Стро́нций (химический символ — Sr, от ) — химический элемент 2-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы второй группы, IIA) пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 38. Щёлочноземельный металл.
Простое вещество стронций — мягкий, ковкий и пластичный металл серебристо-белого цвета (с желтоватым оттенком).
Обладает высокой химической активностью, на воздухе быстро реагирует с влагой и кислородом, покрываясь жёлтой оксидной плёнкой.
История и происхождение названия Новый элемент обнаружили в минерале стронцианите, найденном в 1764 году в свинцовом руднике близ шотландской деревни (, ), давшей впоследствии название новому элементу. Присутствие в этом минерале оксида нового металла было установлено в 1787 году Уильямом Крюйкшенком и Адером Крофордом. Выделен в чистом виде сэром Хемфри Дэви в 1808 году.
Нахождение в природе В свободном виде стронций не встречается ввиду его высокой химической активности. Он входит в состав около 40 минералов. Из них наиболее важный — целестин SrSO4 (51,2 % Sr). Добывают также стронцианит SrCO3 (64,4 % Sr). Эти два минерала имеют промышленное значение. Чаще всего стронций присутствует как примесь в различных кальциевых минералах.
Среди прочих минералов стронция: SrAl3(AsO4)SO4(OH)6 — кеммлицит; Sr2Al(CO3)F5 — стенонит; SrAl2(CO3)2(OH)4·H2O — стронциодрессерит; SrAl3(PO4)2(OH)5·H2O — гойясит; Sr2Al(PO4)2OH — гудкенит; SrAl3(PO4)SO4(OH)6 — сванбергит; Sr(AlSiO4)2 — слосонит; Sr(AlSi3O8)2·5H2O — брюстерит; Sr5(AsO4)3F — ферморит; Sr2(B14O23)·8H2O — стронциоджинорит; Sr2(B5O9)Cl·H2O — стронциохильгардит; SrFe3(PO4)2(OH)5·H2O — люсуньит; SrMn2(VO4)2·4H2O — сантафеит; Sr5(PO4)3OH — беловит; SrV(Si2O7) — харадаит; SrB2Si2O8 — пековит.
По уровню физической распространённости в земной коре стронций занимает 23-е место — его массовая доля составляет 0,014 % (в литосфере — 0,045 %). Мольная доля металла в земной коре 0,0029 %.
Стронций содержится в морской воде (8 мг/л)J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. I, 1965.
Месторождения Известны месторождения в Калифорнии, Аризоне (США); Новой Гранаде; Турции, Иране, Китае, Мексике, Канаде, Малави.
В России обнаружены, но в настоящее время не разрабатываются месторождения стронциевых руд: Синие камни (Дагестан), Мазуевское (Пермский край), Табольское (Тульская область), а также месторождения в Бурятии, Иркутской области, Красноярском крае, Якутии и на Курильских островахК. В. Тарасов, О. М. Топчиева Особенности миграции и накопления стронция в гидротермальных метасоматитах Курильских островов (Кунашир, Кетой, Ушишир, Шиашкотан) .
Физические свойства Стронций — мягкий серебристо-белый металл, обладает ковкостью и пластичностью, легко режется ножом.
Полиморфен — известны три его модификации. До 215 °C устойчива кубическая гранецентрированная модификация (α-Sr), между 215 и 605 °C — гексагональная (β-Sr), выше 605 °C — кубическая объёмноцентрированная модификация (γ-Sr).
Температура плавления: 768 °C, температура кипения: 1390 °C.
Химические свойства Стронций в своих соединениях всегда проявляет степень окисления +2. По свойствам стронций близок к кальцию и барию, занимая промежуточное положение между ними.
В электрохимическом ряду напряжений стронций находится среди наиболее активных металлов (его нормальный электродный потенциал равен −2,89 В). Энергично реагирует с водой, образуя гидроксид:
Взаимодействует с кислотами, вытесняет тяжёлые металлы из их солей. С концентрированными кислотами (H2SO4, HNO3) реагирует слабо.
Металлический стронций быстро окисляется на воздухе, образуя желтоватую плёнку, в которой, помимо оксида SrO, всегда присутствуют пероксид SrO2 и нитрид Sr3N2. При нагревании на воздухе загорается, порошкообразный стронций на воздухе склонен к самовоспламенению.
Энергично реагирует с неметаллами — серой, фосфором, галогенами. Взаимодействует с водородом (выше 200 °C), азотом (выше 400 °C). Практически не реагирует со щелочами.
При высоких температурах реагирует с CO2, образуя карбид:
Легкорастворимы соли стронция с анионами Cl−, I−, NO3−. Соли с анионами F−, SO42−, CO32−, PO43− малорастворимы.
Из-за его чрезвычайной реактивности с кислородом и водой, стронций встречается в природе только в соединениях с другими элементами, таких как минералы стронцианит и целестин. Для предотвращения окисления его хранят в закрытой стеклянной посуде под жидким углеводородом, например минеральным маслом или керосином. Свежеоткрытый металлический стронций быстро приобретает желтоватый цвет с образованием оксида. Мелкодисперсный металлический стронций является пирофорным, что означает, что он самовозгорается на воздухе при комнатной температуре. Летучие соли стронция придают пламени ярко-красный цвет, и эти соли используются в пиротехнике и в производстве факелов. Подобно кальцию и барию, а также щелочным металлам и двухвалентным лантаноидам европия и иттербия, металлический стронций растворяется непосредственно в жидком аммиаке, давая тёмно-синий раствор сольватированных электронов.
Органические соединения стронция содержат одну или несколько связей стронций-углерод. Они были описаны как промежуточные звенья в реакциях типа Барбье.
Ионы стронция образуют устойчивые соединения с краун-эфирами.
Получение Существуют три способа получения металлического стронция: термическое разложение некоторых соединений; электролиз; восстановление оксида или хлорида.
Основным промышленным способом получения металлического стронция является термическое восстановление его оксида алюминием. Далее полученный стронций очищается возгонкой.
Электролитическое получение стронция электролизом расплава смеси SrCl2 и NaCl не получило широкого распространения из-за малого выхода по току и загрязнения стронция примесями.
При термическом разложении гидрида или нитрида стронция образуется мелкодисперсный стронций, склонный к лёгкому воспламенению.
Применение Основные области применения стронция и его химических соединений — это радиоэлектронная промышленность, пиротехника, металлургия, пищевая промышленность.
Металлургия Стронций применяется для легирования меди и некоторых её сплавов, для введения в аккумуляторные свинцовые сплавы, для десульфурации чугуна, меди и сталей. Введение небольших добавок стронция в чугуны и титановые сплавы позволяет значительно улучшить их механические свойства. По новым исследованиям, добавка стронция позволяет значительно увеличить морозостойкость сплавов.
Металлотермия Стронций чистотой 99,99—99,999 % применяется для восстановления урана.
Магнитные материалы Магнитотвёрдые ферриты стронция широко употребляются в качестве материалов для производства постоянных магнитов. Феррит стронция является перспективным материалом в производстве магнитной ленты для систем хранения данныхhttps://www.fujifilm.com/jp/en/news/hq/5822 Magnetic tapes using strontium ferrite (SrFe) particles.
Пиротехника В пиротехнике применяются карбонат, нитрат, перхлорат стронция для окрашивания пламени в карминово-красный цвет. Сплав магний-стронций обладает сильнейшими пирофорными свойствами и находит применение в пиротехнике для зажигательных и сигнальных составов.
Ядерная энергетика Уранат стронция играет важную роль при получении водорода (стронций-уранатный цикл, Лос-Аламос, США) термохимическим способом (атомно-водородная энергетика), и, в частности, разрабатываются способы непосредственного деления ядер урана в составе ураната стронция для получения тепла при разложении воды на водород и кислород.
Высокотемпературная сверхпроводимость Оксид стронция применяется в качестве компонента сверхпроводящих керамик.
Вакуумные электронные приборы Оксид стронция, в составе твёрдого раствора оксидов других щёлочноземельных металлов — бария и кальция (BaO, CaO), используется в качестве активного слоя катодов косвенного накала в вакуумных электронных приборах. На пике производства телевизионных электронно-лучевых трубок 75 % потребления стронция в Соединённых Штатах использовалось для производства стекла лицевой панели. С заменой электронно-лучевых трубок другими методами отображения потребление стронция резко сократилось.
Химические источники тока Фторид стронция используется в качестве компонента твёрдотельных фторионных аккумуляторных батарей с большой энергоёмкостью и энергоплотностью.
Сплавы стронция с оловом и свинцом применяются для отливки токоотводов аккумуляторных батарей. Сплавы стронций-кадмий — для анодов гальванических элементов.
Медицина Изотоп с атомной массой 89, имеющий период полураспада 50,55 суток, применяется (в виде хлорида) в качестве противоопухолевого средства Журнал ABC — Стронция-89 хлорид — Стронция хлорид [89Sr].
Биологическая роль
Влияние на организм человека Не следует путать действие на организм человека природного стронция (не радиоактивного, малотоксичного и более того, широко используемого для лечения остеопороза) и радиоактивных изотопов стронция.
Стронций природный — составная часть микроорганизмов, растений и животных. Стронций является аналогом кальция, поэтому он наиболее эффективно откладывается в костной ткани. В мягких тканях задерживается менее 1 %. Стронций с большой скоростью накапливается в организме детей до четырёхлетнего возраста, когда идёт активное формирование костной ткани. Обмен стронция изменяется при некоторых заболеваниях органов пищеварения и сердечно-сосудистой системы.
Пути попадания: вода (предельно допустимая концентрация стронция в воде в РФ — 7 мг/л (в лечебно-столовых и природных минеральных водах-25 мг/л), а в США — 4 мг/л); пища (томаты, свёкла, укроп, петрушка, редька, редис, лук, капуста, ячмень, рожь, пшеница); интратрахеальное поступление; через кожу (накожное); ингаляционное (через лёгкие).
Попадание природного стронция в организм человека может быть связано с работой в областях его применения. Основные области применения природного стронция — радиоэлектронная промышленность, пиротехника, металлургия, металлотермия, пищевая промышленность, производство магнитных материалов.
Влияние нерадиоактивного стронция проявляется крайне редко и только при воздействии других факторов (дефицит кальция и витамина D, неполноценное питание, нарушения соотношения микроэлементов таких, как барий, молибден, селен и другие). Тогда он может вызывать у детей «стронциевый рахит» и «уровскую болезнь» — поражение и деформацию суставов, задержку роста и другие нарушения.
Радиоактивный стронций (как правило, стронций-90) практически всегда негативно воздействует на организм человека. Откладываясь в костях, он облучает костную ткань и костный мозг, что увеличивает риск заболевания злокачественными опухолями костей, а при поступлении большого количества может вызвать лучевую болезнь. Области применения радиоактивного стронция — производство атомных электрических батарей, атомно-водородная энергетика, радиоизотопные термоэлектрические генераторы и другое.
Минеральный скелет простейших Представители группы Acantaria используют сульфат стронция (SrSO4) для построения минерального скелета.
Изотопы
В природе стронций встречается в виде смеси четырёх стабильных изотопов 84Sr (0,56(2) %), 86Sr (9,86(20) %), 87Sr (7,00(20) %), 88Sr (82,58(35) %). Проценты указаны по числу атомов. Известны также радиоактивные изотопы стронция с массовым числом от 73 до 105. Лёгкие изотопы (до 85Sr включительно, а также изомер 87mSr) испытывают электронный захват, распадаясь в соответствующие изотопы рубидия. Тяжёлые изотопы, начиная с 89Sr, испытывают β−-распад, переходя в соответствующие изотопы иттрия. Наиболее долгоживущим и важным в практическом плане среди радиоактивных изотопов стронция является 90Sr.
Стронций-90
Изотоп стронция 90Sr является радиоактивным с периодом полураспада . 90Sr претерпевает β−-распад, переходя в радиоактивный 90Y (период полураспада 64 часа), который, в свою очередь, распадается в стабильный цирконий-90. Полный распад стронция-90, попавшего в окружающую среду, произойдёт лишь через несколько сотен лет.