Al “Tractat elementari de química”, Antoine Lavoisier exposa el nou paradigma de la ciència química, al voltant del concepte de substància química. Lavoisier distingeix entre les substàncies compostes i les substàncies simples. Què en fa dels quatre elements? La terra apareix com una barreja heterogènia de substàncies compostes (i alguna de simple), de tal manera que elabora una llista de “terres” que sí serien substàncies simples (calç, magnèsia, barita, alumini i silici), una llista de substàncies simples metàl•liques (antimoni, argent, arsènic, bismut, cobalt, coure, estany, ferro, manganès, molibdè, níquel, or, platí, plom. Tungstè i zinc) i una altra de no-metàl•liques (sofre, fòsfor, carboni, radical muriàtic, radical fluòric i radical boràcic). L’aire apareix com una barreja homogènia de diversos gasos simples, principalment azot i oxigen. L’aigua apareix com una substància composta de dues substàncies simples: l’oxigen i l’hidrogen. I el foc? Lavoisier esmenta, com a substàncies simples, de manera separada, la llum i la “calòrica”. La calòrica de Lavoisier seria el principi material de la calor, també coneguda com a fluid igni, matèria de foc, matèria de la calor o, molt més senzillament, foc. En Empèdocles, en canvi, llum i foc van lligats, i la primera seria una expressió sensible del segon. Els atomistes epicuris, com Lucreci, ens diuen que “la llum i la calor del sol són integrades per àtoms diminuts que, despresos, no perden temps en projectar-se dreturerament per l’espai aeri en la direcció d’aquesta projecció”. En l’escola Samkhya (consolidada a partit del s. II e.c.), l’arrel final de totes les coses (prakriti) dóna lloc als cinc elements grans o materials (mahābhūtani: ākāsh/cel, vāyu/air, agni/foc, jala/aigua, prithvi/terra), dels quals emanen els cinc elements subtils o perceptibles (shabda/so, sparsha/tacte, rupa/llum, rasa/gust, gandha/olor). El mot “rupa” també pot traduir-se com a “forma” i en aquest sentit, cal esmentar que la llum és més o menys identificada amb la “forma” aristotèlica per autors com el basorí Ibn al-Haytham (965-1040; Alhazen, per als romans) o el polonès Witelo (f. 1280). En canvi, per a d’altres, era una substància o espècie material, com és el cas de Robert Grosseteste (1175-1253), Roger Bacon (1214-1294) o Johannes Kepler (1571-1630). Descartes (1596-1650), en canvi, considera la llum com una propietat mecànica dels cossos lluminosos. La teoria corpuscular de la llum, inaugurada, entre d’altres, per l’atomista Pierre Gassendi (1592-1655) postulava l’existència d’una partícula lluminosa, i fou adoptada per Isaac Newton (1642-1727) en “Opticks” (1704). La teoria rival, la teoria ondulatòria o pulsàtil, havia estat enunciada per Robert Hooke (1635-1703) a “Micrographia” (1665) i fou l’adoptada per Christian Huygens (1629-1695) en “Treatise on light”: segons aquesta teoria la llum calia entendre-la com les ones o oscil•lacions en l’èter luminífer, substància que pervaïa l’univers sencer, incloses les distàncies interestel•lars. Aquestes teories es difongueren en un moment en què Ole Rømer (1644-1710) havia demostrat que la llum es propagava amb una velocitat finita. Menys desplegada era la teoria científica de la calor, encara que Benjamin Thompson (1753-1814) ja oferia, si més no, les bases d’una teoria de la calor, a la qual contribuïren després, entre d’altres, Sadi Carnot (1796-1832), Rudolf Clausius (1822-1888), William Thomson (1824-1907), Gustav Zeuner (1828-1907), James Clerk Maxwell (1831-1879), Johannes van der Waals (1837-1923), Willard Gibbs (1839-1903) o Ludwing Boltzmann (1844-1906). James Clerk Maxwell publicava una “Theory of Heat” (1871) amb quatre postulats: 1) la calor és quelcom que es pot transferir d’un cos a un altre; 2) és una quantitat mesurable; 3) no es pot tractar com una substància material; 4) la calor és una de les formes de l’energia. En el 1873, Maxwell a “A Treatise on Electricity and Magnetism” oferia una teoria unificada de l’electricitat i el magnetisme (llargament anunciada en les dècades anteriors per noms com Ørsted o Faraday), en la qual la llum era entesa com una forma de radiació electromagnètica, en un espectre que anava des de les radiacions més energètiques (ultraviolades) a les menys (infraroges). La teoria electromagnètica seria bàsica per al desplegament posterior de la física quàntica, d’una banda, i de la teoria general de la relativitat. En certa manera, així com hom pot parlar d’àtoms d’electricitat (electrons) també els corpuscles lluminosos foren batejats com a àtoms lluminosos (fotons). La teoria quàntica pot veure’s com una teoria corpuscular de l’energia (els quanta). De totes formes, el paradigma actual és el de la dualitat ona-partícula, segons el qual tota partícula té una natura ondulatòria o tota ona una natura corpuscular. Nosaltres, mentrestant, arribem al nombre 9 dels elements químics.
”Sonificació dels elements de la Terra, piràmides com a símbol de la interacció entre lo diví i lo terrestre”, imatge extreta d’una obra de Robert Fludd
André-Marie Ampère i la descoberta del fluor
Ampère a 50 anys, en un gravat d’Antoine Tardieu
André-Marie Ampère (*Lió, 20.1.1775) fou fill del matrimoni format entre Jean-Jacques Ampère i Jeanne-Antoinette de Sarcey. Jean-Jacques Ampère era un home de negocis, fortament influït per les idees filosòfiques i pedagògiques de Jean-Jacques Rousseau (1712-1778). A “Émile, ou De l’éducations”, Rousseau havia defensat una educació integral, allunyada de l’escolarització formal. Aquesta “educació directa de la natura” fou aplicada en el cas d’André-Marie Ampère, deixant que el jove es formés lliurement, per exemple triant ell mateix les lectures a fer. La llar familiar de Poleymieux-au-Mont-d’Or era, en aquest sentit, més propícia que no pas la de la ciutat. En la biblioteca paterna de Poleymieux, es familiaritzà amb L’Histoire naturelle de Buffon (la publicació de la qual no finalitzaria fins el 1789) o amb l’Encyclopédie (1751-1772), dirigida per Diderot i D’Alembert. Així, hom no li forçà prematurament cap disciplina. A partir dels 13 anys, però, després de començar a llegir els “Éléments de mathématiques” de Dominique-François Rivard, s’orientà cap a l’estudi de l’àlgebra i de les seccions còniques. De totes formes, això no exclogué que rebés lliçons més formals, com ara l’aprenentatge del llatí, o la formació religiosa preceptiva associada als sagraments catòlics.
L’onada revolucionària posterior al 1789 era la traducció política de l’ideari de la Il•lustració. Jean-Jacques Ampère fou cridat a Lió i nomenat jutge de pau. Els ritmes polítics de París i de Lió es diferenciaren notablement al llarg del 1793, alhora que les tropes piemonteses avançaven en territori de la jove república. Jean-Jacques Ampère s’implicà en la repressió dels jacobins lionesos, i el triomf final jacobí suposà que fos condemnat a mort i guillotinat el 24 de novembre. La derrota final de la Convenció l’estiu del 1795, i l’establiment d’un Directori suposà la torna d’aquests fets. André-Marie Ampère restà durant tot aquest temps a la casa de Poleymieux, profundament afectat per la mort del pare, que encara el va recloure més en l’activitat intel•lectual. El 1796 es va prometre amb Julie Carron, una noia de Saint-Germain, amb qui es casà el 6 d’agost del 1799. El 1800 naixia el primer fill del matrimoni, Jean-Jacques.
Ampère havia instal•lat a casa un petit laboratori, sufragat amb les rendes familiars al principi i, a partir del 1799, amb cursos de matemàtiques que hi impartia. La consolidació del nou règim bonapartista era animada i alhora animava les diferents burgesies locals, com la lionesa. Ampère començà a freqüentar més l’ambient urbà i il•lustrat lionès, caracteritzat per personalitats com la de Pierre-Simon Ballanche (1776-1847) o la de Gilles Couppier de Claveysolle. El 1802, mentre deixava la dona, malalta, a Lió, ell marxava a Bôrg-en-Bresse per ocupar una posició de professor de física i química en l’École Centrale. El seu interès continuava sent la matemàtica fonamental, però precisament això li fornia un instrument per accedir a la física moderna. La primera publicació important que va fer, del mateix 1802, tractava de la teoria de la probabilitat (“Considérations sur la théorie mathématique du jeu”), fou ben rebuda i, a través d’ella, l’astrònom Jean-Baptiste Joseph Delambre (1749-1822) el recomanà per a una posició en el Liceu de Lió com a professor de matemàtiques transcendents (1803). Això li permeté retornar a Lió, on just llavors es moria la dona (juliol del 1803).
Ja vidu, aconseguí una posició a París, com a repetidor d’anàlisi a l’École polytechnique (1804), gràcies a la mediació de Delambre i de Joseph-Louis Lagrange (1736-1813). El 1809 hi esdevenia professor de matemàtiques. Fou en aquella època que tractà la qüestió oberta de la natura química de l’àcid fluòric. Aquest àcid rebia el nom del mineral del qual s’extreia, la fluorita. La primera descripció de la fluorita, com a fluorospar (en alemany, flussespar, pedra fluida, també denominades schöne Flüsse) la devem a Georgius Agricola (1529). Agricola a Bermannus, sive de re metallica dialogus (1530) esmenta la seva aplicació com a fundent en la siderúrgia, és a dir per disminuir la temperatura necessària per fondre el ferro. És probable que la “murrina” que cita Plini el Vell (segle I e.c.) fos fluorita: hom ha trobat al capdavall recipients de fluorita a l’Orient Romà i a altres indrets.
Copa de fluorita procedent d’una tomba de començament del segle II e.c.
És possible que l’obtenció d’àcid fluòric a partir de la fluorita (també coneguda com a flosse, flüsse, flus-spath, hesperos) fos més antiga, però la primera descripció registrada és la d’Andreas Sigismund Marggraf (1709-1782). En el 1764, Marggraf escalfà, en un recipient de vidre, una barreja de fluorita i d’oli de vidriol (àcid sulfúric), i observà com el material resultant corroïa el vidre. La comunicació resultant es va difondre prou (vg. una traducció al francès del 1770), però no fou fins a la repetició de l’experiment per part de Carl Wilhelm Scheele (1771) que hom aconseguí una anàlisi més profunda de la substància. En la comunicació corresponent, Scheele es refereix a la substància amb el nom suec, “fluss-spats-syran”, és a dir “àcid fluòric”.
Antoine Lavoisier, en el llistat de “substàncies simples” del 1789 considera el “radical fluòric” com una de les “substàncies simples no metàl•liques oxidables o acidificables”. Aquesta era una consideració anàloga a la que també feia en referència al “radical boràcic” i al “radical muriàtic”. Ja vam veure en el seu moment com Gay-Lussac i Thénard, en el 1808, demostraren que el “radical boràcic” era realment un compost format per hidrogen, oxigen i un tercer element al que denominaren “bor”. En el 1810, Humphry Davy havia reconegut que el “radical muriàtic” era un compost format per hidrogen i un segon element al que denominà “clor”. Ampère, des d’un punt de mira teòric, proposà que l’àcid fluòric devia consistir en un compost format per hidrogen i un altre element, al que denominà eftori (del grec φθόριος, destructiu), en referència al fet que l’àcid fluòric és dels àcids més corrosius que es coneixen. El nom d’eftori és el que ha prevalgut en grec, en rus i en d’altres llengües. En la majoria de les llengües de l’Europa Occidental, s’imposà fluor, d’acord amb la proposta de “fluorine” que va fer Davy.
En el 1813-1814, Berzelius en la seva llista de 47 elements, es refereix encara al “radical fluòric”. Com a símbol químic d’aquest element empra la lletra F (ja que “en la classe dels metal•loids, empraré com a signe químic la lletra inicial, encara que aquesta lletra sigui compartida amb la d’algun metall”). La possible confusió amb el ferro (que Berzelius simbolitza com a Fe) va fer que alguns altres llibres de l’època emprin “Fl” com a símbol del fluor. En la nomenclatura actual, però, el criteri de Berzelius ha prevalgut, mentre que “Fl” és, des del 30 de maig del 2012, el símbol per a l’element 114 (el flerovi).
Humphry Davy (1778-1829), retratat el 1803 per Henry Howard (mort el 1847)
Encara que l’element proposat per Ampère i Davy fou acceptat de manera més general que no pas ho va ser la proposta de “radical fluòric” de Lavoisier (Dalton, en el llistat del 1808, per exemple, en prescindeix), quedava pendent l’aïllament efectiu. Hom descrigué la fluorita com un mineral format essencialment per fluorur de calci (CaF2). Des del 1812 diversos foren els qui, com Davy, fracassaren en l’intent. Mentrestant, diferents propostes de periodització dels elements provaven de classificar el fluor. John Newlands, el 1865, inclou el fluor en el grup de l’hidrogen (juntament amb el clor, el cobalt, el níquel, el brom, el iode, el platí i l’iridi). En la primera taula periòdica de Mendeleev (1869), el fluor (amb massa atòmica de 19) encapçala un grup format, a més, pel clor (35,5), el brom (80) i el iode (127). En el 1871, aquest grup Mendeleev el numera com a VII, i el caracteritza per formar hidrurs monovalents (RH; àcid fluorhídric o àcid fluòric, en el cas del F) i heptaòxids divalents (R2O7), i l’amplia per incloure el manganès i un element hipotètic de massa atòmica de 100. Mendeleev, però, s’esmenarà i reduirà el grup del fluor al clor, brom i iode. En els anys 1930, hom descobrí l’anomenat “eka-iode”, que fou batejat com a astat. El grup del fluor apareix com a “grup 17”, “VIIA” o “VIIB” segons les nomenclatures; com a nom trivial se’ls coneix com a halògens, és a dir formadors de sals (“halògen” fou un dels noms proposats per al clor).
Un especímen de color verd de fluorita
Hem deixat Ampère a 35 anys, intervenint en el debat sobre la natura de l’àcid fluòric i proposant que es tractava d’una solució aquosa d’un compost format per l’hidrogen i l’eftori (=fluor). En el 1816, Ampère publicava a Annales de Chimie et de Physique una proposta de “classificació natural dels cossos simples”, és a dir tant dels elements i dels compostos químics. Però si el nom d’Ampère ens és familiar en els nostres dies és per l’homenatge que suposa haver denominat la unitat del corrent o flux elèctric amb el nom d’amperi (1881). Ampère comença a investigar l’electricitat i el magnetisme a partir de setembre del 1820 quan, a través del seu amic Francesc Aragó (1786-1853), coneix la descoberta de Hans Christian Ørsted (1777-1851) que una agulla magnetitzada canvia d’orientació en presència d’un camp elèctric. Ampère combina el desenvolupament matemàtic de les teories vigents sobre electricitat i magnetisme amb noves experimentacions, com ara la demostració que dos fils elèctrics poden atreure’s o repel•lir-se mútuament d’acord amb la direcció del corrent elèctric. En el 1826 anunciava la relació (ara coneguda com a “llei d’Ampère”) entre el corrent elèctric d¡’un circuit tancat i el camp magnètic integrat que s’hi associa. En el 1827 publicava una “Mémoire sur la théorie mathématique des phénomènes électrodynamiques uniquement déduite de l’experience”, obra que alhora exposava com entenia ell la relació entre experimentació/observació i la construcció matemàtica de teories físiques; també era la primera vegada que hom emprava l’expressió “electrodinàmica” per a l’estudi dels corrents elèctric, en oposició a l’estudi de l’electricitat “estàtica”. Aquestes contribucions li valgueren el reconeixement de la comunitat científica, ocupant la càtedra de física experimental del Collège de France. En el seu temps no pas menor fou la valoració que tingué per la seva tasca docent a l’École Polytechnique (fins el 1828) o els cursos de filosofia i astronomia que va fer a la Universitat de París (1819-1820). Ampère heretà les conviccions catòliques de la mare i la pruïja per les ciències naturals del pare. Ja en la maduresa afirmà en una ocasió que als 18 anys (1789) passà pels tres punts culminants de la seva vida, la primera comunió, la lectura de “L’eulogi de Descartes” d’Antoine Leonard Thomas, i la presa de la Bastilla. Es va morir a Marselha el 10 de juny del 1836, a 61 anys, després d’haver demanat que en la tomba li inscriguessin el text “Tandem Felix”.
Els esforços per aïllar el fluor elemental a partir de l’electrolisi de l’àcid fluòric es cobraren un preu elevat. Paulin Louyet i Jerome Nickles foren morts com a conseqüència d’intoxicacions amb àcid fluòric. Els germans Thomas i George Knox patiren intoxicacions greus, com també fou el cas de Davy, Gay-Lussac o Thénard, per esmentar únicament els més coneguts.
Edmond Frémy (1814-1894) proposava per tal d’aïllar el fluor, obtindré primer àcid fluorhídric pur i després sotmetre’l a electròlisi. Frémy aconseguí preparar bifluor potàssic (KHF2) en barrejar una solució aquosa concentrada d’àcid fluorhídric amb potassa (KOH): 2 HF + KOH -> KHF2 + H2O
El bifluorur potàssic apareix com un solid incolor. Frémy acidificà el bifluorur potàssic i aconseguí àcid fluorhídric (o fluorur d’hidrogen, HF) en estat pur o sec (anhidre). En condicions estàndars de pressió i temperatura, es presenta com un gas incolor. Frémy comprovà, però, que l’HF pur no era conductor elèctric i, per tant, hom no podia aplicar l’electrolisi per separar l’hidrogen i el fluor.
Henri Moissan, operant un forn d’arc elèctric
Henri Moissan (*París, 28.09.1852), que s’havia iniciat en la química en el laboratori d’Edmond Frémy a partir del 1870, passant després al de Pierre Paul Dehérain, havia fet diverses contribucions a la bioquímica vegetal (metabolisme del CO2 i de l’O2). Orientat de nou a la química inorgànica, s’ocupà de la qüestió pendent de l’aïllament del fluor. Ajustà els requeriments de material electrolitzable i suficientment pur, emprant una barreja de KHF2 i HF, que abocà en una cel•la electrolítica de platí. Els metalls de la cel•la no resistiren gaire l’acció corrosiva de reactius i productes. Per disminuir la corrosió, Moissan realitzà els experiments ulteriors a -50ºC, i substituí el platí per un aliatge de platí i iridi, de major resistència química, als que acoblà unes vores de fluorita (que captessin l’excés de reactius). Ara sí aconseguí prou quantitat de gas fluor (F) com per fer-ne les primeres caracteritzacions (Moissan, 1886). Vint anys més tard era guardonat amb el Premi Nobel de Química (sisena edició) “en reconeixement dels grans serveis prestats amb la seva investigació i aïllament de l’element fluor, bèstia salvatge entre els elements”. Poc després de retornar d’Estocolm, es moria sobtadament a París el 20 de febrer del 1907.
Gràfic d’un article de Moissan del 1892, que compara el color del gas fluor (2) amb el de l’aire (1) i el del clor (3). Mentre l’aire i el fluor són incolors, el gas clor té un color característic, que justificà el nom que li posà Davy en el 1810
El nom del fluor l’associem sovint al fenomen de la fluorescència. De fet, fou en el 1852, que George Gabriel Stokes emprà la paraula “fluorescència” per designar l’emissió de llum visible per part d’una substància que rep radiació ultraviolada (Stokes, 1852), justament perquè aquesta és una propietat força estesa entre les fluorites. Avant la lettre, aquesta propietat ja havia estat descrites en fluorites per part d’Edward D. Clarke (1819) i de René Just Haüy (1822). Encara més antigament, Bernardino de Sahagún (1560) i Nicolás Monardes (1565) havien observat un fenomen similar en la infusió “lignum nephriticum” (que avui sabem deguda a la matlalina), mentre que David Brewster (1833) la descriu per a la clorofil•la, i John Herschel (1845) per a la quinina. La comprensió del fenomen per part de Stokes depenia del coneixement de l’existència d’una radiació ultraviolada (“raigs químics”), que ja havia estat posada de manifest per Johann Wilhelm Ritter en experiments sobre l’acció de la radiació solar descomposta damunt de sals d’argent.
No totes les fluorites són fluorescents, i hi ha molts materials que exhibeixen propietats fluorescents. En la imatge veiem una fluorita fluorescent irradiada amb llum visible (A) i amb un llum ultraviolada (B). Stokes definí la “fluorescència” com la capacitat de convertir una radiació no-visible en una de visible
El fluor: isòtops i abundància
El fluor, amb nombre atòmic de 9 i nombre màssic de 19, presenta una massa atòmica estàndard de 18,9984032, que resulta idèntica a la massa del 19F. Tot i el seu caràcter d’element monoisotòpic, podem esmentar: – fluor-14 (14F; 14,03506 uma). Nucli format per 9 protons i 5 neutrons. És un isòtop molt inestable. Decau a oxigen-13 amb emissió d’un protó. – fluor-15 (15F; 15,01801 uma). Nucli format per 9 protons i 6 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 4,1•10-20 s. Decau a oxigen-14 amb emissió d’un protó. – fluor-16 (16F; 16,011466 uma). Nucli format per 9 protons i 7 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 1,1•10-20 s. Decau a oxigen-15, amb emissió d’un protó. – fluor-17 (17F ; 17,00209524 uma). Nucli format per 9 protons i 8 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 64,49 s. Decau a oxigen-17, amb emissió d’un positró. – fluor-18 (18F; 18,000938 uma). Nucli format per 9 protons i 9 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 6586,26 s (1 hora i 40 minuts). Decau normalment a oxigen-18, bé per emissió d’un positró (97%) o per captura d’un electró (3%). Posseeix un estat metastable (1121,36 keV), amb una semivida de 1,62•10-7 s. El fluor-18 s’obté en ciclotrons a partir del bombardeig amb protons d’alta energia d’aigua enriquida en oxigen-18. La fluorodesoxiglucosa (FDG) marcada amb 18F és emprada en estudis de tomografia d’emissió de positrons (PET). – fluor-19 (19F; 18,99840322 uma). Nucli format per 9 protons i 10 neutrons. És l’únic isòtop estable del fluor i, de fet, la pràctica totalitat dels àtoms de fluor de l’univers són de fluor-19. – fluor-20 (20F; 19,99998132 uma). Nucli format per 9 protons i 11 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 11,163 s. Decau a neó-20, amb emissió d’un electró. – fluor-21 (21F; 20,999949 uma). Nucli format per 9 protons i 12 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4,158 s. Decau a neó-21, amb emissió d’un electró. – fluor-22 (22F; 22,002999 uma). Nucli format per 9 protons i 13 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4,23 s. Decau normalment (89,0%) a neó-22 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (11,0%) a neó-21 (amb emissió d’un neutró i d’un electró). – fluor-23 (23F; 23,00357 uma). Nucli format per 9 protons i 14 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,23 s. Decau normalment (86,0%) a neó-23 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (14,0%) a neó-22 (amb emissió d’un neutró i d’un electró). – fluor-24 (24F; 24,00812 uma). Nucli format per 9 protons i 15 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,4 s. Decau normalment (94,1%) a neó-24 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (5,9%), a neó-23 (amb emissió d’un neutró i d’un electró). – fluor-25 (25F; 25,01210 uma). Nucli format per 9 protons i 16 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,05 s. Decau majoritàriament (76,0%) a neó-25 (amb emissió d’un electró) o (24,0%) a neó-25 (amb emissió d’un neutró i d’un electró). – fluor-26 (26F; 26,01962 uma). Nucli format per 9 protons i 17 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0096 s. Decau majoritàriament (68,0%) a neó-26 (amb emissió d’un electró) o (32,0%) a neó-25 (amb emissió d’un neutró i d’un electró). – fluor-27 (27F; 27,02676). Nucli format per 9 protons i 18 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0049 s. Decau, amb emissió d’un electró, a neó-27. – fluor-28 (28F; 28,03567 uma). Nucli format per 9 protons i 19 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de menys de 4•10-8 s. Decau a fluor-27 amb emissió d’un neutró. – fluor-29 (29F; 29,04326 uma). Nucli format per 9 protons i 20 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0026 s. Decau, amb emissió d’un electró, a neó-29. – fluor-30 (30F; 30,05250 uma). Nucli format per 9 protons i 21 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de menys de 2,6•10-7 s. – fluor-31 (31F; 31,06043 uma). Nucli format per 9 protons i 22 neutrons. És un isòtop molt inestable.
Els àtoms neutres de fluor contenen 9 electrons, amb una configuració de 1s22s22p5. L’estat d’oxidació és de -1 (F–). Amb una electronegativitat de 3,98 és l’element més oxidant de la taula periòdica (per bé que el clor el supera en termes d’afinitat electrònica). El radi de Van der Waals de l’àtom de fluor és de 1,35•10-10 m.
El fluor elemental en estat líquid és d’un color groc brillant. En el seu punt de fusió assoleix una densitat de 1,505 kg•m-3 El fluor elemental, en condicions estàndards de pressió i de temperatura es troba en forma de gas diatòmic (F2), amb un olor pungent característic apreciable ja a concentracions de 0,02 ppm. A pressió atmosfèrica, el fluor liqua a 85,03 K i solidifica a 53,48 K. El fluor sòlid pot trobar-se en dos al•lòtrops:
– beta: les molècules de F2 es disposen en una estructura cúbica desordenada. És un sòlid transparent i tou.
– alfa: és l’al•lòtrop que es forma a temperatures més baixes (45 K, en condicions estàndars de pressió). L’estructura cristal•lina és monoclínica. La disposició de les capes de fluor molecular fa que sigui opaca i més densa.
En relació al seu nombre atòmic, el fluor és un element poc abundant en l’univers (0,4 ppm, que el fan el 24è element químic en termes d’abundància relativa). En el Sistema Solar, per cada àtom de fluor, n’hi ha 24 de sodi (11Na), 430 de magnesi (12Mg), 1400 de neó (10Ne), 1500 de nitrogen (7N), 4800 de carboni (6C) i 8800 d’oxigen (8O). Tot i amb tot, el fluor supera en abundància tres elements menys pesants, el liti, el bor i el beril•li; cal esperar a l’escandi (21Sc) per trobar un element més pesant que el fluor que en sigui menys abundant i arribar a una Z de 30 per tal que tots els elements posteriors siguin menys abundants que el fluor. La raó d’aquesta relativa escassedat cal cercar-la en els processos de nucleogènesi estel•lar, els quals generen poca quantitat de 19F, i bona part de la que generen és consumida en reaccions nuclears de fusió (la fusió de 19F i 1H dóna lloc a 16O i 4He; mentre que la fusió de 19F i 4He genera 22Ne i 1H). De fet, si no fos per mecanismes que permeten l’alliberament de fluor a l’espai interestel•lar (els violents processos de convecció dels estels gegants vermells), l’abundància de fluor encara seria menor. Una altra font de 19F la podria constituir el bombardeig de neutrinos damunt d’àtoms de neó en el marc de supernoves de tipus II. Les espècies de fluor més abundants en l’univers serien l’HF i el fluor monoatòmic, per bé que hom també ha detectat cations de fluor en estels i nebuloses planetàries.
En la Terra, l’abundància en termes atòmics és de 14 ppm, i en termes de massa de 10 ppm. El fluor és un dels elements formadors de roques, si bé es troba dins dels menys abundants. En l’escorça terrestre, l’abundància creix fins a 800 ppm, la qual cosa el converteix en el 13è element més abundant de la litosfera. La pràctica totalitat es troba en forma de fluorita (CaF2), fluorapatita (Ca5(PO4)3F), criolita (Na3AlF6) i d’altres minerals. La mina comercial més important de criolita, en la costa occidental de Groenlàndia, va tancar, per esgotament, el 1987. La fluorita és, en tot cas, la principal font comercial de fluor. Més de la meitat de la producció mundial de fluorita (5,5 milions de tones) es fa a la Xina (3 milions). La demanda de fluor ha acompanyat al desplegament (i replegament) de les aplicacions de fluor. A partir dels anys 1930 hom desenvolupà els primers refrigerants clorofluorocarbons (CFC), com ara l’anomenat freó-12 (CCl2F2). En el marc de la recerca sobre l’aplicació del tetrafluoroetilè com a refrigerant, Roy J. Plunkett descobrí les propietats del seu polímer ((C2F2)n), comercialitzat com a tefló. La prohibició dels CFC com a prevenció contra l’afebliment de la capa estratosfèrica d’ozó ha limitat la demanda mundial de fluor.
A banda de la confecció d’organofluorats com a refrigerants i polímers, la indústria fluoroquímica també produeix CaF2 destinat a la confecció d’acers i d’altres aliatges (l’ús clàssic descrit per Agricola) i a la producció de UF6 en el procés d’enriquiment d’urani, entre d’altres. Les molècules orgàniques amb enllaços C-F (compostos organifluorats) tenen nombroses aplicacions; l’estabilitat dels enllaços C-F explica també les contrapartides ambientals d’aquesta mena de productes. Un 20% dels fàrmacs contenen compostos fluorats, particularment perquè aquests compostos resisteixen millor la degradació metabòlica i assoleixen una major biodisponibilitat.
En termes de volum, la quantitat de fluor en els oceans és de 1,3 ppm. En l’atmosfera, la seva presència és molt limitada, i hi ha una captació activa per part de la litosfera.
El rol del fluor en els sistemes biològics és controvertit. Dades sobre dietes experimentals i estudis epidemiològics, assenyalen que cal una exposició mínima al fluor particularment per a la formació i manteniment de l’esmalt dentari. En el cos humà, en termes atòmics, l’abundància relativa del fluor és de 12 ppm i, en termes de massa, de 37 ppm, la qual cosa suposa que per a una persona de 70 kg hi hauria 2,6 g, bé en forma de compostos inorgànics (fluorur de calci, etc.), de compostos orgànics o d’ió fluorur (F–). Cal no oblidar que el gas F2 és tòxic ja a baixes concentracions (25 ppm) i potencialment letal en qüestió de minuts a partir de 1000 ppm. L’acumulació de fluor en els teixits pot donar lloc a processos d’intoxicació crònica (fluorosi), dels quals s’han descrit particularment les afectacions en la dentició i en els ossos (fluorosi esquelètica). Alguns microorganismes i plantes són capaces de sintetitzar compostos organofluorats, com el fluoroacetat, la fluoroacetona o el 2-fluorocitrat o els àcids grassos omega-fluorats, gràcies a l’existència d’una maquinària enzimàtica específica (com l’adenosil-fluorur sintasa). Gens curiosament, sembla que la funció d’aquests compostos en les plantes que les sintetitzin és de fer de barrera defensiva contra els herbívors.
La fluoridació de l’aigua
Un dels moments climàtics de “Dr. Strangelove or: How I Learned to Stop Worrying and Love the Bomb” (1964), de Stanley Kubrick, confronta el Brigadier General Jack D. Ripper (Sterling Hayden) amb el Group Captain Lionel Mandrake (Peter Sellers) en el despatx del primer com a comandant de la Burpelson Air Force Base. Mandrake acaba de descobrir que Ripper ha ordenat unilateralment un atac nuclear contra la Unió Soviètica. Ripper explica quin ha estat el motiu cabdal: l’existència d’un complot comunista “to sap and impurify all of our precious bodily fluids” (sabotejar i contaminar tots els nostres preciosos fluids corporals) mitjançant la fluoridació deliberada de l’aigua potable.
L’escena parodia de les paranoies conspiratives (conspiranoiques), però reflecteix alhora la polèmica al voltant de l’addició d’ions fluorur (F–) a l’aigua corrent, pràctica que comença a mitjan del segle XX. Dècades abans, hom havia acumulat indicis sobre una relació entre la ingesta de fluor o el contingut de fluor dentari, i la salut dentària. Un excés de fluor produeix fluorosi dental, però un defecte es relaciona amb problemes de càries. Hom pensà que els ions fluorur en contacte amb la hidroxiapatita (més o menys carbonatada) de les dents, donà lloc a fluoroapatita, la qual és més resistent als àcids orgànics produïts per la placa bacteriana. En zones on, de manera natural, l’aigua de beguda és relativament rica en fluor es va posar de manifest, ja en els anys 1940, que la incidència de càries en la població infantil era inferior.
El fluor esdevingué, com a conseqüència d’aquests estudis, en component de pastes dentrífiques. El fluor hi és present en forma de NaF, SnF2 o Na2PO3F. Però, a partir dels anys 1950, hom considerà adequat d’afegir sals fluòriques a l’aigua de xarxa. Un 1% de la producció de fluorapatita dels Estats Units es destina a aquesta finalitat. De fet, en les Estats Units més del 65% de la població rep aigua deliberadament fluoridada (la xifra, a nivell mundial, és del 6%). La controvèrsia sobre la fluoridació de l’aigua continua fins els nostres dies, malgrat (o, justament, degut a) la posició favorable dels principals organismes sanitaris. La recerca sobre el rol del fluor com a element essencial (o no) per als éssers humans encara roman oberta.
Des de la Mediterrània 