Стронций — химический элемент ; его символ Sr , атомный номер 38. Щелочноземельный металл , стронций — мягкий серебристо-белый желтоватый металлический элемент, который обладает высокой химической активностью . При контакте с воздухом металл образует темный оксидный слой. Стронций имеет физические и химические свойства, схожие со свойствами его двух вертикальных соседей в периодической таблице — кальция и бария . В природе он встречается в основном в минералах целестин и стронцианит и в основном добывается из них.
И стронций, и стронцианит названы в честь деревни Стронциан в Шотландии, около которой этот минерал был обнаружен в 1790 году Адэром Кроуфордом и Уильямом Круикшенком ; он был идентифицирован как новый элемент в следующем году по его малиново-красному цвету пламени при испытании . Стронций был впервые выделен как металл в 1808 году Гемфри Дэви с помощью недавно открытого тогда процесса электролиза . В 19 веке стронций в основном использовался в производстве сахара из сахарной свеклы (см. процесс стронциана ). На пике производства телевизионных электронно-лучевых трубок до 75% потребления стронция в Соединенных Штатах использовалось для стекла лицевой панели. [9] С заменой электронно-лучевых трубок другими методами отображения потребление стронция резко сократилось. [9]
В то время как природный стронций (который в основном является изотопом стронций-88) стабилен, синтетический стронций-90 радиоактивен и является одним из самых опасных компонентов ядерных осадков , поскольку стронций усваивается организмом аналогично кальцию. Природный стабильный стронций, с другой стороны, не опасен для здоровья.
Стронций — двухвалентный серебристый металл с бледно-желтым оттенком, свойства которого в основном промежуточные между свойствами его соседей по группе кальция и бария и схожие с ними . [10] Он мягче кальция и тверже бария. Его точки плавления (777 °C) и кипения (1377 °C) ниже, чем у кальция (842 °C и 1484 °C соответственно); барий продолжает эту тенденцию к снижению в точке плавления (727 °C), но не в точке кипения (1900 °C). Плотность стронция (2,64 г/см3 ) также промежуточная между плотностями кальция (1,54 г/см3 ) и бария (3,594 г/см3 ) . [11] Существуют три аллотропа металлического стронция с точками перехода при 235 и 540 °C. [ требуется ссылка ]
Стандартный электродный потенциал для пары Sr2 + /Sr составляет -2,89 В, что примерно посередине между парами Ca2 + /Ca (-2,84 В) и Ba2 + /Ba (-2,92 В), и близко к потенциалу соседних щелочных металлов . [12] Стронций занимает промежуточное положение между кальцием и барием по своей реакционной способности по отношению к воде, с которой он реагирует при контакте, образуя гидроксид стронция и газообразный водород. Металлический стронций сгорает на воздухе, образуя как оксид стронция, так и нитрид стронция , но поскольку он не реагирует с азотом ниже 380 °C, при комнатной температуре он спонтанно образует только оксид. [11] Помимо простого оксида SrO, пероксид SrO2 может быть получен прямым окислением металлического стронция под высоким давлением кислорода, и есть некоторые свидетельства существования желтого супероксида Sr ( O2 ) 2 . [13] Гидроксид стронция , Sr(OH) 2 , является сильным основанием, хотя он не такой сильный, как гидроксиды бария или щелочных металлов. [14] Известны все четыре дигалогенида стронция. [15]
Из-за большого размера тяжелых s-блочных элементов, включая стронций, известен широкий диапазон координационных чисел , от 2, 3 или 4 вплоть до 22 или 24 в SrCd 11 и SrZn 13 . Ион Sr 2+ довольно большой, поэтому высокие координационные числа являются правилом. [16] Большой размер стронция и бария играет значительную роль в стабилизации комплексов стронция с полидентатными макроциклическими лигандами, такими как краун-эфиры : например, в то время как 18-краун-6 образует относительно слабые комплексы с кальцием и щелочными металлами, его комплексы стронция и бария намного прочнее. [17]
Стронцийорганические соединения содержат одну или несколько связей стронций-углерод. Они были зарегистрированы как промежуточные продукты в реакциях типа Барбье . [18] [19] [20] Хотя стронций находится в той же группе, что и магний, и магнийорганические соединения очень широко используются в химии, стронцийорганические соединения не столь широко распространены, поскольку их сложнее производить и они более реакционноспособны. Стронцийорганические соединения, как правило, более похожи на европийорганические или самарийорганические соединения из-за схожих ионных радиусов этих элементов (Sr 2+ 118 пм; Eu 2+ 117 пм; Sm 2+ 122 пм). Большинство этих соединений можно получить только при низких температурах; объемные лиганды, как правило, способствуют стабильности. Например, дициклопентадиенил стронция , Sr(C 5 H 5 ) 2 , должен быть получен путем прямой реакции металлического стронция с меркуроценом или самим циклопентадиеном ; замена лиганда C 5 H 5 на более объемный лиганд C 5 (CH 3 ) 5 , с другой стороны, увеличивает растворимость, летучесть и кинетическую стабильность соединения. [21]
Из-за своей чрезвычайной реакционной способности с кислородом и водой стронций встречается в природе только в соединениях с другими элементами, например, в минералах стронцианите и целестине . Его хранят под жидким углеводородом, таким как минеральное масло или керосин , чтобы предотвратить окисление ; свежеобнаженный металлический стронций быстро приобретает желтоватый цвет с образованием оксида. Тонкоизмельченный металлический стронций является пирофорным , что означает, что он будет самопроизвольно воспламеняться на воздухе при комнатной температуре. Летучие соли стронция придают пламени ярко-красный цвет, и эти соли используются в пиротехнике и в производстве сигнальных ракет . [11] Подобно кальцию и барию, а также щелочным металлам и двухвалентным лантаноидам европию и иттербию , металлический стронций растворяется непосредственно в жидком аммиаке, образуя темно-синий раствор сольватированных электронов. [10]
Природный стронций представляет собой смесь четырех стабильных изотопов : 84 Sr, 86 Sr, 87 Sr и 88 Sr. [11] Из этих изотопов 88 Sr является наиболее распространенным, составляя около 82,6% всего природного стронция, хотя распространенность варьируется из-за образования радиогенного 87 Sr как дочернего продукта долгоживущего бета-распада 87 Rb . [22] Это основа датирования рубидия-стронция . Из нестабильных изотопов первичный режим распада изотопов легче 85 Sr - это захват электронов или испускание позитронов в изотопы рубидия, а изотопов тяжелее 88 Sr - это испускание электронов в изотопы иттрия . Особо следует отметить 89 Sr и 90 Sr. Первый имеет период полураспада 50,6 дней и используется для лечения рака костей из-за химического сходства стронция и, следовательно, способности заменять кальций. [23] [24] Хотя 90 Sr (период полураспада 28,90 лет) использовался аналогичным образом, он также является изотопом, вызывающим беспокойство в осадках от ядерного оружия и ядерных аварий из-за его производства в качестве продукта деления . Его присутствие в костях может вызвать рак костей, рак близлежащих тканей и лейкемию . [25] Чернобыльская ядерная авария 1986 года загрязнила около 30 000 км 2 более чем 10 кБк/м 2 90 Sr , что составляет около 5% от 90 Sr, который был в активной зоне реактора. [26]
Стронций назван в честь шотландской деревни Стронтиан ( гэльский : Sròn an t-Sìthein ), где он был обнаружен в рудах свинцовых рудников. [27]
В 1790 году Адэр Кроуфорд , врач, занимавшийся подготовкой бария, и его коллега Уильям Круикшанк признали, что стронцианские руды демонстрируют свойства, отличающиеся от свойств других источников «тяжелых шпатов». [28] Это позволило Кроуфорду сделать вывод на странице 355: «... действительно вероятно, что шотландский минерал является новым видом земли, который до сих пор не был достаточно изучен». Врач и коллекционер минералов Фридрих Габриэль Сульцер проанализировал вместе с Иоганном Фридрихом Блюменбахом минерал из стронциана и назвал его стронцианитом. Он также пришел к выводу, что он отличается от витерита и содержит новую землю (neue Grunderde). [29] В 1793 году Томас Чарльз Хоуп , профессор химии в Университете Глазго, изучил минерал [30] [31] и предложил название стронтиты . [32] [33] [34] Он подтвердил более раннюю работу Кроуфорда и рассказал: «... Рассматривая его как особую землю, я посчитал необходимым дать ему имя. Я назвал его Strontites, по месту его нахождения; способ вывода, по моему мнению, полностью соответствует любому качеству, которым он может обладать, что является нынешней модой». Элемент был в конечном итоге выделен сэром Хэмфри Дэви в 1808 году электролизом смеси , содержащей хлорид стронция и оксид ртути , и объявлен им в лекции в Королевском обществе 30 июня 1808 года. [35] В соответствии с наименованием других щелочноземельных металлов, он изменил название на стронций . [36] [37] [38] [39] [40]
Первое крупномасштабное применение стронция было в производстве сахара из сахарной свеклы . Хотя процесс кристаллизации с использованием гидроксида стронция был запатентован Огюстеном-Пьером Дюбрюнфо в 1849 году [41], крупномасштабное внедрение произошло с усовершенствованием процесса в начале 1870-х годов. Немецкая сахарная промышленность использовала этот процесс вплоть до 20-го века. До Первой мировой войны свеклосахарная промышленность использовала от 100 000 до 150 000 тонн гидроксида стронция для этого процесса в год. [42] Гидроксид стронция перерабатывался в процессе, но потребность в возмещении потерь во время производства была достаточно высокой, чтобы создать значительный спрос, инициировавший добычу стронцианита в Мюнстерланде . Добыча стронцианита в Германии закончилась, когда началась разработка месторождений целестина в Глостершире . [43] Эти рудники обеспечивали большую часть мировых поставок стронция с 1884 по 1941 год. Хотя месторождения целестина в бассейне Гранады были известны уже некоторое время, крупномасштабная добыча началась только в 1950-х годах. [44]
Во время испытаний ядерного оружия в атмосфере было замечено, что стронций-90 является одним из продуктов ядерного деления с относительно высоким выходом. Сходство с кальцием и вероятность того, что стронций-90 может обогащаться в костях, сделали исследование метаболизма стронция важной темой. [45] [46]
Стронций обычно встречается в природе, будучи 15-м по распространенности элементом на Земле (его более тяжелый конгенер барий является 14-м), по оценкам, в среднем около 360 частей на миллион в земной коре [47] и встречается в основном в виде сульфатного минерала целестина (SrSO 4 ) и карбоната стронцианита (SrCO 3 ). Из этих двух целестин гораздо чаще встречается в месторождениях достаточного размера для добычи. Поскольку стронций чаще всего используется в форме карбоната, стронцианит был бы более полезным из двух распространенных минералов, но было обнаружено мало месторождений, пригодных для разработки. [48] Из-за того, как он реагирует с воздухом и водой, стронций существует в природе только в сочетании с образованием минералов. Природный стронций стабилен, но его синтетический изотоп Sr-90 производится только в результате радиоактивных осадков.
В грунтовых водах стронций ведет себя химически подобно кальцию. При pH от среднего до кислого доминирующим видом стронция является Sr 2+ . В присутствии ионов кальция стронций обычно образует соосаждения с минералами кальция, такими как кальцит и ангидрит, при повышенном pH. При pH от среднего до кислого растворенный стронций связывается с частицами почвы путем катионного обмена . [49]
Среднее содержание стронция в океанской воде составляет 8 мг/л. [50] [51] При концентрации стронция от 82 до 90 мкмоль/л эта концентрация значительно ниже, чем концентрация кальция, которая обычно составляет от 9,6 до 11,6 ммоль/л. [52] [53] Тем не менее, она намного выше, чем у бария, 13 мкг/л. [11]
Основными производителями стронция в виде целестина по состоянию на январь 2024 года являются Испания (200 000 т ), Иран (200 000 т), Китай (80 000 т), Мексика (35 000 т) и Аргентина (700 т). [54] Хотя месторождения стронция широко распространены в Соединенных Штатах, они не разрабатывались с 1959 года. [54]
Большая часть добытого целестина (SrSO 4 ) преобразуется в карбонат двумя способами. Либо целестин напрямую выщелачивается раствором карбоната натрия, либо целестин обжигается с углем для образования сульфида. На втором этапе получается темноокрашенный материал, содержащий в основном сульфид стронция . Этот так называемый «черный пепел» растворяется в воде и фильтруется. Карбонат стронция осаждается из раствора сульфида стронция путем введения диоксида углерода . [55] Сульфат восстанавливается до сульфида путем карботермического восстановления :
Ежегодно таким образом перерабатывается около 300 000 тонн. [56]
Металл производится в промышленных масштабах путем восстановления оксида стронция алюминием . Стронций перегоняется из смеси. [56] Металлический стронций также может быть получен в небольших масштабах путем электролиза раствора хлорида стронция в расплавленном хлориде калия : [12]
Потребляя 75% производства, стронций в основном использовался в стекле для электронно-лучевых трубок цветного телевидения , [56] где он предотвращал рентгеновское излучение. [57] [58] Это применение стронция снижается, поскольку ЭЛТ заменяются другими методами отображения. Это снижение оказывает значительное влияние на добычу и очистку стронция. [48] Все части ЭЛТ должны поглощать рентгеновские лучи. В горловине и воронке трубки для этой цели используется свинцовое стекло, но этот тип стекла показывает эффект потемнения из-за взаимодействия рентгеновских лучей со стеклом. Поэтому передняя панель изготовлена из другой стеклянной смеси со стронцием и барием для поглощения рентгеновских лучей. Средние значения для стеклянной смеси, определенные для исследования по переработке в 2005 году, составляют 8,5% оксида стронция и 10% оксида бария . [59]
Поскольку стронций очень похож на кальций, он включен в кость. Все четыре стабильных изотопа включены, примерно в тех же пропорциях, в которых они встречаются в природе. Однако фактическое распределение изотопов имеет тенденцию сильно различаться в зависимости от географического положения. Таким образом, анализ кости человека может помочь определить регион, из которого она прибыла. [60] [61] Этот подход помогает определить древние миграционные пути и происхождение смешанных человеческих останков в местах захоронения на полях сражений. [62]
Отношения 87 Sr/ 86 Sr обычно используются для определения вероятных областей происхождения осадка в природных системах, особенно в морских и речных средах. Дэш (1969) показал, что поверхностные осадки Атлантики демонстрируют отношения 87 Sr/ 86 Sr, которые можно рассматривать как средние значения отношений 87 Sr/ 86 Sr геологических ландшафтов с прилегающих массивов суши. [63] Хорошим примером речно-морской системы, к которой были успешно применены исследования происхождения изотопов Sr, является система река Нил-Средиземноморье. [64] Из-за разного возраста пород, составляющих большую часть Голубого и Белого Нила , водосборные площади изменяющегося происхождения осадка, достигающего дельты реки Нил и Восточного Средиземноморья, можно различить с помощью исследований изотопов стронция. Такие изменения контролируются климатом в позднем четвертичном периоде . [64]
Совсем недавно соотношение 87 Sr/ 86 Sr также использовалось для определения источника древних археологических материалов, таких как древесина и кукуруза в каньоне Чако, штат Нью-Мексико . [65] [66] Соотношение 87 Sr/ 86 Sr в зубах также может использоваться для отслеживания миграций животных . [67] [68]
Алюминат стронция часто используется в светящихся в темноте игрушках, так как он химически и биологически инертен. [69]
Карбонат стронция и другие соли стронция добавляются в фейерверки для придания им насыщенного красного цвета. [70] Этот же эффект определяет катионы стронция в тесте на пламя . Фейерверки потребляют около 5% мирового производства. [56] Карбонат стронция используется в производстве твердых ферритовых магнитов. [71] [72]
Хлорид стронция иногда используется в зубных пастах для чувствительных зубов. Одна популярная марка включает 10% общего гексагидрата хлорида стронция по весу. [73] Небольшие количества используются при очистке цинка для удаления небольших количеств примесей свинца. [11] Сам металл имеет ограниченное применение в качестве геттера , для удаления нежелательных газов в вакууме путем реакции с ними, хотя барий также может использоваться для этой цели. [12]
Сверхузкий оптический переход между основным электронным состоянием [Kr]5s 2 1 S 0 и метастабильным возбужденным состоянием [Kr]5s5p 3 P 0 87 Sr является одним из ведущих кандидатов на будущее переопределение секунды в терминах оптического перехода в отличие от текущего определения, полученного из микроволнового перехода между различными сверхтонкими основными состояниями 133 Cs. [74] Современные оптические атомные часы, работающие на этом переходе, уже превосходят точность и достоверность текущего определения секунды. [75]
89 Sr является активным ингредиентом в Metastron , [76] радиофармацевтическом препарате, используемомпри болях в костях, вызванных метастатическим раком костей . Стронций обрабатывается организмом подобно кальцию, преимущественно встраиваясь в кость в местах повышенного остеогенеза . Такая локализация фокусирует воздействие радиации на раковое поражение. [24]
90 Sr использовался в качестве источника питания для радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ). 90 Sr производит приблизительно 0,93 Вт тепла на грамм (это ниже для формы 90 Sr, используемой в РИТЭГ, которая является фторидом стронция ). [77] Однако 90 Sr имеет на треть меньшее время жизни и меньшую плотность, чем 238 Pu , другое топливо РИТЭГ. Главное преимущество 90 Sr заключается в том, что он значительно дешевле 238 Pu и содержится в ядерных отходах . Последний должен быть получен путем облучения 237 Np нейтронами, а затем отделения скромных количеств 238 Pu. Главным недостатком 90 Sr является то, что высокоэнергетические бета-частицы производят тормозное излучение , когда они сталкиваются с ядрами других близлежащих тяжелых атомов, таких как соседний стронций. Это в основном в диапазоне рентгеновских лучей. Таким образом, сильные бета-излучатели также испускают значительные вторичные рентгеновские лучи в большинстве случаев. Это требует значительных мер защиты, что усложняет конструкцию РИТЭГов, использующих 90Sr . Советский Союз разместил около 1000 таких РИТЭГов на своем северном побережье в качестве источника питания для маяков и метеорологических станций. [78] [79]
Acantharea , относительно большая группа морских радиолярийных простейших , производит сложные минеральные скелеты, состоящие из сульфата стронция . [81] В биологических системах кальций в небольшой степени замещается стронцием. [82] В организме человека большая часть поглощенного стронция откладывается в костях. Соотношение стронция к кальцию в костях человека составляет от 1:1000 до 1:2000, примерно в том же диапазоне, что и в сыворотке крови. [83]
Человеческий организм усваивает стронций так, как если бы это был его более легкий сородич кальций. Поскольку химически элементы очень похожи, стабильные изотопы стронция не представляют значительной угрозы для здоровья. Средний человек потребляет около двух миллиграммов стронция в день. [84] У взрослых потребляемый стронций имеет тенденцию прикрепляться только к поверхности костей, но у детей стронций может замещать кальций в минерале растущих костей и, таким образом, приводить к проблемам роста костей. [85]
Период биологического полураспада стронция у людей по-разному сообщается: от 14 до 600 дней, [86] [87] 1000 дней, [88] 18 лет, [89] 30 лет [90] и, по верхнему пределу, 49 лет. [91] Широко разброс опубликованных показателей периода биологического полураспада объясняется сложным метаболизмом стронция в организме. Однако, усреднив все пути выведения, общий период биологического полураспада оценивается примерно в 18 лет. [92] Скорость выведения стронция сильно зависит от возраста и пола из-за различий в метаболизме костей . [93]
Препарат стронция ранелат способствует росту костей , увеличивает плотность костей и снижает частоту переломов позвонков, периферических сосудов и бедра . [94] [95] Однако стронция ранелат также увеличивает риск венозной тромбоэмболии, тромбоэмболии легочной артерии и серьезных сердечно-сосудистых заболеваний, включая инфаркт миокарда. Поэтому его использование в настоящее время ограничено. [96] Его полезные эффекты также сомнительны, поскольку повышенная плотность костей частично вызвана повышенной плотностью стронция по сравнению с кальцием, который он заменяет. Стронций также биоаккумулируется в организме. [97] Несмотря на ограничения на стронция ранелат , стронций все еще содержится в некоторых добавках. [98] [99] Существует не так много научных данных о рисках хлорида стронция при приеме внутрь. Тем, у кого есть личная или семейная история нарушений свертываемости крови, рекомендуется избегать стронция. [98] [99]
Было показано, что стронций подавляет сенсорное раздражение при местном применении на коже. [100] [101] Было показано, что при местном применении стронций ускоряет скорость восстановления эпидермального барьера проницаемости (кожного барьера). [102]
Стронций-90 — это радиоактивный продукт деления, производимый ядерными реакторами , используемыми в ядерной энергетике . Он является основным компонентом высокой радиоактивности ядерных отходов и отработанного ядерного топлива . Его 29-летний период полураспада достаточно короток, чтобы его тепло распада использовалось для питания арктических маяков, но достаточно долог, чтобы ему потребовались сотни лет, чтобы распасться до безопасных уровней. Воздействие загрязненной воды и пищи может увеличить риск лейкемии , рака костей [103] и первичного гиперпаратиреоза [104] .
Водоросли продемонстрировали селективность к стронцию в исследованиях, тогда как большинство растений, используемых в биоремедиации, не продемонстрировали селективности между кальцием и стронцием, часто насыщаясь кальцием, которого больше в количестве и который также присутствует в ядерных отходах. [103]
Исследователи изучили биоаккумуляцию стронция Scenedesmus spinosus ( водоросль ) в имитированных сточных водах. Исследование утверждает высокоселективную способность S. spinosus к биосорбции стронция , что предполагает, что он может быть подходящим для использования при очистке ядерных сточных вод. [105]
Исследование водоросли Closterium moniliferum, обитающей в пруду, с использованием нерадиоактивного стронция, показало, что изменение соотношения бария и стронция в воде улучшает селективность стронция. [103]
{{cite web}}
: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)