Химический элемент стронций - описание, свойства и формула

Стронций (Sr) – химический элемент, щелочноземельный металл 2-й группы периодической таблицы. Используется в красных сигнальных огнях и люминофорах, представляет основную угрозу здоровью при радиоактивном заражении.

История открытия

Минерал из свинцового рудника близ деревни Стронтиан в Шотландии. Первоначально он был распознан, как разновидность карбоната бария, но Адэр Кроуфорд и Уильям Крюйкшэнк в 1789 году предположили, что это другое вещество. Химик Томас Чарльз Хоуп назвал новый минерал стронтитом по имени деревни, а соответствующий оксид стронция SrO – стронцией. Металл был выделен в 1808 г. сэром Хэмфри Дэви, который подверг электролизу смесь влажного гидроксида или хлорида с оксидом ртути, используя ртутный катод, а затем из полученной амальгамы испарил ртуть. Новый элемент он назвал, воспользовавшись корнем слова «стронция».

Нахождение в природе

Относительная распространенность стронция, тридцать восьмого элемента таблицы Менделеева, в космосе оценивается, как 18,9 атомов на каждые 10⁶ атомов кремния. Он составляет около 0,04% массы земной коры. Средняя концентрация элемента в морской воде равна 8 мг/л.

Химический элемент стронций широко встречается в природе, и, по оценкам специалистов, является 15-м наиболее распространенным веществом на Земле, достигая концентрации 360 частей на миллион. Учитывая его экстремальную реактивность, существует только в форме соединений. Его главными минералами являются целестин (сульфат SrSO₄) и стронцианит (карбонат SrCO₃). Из них в достаточных для рентабельной добычи количествах встречается целестит, более 2/3 мирового предложения которого поступает из Китая, а Испания и Мексика поставляют большую часть остатка. Однако выгоднее добывать стронцианит, потому что стронций чаще используется в карбонатной форме, но известных его месторождений относительно мало.

Свойства

Стронций является мягким металлом, подобным свинцу, который в месте разреза блестит как серебро. На воздухе он быстро вступает в реакцию с кислородом и присутствующей в атмосфере влагой, приобретая желтоватый оттенок. Поэтому хранить его нужно в изоляции от воздушных масс. Чаще всего его хранят в керосине. В свободном состоянии в природе не встречается. Сопутствуя кальцию, стронций входит в состав только 2 основных руд: целестина (SrSO₄) и стронцианита (SrCO₃).

В ряду химических элементов магний–кальций–стронций (щелочноземельных металлов) Sr находится в группе 2 (бывшей 2А) периодической таблицы между Ca и Ba. Кроме того, он расположен в 5-м периоде между рубидием и иттрием. Поскольку атомный радиус стронция аналогичен радиусу кальция, он легко заменяет последний в минералах. Но он мягче и более реактивный в воде. При контакте с ней образует гидроксид и газообразный водород. Известны 3 аллотропа стронция с точками перехода 235°C и 540°C.

Щелочноземельный металл обычно не реагирует с азотом ниже 380°С и при комнатной температуре образует только оксид. Однако в виде порошка стронций самопроизвольно воспламеняется с образованием оксида и нитрида.

Химические и физические свойства

Характеристика химического элемента стронция по плану:

• Название, символ, атомный номер: стронций, Sr, 38.
• Группа, период, блок: 2, 5, s.
• Атомная масса: 87,62 г/моль.
• Электронная конфигурация: [Kr]5s².
• Распределение электронов по оболочкам: 2, 8, 18, 8, 2.
• Плотность: 2,64 г/см³.
• Температуры плавления и кипения: 777 °C, 1382°C.
• Степень окисления: 2.

Изотопы

Естественный стронций представляет собой смесь 4-х стабильных изотопов: ⁸⁸Sr (82,6%), ⁸⁶Sr (9,9%), ⁸⁷Sr (7,0%) и ⁸⁴Sr (0,56%). Из них только ⁸⁷Sr является радиогенным – он образуется при распаде радиоактивного изотопа рубидия ⁸⁷Rb с периодом полураспада 4,88 × 10¹⁰ лет. Считается, что ⁸⁷Sr продуцировался во время «первичного нуклеосинтеза» (ранней стадии Большого взрыва) наряду с изотопами ⁸⁴Sr, ⁸⁶Sr и ⁸⁸Sr. В зависимости от местоположения, соотношение ⁸⁷Sr и ⁸⁶Sr могут отличаться более чем в 5 раз. Это используется в датировании геологических проб и в определении происхождения скелетов и глиняных артефактов.

В результате ядерных реакций были получены около 16 синтетических радиоактивных изотопов стронция, из которых наиболее долговечным является ⁹⁰Sr (период полураспада 28,9 года). Этот изотоп, образующийся при ядерном взрыве, считается наиболее опасным продуктом распада. Из-за его химического сходства с кальцием он усваивается в костях и зубах, где продолжает выталкивать электроны, вызывая радиационное поражение, повреждая костный мозг, нарушая процесс образования новых клеток крови и вызывая рак.

Однако в контролируемых медиками условиях стронций используется для лечения некоторых поверхностных злокачественных новообразований и рака костной ткани. Он также применяется в форме фторида стронция в химических источниках тока и в радиоизотопных термоэлектрических генераторах, в которых тепло его радиоактивного распада преобразуется в электричество, служащих долгоживущими, легкими источниками энергии в навигационных буях, удаленных метеостанциях и космических аппаратах.

⁸⁹Sr используется для лечения рака, поскольку атакует костные ткани, производит бета-облучение и через несколько месяцев распадается (период полураспада 51 день).

Химический элемент стронций не является необходимым для высших форм жизни, его соли обычно нетоксичны. То, что делает ⁹⁰Sr опасным, используется для увеличения плотности костей и их роста.

Соединения

Свойства химического элемента стронция очень похожи на свойства кальция. В соединениях Sr имеет исключительное состояние окисления +2 в виде иона Sr²⁺. Металл является активным восстановителем и легко реагирует с галогенами, кислородом и серой с получением галогенидов, окиси и сульфида.

Соединения стронция имеют довольно ограниченную коммерческую ценность, поскольку соответствующие соединения кальция и бария, как правило, выполняют то же, но более дешевы. Однако некоторые из них нашли применение в промышленности. Пока еще не придумали, с помощью каких веществ добиться малинового цвета в фейерверках и сигнальных огнях. В настоящее время с целью получения этого цвета используются лишь соли стронция, такие как нитрат Sr(NO₃)₂ и хлорат Sr(ClO₃)₂ . Около 5-10% всего производства данного химического элемента потребляет пиротехника. Гидроксид стронция Sr(OH)₂ иногда используется для извлечения сахара из мелассы, потому что он образует растворимый сахарид, из которого сахар может быть легко регенерирован под действием двуокиси углерода. Моносульфид SrS применяется как депилятор и ингредиент в люминофорах электролюминесцентных устройств и светящихся красок.

Ферриты стронция образуют семейство соединений с общей формулой SrFe_хO_у, получаемых в результате высокотемпературной (1000-1300 °C) реакции SrCO₃ и Fe₂O₃. Из них изготавливают керамические магниты, которые находят широкое применение в динамиках, двигателях автомобильных стеклоочистителей и детских игрушках.

Производство

Большая часть минерализованного целестина SrSO₄ превращается в карбонат двумя способами: либо целестин непосредственно выщелачивается раствором карбоната натрия, либо нагревается с углем, образуя сульфид. На второй стадии получается вещество темного цвета, содержащее, в основном, сульфид стронция. Эта «черная зола» растворяется в воде и фильтруется. Карбонат стронция осаждается из раствора сульфида путем введения диоксида углерода. Сульфат восстанавливается до сульфида путем карботермического восстановления SrSO₄ + 2C → SrS + 2CO₂. Элемент может быть получен методом катодного электрохимического контакта, в котором охлажденный железный стержень, действующий как катод, касается поверхности смеси хлоридов калия и стронция, и поднимается, когда стронций затвердевает на нем. Реакции на электродах могут быть представлены следующим образом: Sr²⁺ + 2e^- → Sr (катод); 2Cl^- → Cl₂ + 2e^- (анод).

Металлический Sr также можно восстановить из его оксида алюминием. Он ковкий и пластичный, хороший проводник электричества, но используется относительно мало. Одно из его применений – легирующий агент для алюминия или магния при литье блоков цилиндров. Стронций улучшает обрабатываемость и устойчивость к ползучести металла. Альтернативным способом получения стронция является восстановление его оксида с алюминием в вакууме при температуре перегонки.

Коммерческое применение

Химический элемент стронций широко используется в стекле электронно-лучевых трубок цветных телевизоров для предотвращения проникновения рентгеновского излучения. Также он может входить в состав аэрозольных красок. Это, по-видимому, является одним из наиболее вероятных источников воздействия стронция на население. Кроме того, элемент используется для производства ферритовых магнитов и очистки цинка.

Соли стронция применяются в пиротехнике, поскольку при сгорании окрашивают пламя в красный свет. А сплав солей стронция с магнием применяется в составе зажигательных и сигнальных смесей.

Титанат обладает чрезвычайно высоким показателем преломления и оптической дисперсией, что делает его полезным в оптике. Он может использоваться, как замена бриллиантов, но редко используется с этой целью из-за крайней мягкости и уязвимости к царапинам.

Алюминат стронция является ярким люминофором с длительной устойчивостью фосфоресценции. Оксид иногда применяется для улучшения качества керамических глазурей. Изотоп ⁹⁰Sr является одним из лучших долгоживущих высокоэнергетических бета-излучателей. Он используется в качестве источника питания для радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ), преобразующих в электричество тепло, выделяемое при распаде радиоактивных элементов. Эти устройства применяются в космических аппаратах, удаленных метеостанциях, навигационных буях и т. д. – там, где требуется легкий и долгоживущий ядерно-электрический источник энергии.

Медицинское использование стронция: характеристика свойств, лечение препаратами

Изотоп ⁸⁹Sr является активным ингредиентом радиоактивного препарата Metastron, применяемого для лечения болей в костях, вызванных метастатическим раком предстательной железы. Химический элемент стронций действует, как кальций, преимущественно включается в кость в местах с повышенным остеогенезом. Эта локализация фокусирует радиационное воздействие на раковое поражение.

Радиоизотоп ⁹⁰Sr также используется в терапии рака. Его бета-излучение и длительный период полураспада идеально подходят для поверхностной лучевой терапии.

Экспериментальный препарат, полученный путем объединения стронция с ранелиновой кислотой, способствует росту кости, увеличению плотности костной ткани и уменьшению переломов. Stronium ranelate зарегистрирован в Европе, как средство лечения остеопороза.

Хлорид стронция иногда используется в зубных пастах для чувствительных зубов. Его содержание достигает 10%.

Меры предосторожности

У чистого стронция высокая химическая активность, а в измельченном состоянии металл спонтанно загорается. Поэтому этот химический элемент считается пожароопасным.

Воздействие на организм человека

Человеческое тело поглощает стронций так же, как кальций. Эти два элемента химически настолько похожи, что устойчивые формы Sr не представляют значительную угрозу для здоровья. В отличии от этого, радиоактивный изотоп ⁹⁰Sr может привести к различным костным нарушениям и заболеваниям, в том числе к раку костной ткани. Для измерения излучения поглощенного ⁹⁰Sr используется стронциевая единица.