Стро́нций ( химический символ — Sr , от лат. Strontium ) — 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.

Простое вещество стронций — это мягкий, ковкий и пластичный щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета .

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 ( англ. Strontian , гэльск. Sròn an t-Sìthein ), 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 SrSO ₄ (51,2 % Sr). Добывают также стронцианит SrCO ₃ (64,4 % Sr). Эти два минерала имеют промышленное значение. Чаще всего стронций присутствует как примесь в различных кальциевых минералах.

Среди прочих минералов стронция:

• SrAl ₃ (AsO ₄ )SO ₄ (OH) ₆ — ;
• Sr ₂ Al(CO ₃ )F ₅ — ;
• SrAl ₂ (CO ₃ ) ₂ (OH) ₄ ·H ₂ O — ;
• SrAl ₃ (PO ₄ ) ₂ (OH) ₅ ·H ₂ O — ;
• Sr ₂ Al(PO ₄ ) ₂ OH — ;
• SrAl ₃ (PO ₄ )SO ₄ (OH) ₆ — сванбергит ;
• Sr(AlSiO ₄ ) ₂ — ;
• Sr(AlSi ₃ O ₈ ) ₂ ·5H ₂ O — ;
• Sr ₅ (AsO ₄ ) ₃ F — ;
• Sr ₂ (B ₁₄ O ₂₃ )·8H ₂ O — ;
• Sr ₂ (B ₅ O ₉ )Cl·H ₂ O — ;
• SrFe ₃ (PO ₄ ) ₂ (OH) ₅ ·H ₂ O — ;
• SrMn ₂ (VO ₄ ) ₂ 4H ₂ O — ;
• Sr ₅ (PO ₄ ) ₃ OH — ;
• SrV(Si ₂ O ₇ ) — ;
• SrB ₂ Si ₂ O ₈ — .

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) .

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 островах .

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 :

${\displaystyle {\mathsf {Sr+2H_{2}O\rightarrow Sr(OH)_{2}+H_{2}\uparrow }}}$

Взаимодействует с кислотами, вытесняет тяжёлые металлы из их солей. С концентрированными кислотами (H ₂ SO ₄ , HNO ₃ ) реагирует слабо.

Металлический стронций быстро окисляется на воздухе , образуя желтоватую плёнку, в которой, помимо оксида SrO , всегда присутствуют пероксид SrO ₂ и нитрид Sr ₃ N ₂ . 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 CO ₂ , образуя карбид :

${\displaystyle {\mathsf {5Sr+2CO_{2}\rightarrow SrC_{2}+4SrO}}}$

Легкорастворимы соли стронция с анионами Cl ⁻ , I ⁻ , NO ₃ ⁻ . Соли с анионами F ⁻ , SO ₄ ²⁻ , CO ₃ ²⁻ , PO ₄ ³⁻ малорастворимы.

Из-за его чрезвычайной реактивности с кислородом и водой, стронций встречается в природе только в соединениях с другими элементами, такими как минералы стронцианит и целестин. Для предотвращения окисления его хранят в закрытой стеклянной посуде под жидким углеводородом, таким как минеральное масло или керосин. 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 SrCl ₂ 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 данных .

Пиротехника

В пиротехнике применяются карбонат , нитрат , 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 .

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:

1. 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 );
2. пища (томаты, свёкла, укроп, петрушка, редька, редис, лук, капуста, ячмень, рожь, пшеница);
3. интратрахеальное поступление;
4. через кожу (накожное);
5. 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.

Изотопы

В природе стронций встречается в виде смеси четырёх стабильных изотопов ⁸⁴ Sr (0,56(2) %), ⁸⁶ Sr (9,86(20) %), ⁸⁷ Sr (7,00(20) %), ⁸⁸ Sr (82,58(35) %) . Проценты указаны по числу атомов. Известны также радиоактивные изотопы стронция с массовым числом от 73 до 105. Лёгкие изотопы (до ⁸⁵ Sr включительно, а также изомер ^87m Sr) испытывают электронный захват, распадаясь в соответствующие изотопы рубидия . Тяжёлые изотопы, начиная с ⁸⁹ Sr, испытывают β ⁻ -распад , переходя в соответствующие изотопы иттрия . Наиболее долгоживущим и важным в практическом плане среди радиоактивных изотопов стронция является ⁹⁰ Sr.

Стронций-90

Изотоп стронция ⁹⁰ Sr является радиоактивным с периодом полураспада 28,78 года . ⁹⁰ Sr претерпевает β ⁻ -распад , переходя в радиоактивный ⁹⁰ Y (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.

⁹⁰ Sr образуется при ядерных взрывах и внутри ядерного реактора во время его работы. Образование стронция-90 при этом происходит как непосредственно в результате деления ядер урана и плутония, так и в результате бета-распада короткоживущих ядер с массовым числом A = 90 (в цепочке ⁹⁰ Se → ⁹⁰ Br → ⁹⁰ Kr → ⁹⁰ Rb → ⁹⁰ Sr ), образующихся при делении.

Применяется в производстве радиоизотопных источников энергии в виде титаната стронция (плотность 4,8 г/см³ , а энерговыделение — около 0,54 Вт/см³ ).

Примечания

Литература

• Greenwood N. N., Earnshaw A. (англ.) . — 2nd Ed. — , 1997. — ISBN 0-08-037941-9 .

Ссылки

• от 13 февраля 2006 на Wayback Machine