een nieuw type molecuul HFO-1234yf, een Hydrofluoroolefine (HFO) die op de voorgrond treedt door zijn aardopwarmingsvermogen van minder dan 1% dat van HFK-134a.

Polymeren

In 2006 en 2007 werden ongeveer 180.000 ton fluorpolymeren geproduceerd, wat meer dan 3,5 miljard dollar aan inkomsten per jaar opleverde. De wereldwijde markt werd geschat op iets minder dan 6 miljard dollar in 2011 en er werd voorspeld dat deze tot 2016 met 6,5% per jaar zou groeien. Fluorpolymeren kunnen alleen worden gevormd door het polymeriseren van vrije radicalen.

Polytetrafluorethyleen (PTFE), soms genoemd onder de naam Teflon van DuPont, vertegenwoordigt 60-80% van de wereldproductie van fluorpolymeren. De grootste toepassing is in de elektrische isolatie omdat PTFE een uitstekend diëlektricum is. Het wordt ook gebruikt in de chemische industrie waar corrosiebestendigheid nodig is, in deklaagleidingen, buizen en pakkingen. Een andere belangrijke toepassing is in PFTE-gecoate glasvezeldoek voor stadiondaken. De belangrijkste consumententoepassing is voor non-stick kookgerei. De geknakte PTFE-film wordt uitgebreide PTFE (ePTFE), een membraan met fijne poriën dat soms door de merknaam Gore-Tex wordt bedoeld en dat voor regenkleding, beschermende kleding en filters wordt gebruikt; ePTFE de vezels kunnen in verbindingen en stoffilters worden gemaakt. Andere fluorpolymeren, waaronder gefluoreerd ethyleenpropyleen, bootsen de eigenschappen van PTFE na en kunnen deze vervangen; ze zijn kneedbaarder, maar ook duurder en hebben een lagere thermische stabiliteit. Films van twee verschillende fluorpolymeren vervangen glas in zonnecellen.

De chemisch resistente (maar dure) fluorionen worden gebruikt als elektrochemische celmembranen, waarvan het eerste en meest prominente voorbeeld Nafion is. Het werd ontwikkeld in de jaren zestig en werd aanvankelijk gebruikt als brandstofcelmateriaal in ruimtevaartuigen en vervolgens vervangen door chloor/alkali-procescellen op basis van kwik. Onlangs is de brandstofceltoepassing opnieuw opgedoken met pogingen om protonuitwisselingsmembraan-brandstofcellen in auto’s te installeren. Fluorelastomeren zoals Viton zijn vernette fluorpolymeermengsels die voornamelijk in O-ringen worden gebruikt; perfluorobutaan (C4F10) wordt gebruikt als brandblusser.

Medische toepassingen

Tandheelkundige zorg

Bevolkingsstudies vanaf het midden van de 20e eeuw tonen aan dat actueel fluoride tandcariës vermindert. Dit werd voor het eerst toegeschreven aan de omzetting van tandglazuurhydroxyapatiet in het duurzamere fluorapatiet, maar studies over voorgefluoreerde tanden weerlegden deze hypothese, en de huidige theorieën gaan uit van fluoride dat helpt bij de groei van het tandglazuur in kleine cariës. Na studies van kinderen in gebieden waar fluoride van nature aanwezig was in het drinkwater, begon de gecontroleerde openbare watervoorziening fluoridering om tandbederf tegen te gaan in de jaren 1940 en wordt nu toegepast op de watervoorziening van 6 procent van de wereldbevolking, waaronder tweederde van de Amerikanen. Beoordelingen van de wetenschappelijke literatuur in 2000 en 2007 brachten waterfluoridering in verband met een aanzienlijke vermindering van tandbederf bij kinderen. Ondanks dergelijke goedkeuringen en bewijs van geen andere negatieve effecten dan meestal goedaardige tandfluorose, bestaat er nog steeds verzet op ethische en veiligheidsgronden. De voordelen van fluoridering zijn verminderd, mogelijk als gevolg van andere fluoridebronnen, maar zijn nog steeds meetbaar in lage inkomensgroepen. Natriummonofluorofosfaat en soms ook natrium- of tin(II)-fluoride worden vaak aangetroffen in fluoridetandpasta’s, voor het eerst geïntroduceerd in de VS in 1955 en nu alomtegenwoordig in ontwikkelde landen, naast gefluorideerde mondspoelingen, gels, schuim en vernis.

Farmaceutische producten

Twintig procent van de moderne farmaceutica bevat fluor. Een daarvan, de cholesterolverlager atorvastatine (Lipitor), leverde meer op dan welk ander geneesmiddel dan ook, totdat het in 2011 generiek werd. De combinatie van astmarecept Seretide, een top tien van inkomsten in het midden van de jaren 2000, bevat twee actieve ingrediënten, waarvan er één - fluticasone - gefluoreerd is. Veel medicijnen zijn gefluoreerd om de inactivering uit te stellen en de dosering te verlengen, omdat de koolstof-fluorverbinding zeer stabiel is. Fluorisering verhoogt ook de lipofiliteit, omdat de binding meer hydrofoob is dan de koolstof-waterstofbinding, en dit helpt vaak bij de penetratie van het celmembraan en dus bij de biobeschikbaarheid.

Tricyclische middelen en andere antidepressiva van vóór de jaren tachtig hadden verschillende bijwerkingen door hun niet-selectieve interferentie met andere neurotransmitters dan het serotoninedoelwit; de gefluoreerde fluoxetine was selectief en een van de eerste om dit probleem te vermijden. Veel van de huidige antidepressiva krijgen dezelfde behandeling, waaronder de selectieve serotonine heropname remmers: citalopram, het isomeer escitalopram, en fluvoxamine en paroxetine. Quinolonen zijn kunstmatige breedspectrumantibiotica die vaak gefluoreerd worden om hun werking te versterken. Deze omvatten ciprofloxacine en levofloxacine. Fluor vindt ook gebruik in steroïden: fludrocortisone is een bloeddrukverhogend mineralocorticoïde, en triamcinolone en dexamethasone zijn sterke glucocorticoïden. Het merendeel van de ingeademde anesthetica is zwaar gefluoreerd; het prototype van halothaan is veel inerter en krachtiger dan zijn tijdgenoten. Latere verbindingen zoals de gefluoreerde ethers sevoflurane en desflurane zijn beter dan halothaan en zijn bijna onoplosbaar in het bloed, waardoor snellere wakkere tijden mogelijk zijn.

PET scannen

Fluor-18 wordt vaak gevonden in radioactieve tracers voor positronemissietomografie, omdat de halfwaardetijd van bijna twee uur lang genoeg is om het transport van de productiemiddelen naar de beeldvormingscentra mogelijk te maken. De meest voorkomende tracer is fluorodeoxyglucose die, na intraveneuze injectie, wordt opgenomen door glucosebevorderende weefsels zoals de hersenen en de meest kwaadaardige tumoren; computerondersteunde tomografie kan dan worden gebruikt voor gedetailleerde beeldvorming.

Zuurstofdragers

Vloeibare fluorkoolwaterstoffen kunnen grote hoeveelheden zuurstof of kooldioxide bevatten, meer dan bloed, en hebben de aandacht getrokken voor hun mogelijke toepassingen in kunstbloed en in de vloeibare ademhaling. Omdat fluorkoolwaterstoffen zich normaal gesproken niet met water vermengen, moeten ze worden gemengd tot emulsies (kleine druppeltjes perfluorkoolstof die in water zijn gesuspendeerd) om als bloed te worden gebruikt. Een dergelijk product, Oxycyte, heeft de eerste klinische proeven ondergaan. Deze stoffen kunnen duursporters helpen en zijn verboden om te sporten; het bijna overlijden van een fietser in 1998 heeft aanleiding gegeven tot een onderzoek naar het misbruik ervan. Toepassingen van pure perfluorkoolstof vloeistof ademhaling (waarbij pure perfluorkoolstof vloeistof wordt gebruikt, niet een wateremulsie) zijn onder andere het helpen van brandwondenslachtoffers en premature baby’s met een tekort aan longen. Gedeeltelijke en volledige longvulling is overwogen, hoewel alleen de eerstgenoemde bij de mens significante tests heeft ondergaan. Een inspanning van Alliance Pharmaceuticals bereikte klinische proeven, maar werd opgegeven omdat de resultaten niet beter waren dan normale therapieën.

Oppervlakte-actieve stoffen

Fluorosurfactanten zijn kleine organofluorine moleculen die worden gebruikt om water en vlekken af te weren. Hoewel ze duur zijn (vergelijkbaar met de farmaceutische industrie voor $200-2000 per kilogram), leverden ze tegen 2006 meer dan $1 miljard aan jaarlijkse inkomsten op; alleen al Scotchgard genereerde meer dan $300 miljoen in 2000. Fluorosurfactanten zijn een minderheid op de totale markt voor oppervlakteactieve stoffen, waarvan het grootste deel wordt ingenomen door veel goedkopere producten op basis van koolwaterstoffen. Toepassingen in verven worden belast door de kosten voor het maken van verbindingen; dit gebruik werd in 2006 op slechts $ 100 miljoen geschat.

Agrichemicals

Ongeveer 30% van de landbouwproducten bevat fluor, waarvan de meeste herbiciden en fungiciden met enkele gewasregulatoren. Fluorsubstitutie, meestal van een enkel atoom of hooguit een trifluoromethylgroep, is een robuuste modificatie met effecten die vergelijkbaar zijn met die van gefluoreerde farmaceutica: verhoogde biologische verblijftijd, membraanovergang en wijziging van de moleculaire herkenning. Trifluraline is een prominent voorbeeld, met grootschalig gebruik in de VS als onkruidverdelger, maar het is een verdacht carcinogeen en is in veel Europese landen verboden. Natriummonofluoracetaat (1080) is een zoogdiergif waarin twee azijnzuurhydrogenen worden vervangen door fluor en natrium; het verstoort het celmetabolisme door acetaat in de citroenzuurcyclus te vervangen. Het werd voor het eerst gesynthetiseerd aan het einde van de 19e eeuw, werd erkend als een insecticide in het begin van de 20e eeuw, en werd later ingezet in het huidige gebruik. Nieuw-Zeeland, de grootste consument van 1080, gebruikt het om kiwi’s te beschermen tegen de invasieve Australische gewone borstelstaart buidelrat. Europa en de VS hebben 1080 verboden.

Biologie

Fluor is niet essentieel voor mensen en zoogdieren, maar van kleine hoeveelheden is bekend dat ze gunstig zijn voor de versterking van het tandglazuur (waar de vorming van fluorapatiet het glazuur beter bestand maakt tegen aanvallen van zuren die worden geproduceerd door de bacteriële fermentatie van suikers). Kleine hoeveelheden fluor kunnen gunstig zijn voor de sterkte van de botten, maar dit laatste is nog niet definitief vastgesteld. Zowel de WHO als het Institute of Medicine van de Amerikaanse National Academies publiceren aanbevolen dagelijkse hoeveelheid (RDA) en de bovenste getolereerde inname van fluor, die varieert naar gelang de leeftijd en het geslacht.

Natuurlijke organofluorines zijn gevonden in micro-organismen en planten, maar niet in dieren. De meest voorkomende is fluoroacetaat, dat wordt gebruikt als een verdediging tegen herbivoren door ten minste 40 planten in Afrika, Australië en Brazilië. Andere voorbeelden zijn terminaal gefluoreerde vetzuren, fluoraceton en 2-fluorocitraat. Een enzym dat fluor aan koolstof bindt - adenosyl-fluoride-synthase - werd in 2002 ontdekt in bacteriën.

Veiligheid

Elementair fluor is zeer giftig voor levende organismen. De effecten ervan bij de mens beginnen bij concentraties van minder dan 50 ppm waterstofcyanide en zijn vergelijkbaar met die van chloor: aanzienlijke irritatie van de ogen en de luchtwegen en lever- en nierschade ontstaan boven de 25 ppm, wat de onmiddellijk gevaarlijke waarde voor het leven en de gezondheid voor fluor is. Ogen en neuzen worden bij 100 ppm ernstig beschadigd en bij inademing van 1.000 ppm fluor wordt binnen enkele minuten de dood veroorzaakt, tegenover 270 ppm voor waterstofcyanide.

Waterstoffluoride

Waterstoffluoride is het zwakste van de hydrohalogeenzuren, met een pKa van 3,2 bij 25 °C. Het is een vluchtige vloeistof door de aanwezigheid van waterstofbruggen (terwijl de andere hydrohalische zuren gassen zijn). Het is in staat om glas, beton, metalen en organisch materiaal aan te tasten.

Waterstoffluoride is een contactgif met grotere gevaren dan veel sterke zuren zoals zwavelzuur, ook al is het zwak: het blijft neutraal in een waterige oplossing en dringt dus sneller door in het weefsel, hetzij door inademing, inslikken of in de huid, en ten minste negen Amerikaanse werknemers zijn tussen 1984 en 1994 bij dergelijke ongelukken om het leven gekomen. Het reageert met calcium en magnesium in het bloed, wat leidt tot hypocalcemie en mogelijk de dood door hartritmestoornissen. Onoplosbare calciumfluoridevorming veroorzaakt sterke pijn en brandwonden groter dan 160 cm2 (25 in2) kunnen ernstige systemische toxiciteit veroorzaken.

Blootstelling kan acht uur lang niet duidelijk zijn voor 50% HF, oplopend tot 24 uur voor lagere concentraties, en een brandwond kan in eerste instantie pijnloos zijn omdat waterstoffluoride de zenuwfunctie beïnvloedt. Als de huid aan HF is blootgesteld, kan de schade worden verminderd door deze gedurende 10-15 minuten onder een waterstraal af te spoelen en verontreinigde kleding te verwijderen. Calciumgluconaat wordt vaak daarna aangebracht, waardoor calciumionen zich binden met fluoride; huidverbrandingen kunnen worden behandeld met 2,5% calciumgluconaatgel of speciale spoeloplossingen. De absorptie van fluorwaterstofzuur vereist een verdere medische behandeling; calciumgluconaat kan worden geïnjecteerd of intraveneus worden toegediend. Het gebruik van calciumchloride - een gangbaar laboratoriumreagens - in plaats van calciumgluconaat is gecontra-indiceerd en kan leiden tot ernstige complicaties. Excisie of amputatie van aangetaste delen kan nodig zijn.

Fluoride-ion

Oplosbare fluoriden zijn matig giftig: 5-10 g natriumfluoride, of 32-64 mg fluoride-ionen per kilogram lichaamsmassa, vertegenwoordigt een dodelijke dosis voor volwassenen. Een vijfde van de dodelijke dosis kan schadelijke gevolgen hebben voor de gezondheid, en chronisch overmatig gebruik kan leiden tot skeletfluorose, die miljoenen mensen in Azië en Afrika treft. De ingenomen fluoride vormt fluorwaterstofzuur in de maag dat gemakkelijk door de darmen wordt geabsorbeerd, waar het de celmembranen kruist, zich bindt met calcium en interfereert met verschillende enzymen, voordat de urine wordt uitgescheiden. De blootstellingslimieten worden bepaald door het vermogen van het lichaam om fluoride-ionen te verwijderen door middel van urinetests.

Historisch gezien zijn de meeste gevallen van fluorvergiftiging veroorzaakt door het per ongeluk innemen van insecticiden die anorganische fluoriden bevatten. De meeste huidige oproepen aan gifcentra voor mogelijke fluorvergiftiging komen van de inname van fluoridehoudende tandpasta. Een andere oorzaak is het slecht functioneren van de waterfluorideringsapparatuur: één incident in Alaska heeft bijna 300 mensen getroffen en één persoon gedood. De gevaren van tandpasta worden verergerd voor kleine kinderen, en de Centra voor Ziektebestrijding en Preventie raadt aan om kinderen onder de zes jaar te begeleiden bij het poetsen van hun tanden, zodat ze de tandpasta niet inslikken. Een regionale studie onderzocht een jaar lang in totaal 87 gevallen van fluorvergiftiging, waaronder één sterfgeval door inslikken van een insecticide. De meeste hadden geen symptomen, maar ongeveer 30% had buikpijn. Een grotere studie in de VS had soortgelijke bevindingen: 80% van de gevallen betrof kinderen onder de zes jaar, en er waren weinig ernstige gevallen.