Стронций

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Стро́нций — химический элемент с атомным номером 38 в периодической системе, обозначается символом Sr (лат. Strontium), мягкий щелочноземельный металл серебристо-белого цвета. Очень химически активен и на воздухе быстро реагирует с влагой и кислородом, покрываясь желтой оксидной плёнкой.

Содержание 1 История и происхождение названия 2 Присутствие в природе 3 Получение 4 Физические свойства 5 Химические свойства 6 Применение 7 Биологическая роль 8 Стронций-90 9 Ссылки

[править] История и происхождение названия

В 1764 г. в свинцовом руднике близ шотландской деревни Стронциан был найден минерал, который назвали стронцианитом. Долгое время его считали разновидностью флюорита CaF₂ или витерита ВаCO₃, но в 1790 г. английские минералоги Кроуфорд и Крюикшенк проанализировали этот минерал и установили, что в нем содержится новая «земля», а говоря нынешним языком, окисел. Независимо от них тот же минерал изучал другой английский химик – Хоп. Придя к таким же результатам, он объявил, что в стронцианите есть новый элемент – металл стронций. Видимо, открытие уже «витало в воздухе», потому что почти одновременно сообщил об обнаружении новой «земли» и видный немецкий химик Клапрот. В те же годы на следы «стронциановой земли» натолкнулся и известный русский химик – академик Товий Егорович Ловиц. Его издавна интересовал минерал, известный под названием тяжелого шпата. В этом минерале (его состав BaSО₄) Карл Шееле открыл в 1774 г. окись нового элемента бария. Не знаем, отчего Ловиц был неравнодушен именно к тяжелому шпату; известно только, что ученый, открывший адсорбционные свойства угля и сделавший еще много в области общей и органической химии, коллекционировал образцы этого минерала. Но Ловиц не был просто собирателем, вскоре он начал систематически исследовать тяжелый шпат и в 1792 г. пришел к выводу, что в этом минерале содержится неизвестная примесь. Он сумел извлечь из своей коллекции довольно много – больше 100 г новой «земли» и продолжал исследовать ее свойства. Результаты исследования были опубликованы в 1795 г. Ловиц писал тогда: «Я был приятно поражен, когда прочел... прекрасную статью г-на профессора Клапрота о стронциановой земле, о которой до этого имелось очень неясное представление... Все указанные им свойства солекислых и селитрокислых средних солей во всех пунктах совершеннейшим образом совпадают со свойствами моих таких же солей... Мне оставалось только проверить... замечательное свойство стронциановой земли – окрашивать спиртовое пламя в карминово-красный цвет, и, действительно, моя соль... обладала в полной мере этим свойством». Так почти одновременно несколько исследователей в разных странах вплотную подошли к открытию стронция. Но в элементарном виде его выделили лишь в 1808 г. Выдающийся ученый своего времени Хэмфри Дэви понимал уже, что элемент стронциановой земли должен быть, по-видимому, щелочноземельным металлом, и получил его электролизом, т.е. тем же способом, что и кальций, магний, барий. А если говорить конкретнее, то первый в мире металлический стронций был получен при электролизе его увлажненной гидроокиси. Выделявшийся на катоде стронций мгновенно соединялся с ртутью, образуя амальгаму. Разложив амальгаму нагреванием, Дэви выделил чистый металл.

[править] Присутствие в природе

Содержание стронция в земной коре довольно велико - около 3,4·10⁻²%). Чаще всего он присутствует как примесь в различных кальциевых минералах, в свободном виде не встречается. Стронций образует около 40 минералов, из которых промышленное значение имеют целестин (целестит) SrSO₄ и стронцианит SrCO₃.

Стронций присутствует в качестве изоморфной примеси в различных магниевых, кальциевых и бариевых минералах, а также содержится в природных минерализованных водах (около 24% общих запасов стронция). Среднее содержание стронция в почвах 0,035% по массе, в речной воде 0,08 мг/л. Часть стронция в океане концентрируется в железомарганцевых конкрециях (4900 т в год).

На территории бывшего Советского Союза месторождения минералов стронция найдены в Архангельской области, Верхнем и Среднем Поволжье, Башкирии, Якутии, Таджикистане, Крыму. За рубежом основные запасы стронциевых руд находятся в Англии, Испании, Франции, Германии, США, Мексике, Канаде, Пакистане.

[править] Получение

Источники получения стронция - природные минералы целестин и стронцианит, перспективно использование природных минерализованных вод. Стронций получают электролизом расплава SrCl₂, а также металлотермическим восстановлением SrO или SrCl₂. Электролиз расплава (85% SrCl₂ + KCl или NH₄Cl) ведут на никелевом или железном катоде при 800°С. Предварительно восстанавливают целестиновый концентрат до SrS углем при нагреве с последующей обработкой SrS соляной кислотой и обезвоживанием образовавшегося SrСl₂. Полученный этим методом cтронций содержит 0,3-0,4% калия. Для металлотермии, восстановления SrO используют Al, Si или ферросилиций. Процесс ведут при 1000°С в вакууме в стальной трубке. SrCl₂ восстанавливают металлическим магнием в атмосфере водорода. Стронцианитовый концентрат разлагают обжигом при 1200°С с послед, растворением SrO в воде или кислотах либо непосредственно растворением стронцианита в азотной или соляной кислоте. Стронций может быть также получен при нагревании в вакууме SrH₂ (при 1000°С), Sr₃N₂ (при 140-150°C) или Sr(NH₃)₆. Стронций очищают перегонкой в вакууме. Радиоактивные изотопы стронция образуются при делении ²³⁵U. Изотоп ⁸⁹Sr (период полураспада 50,5 суток) получают также в реакторах из стабильного стронция по реакции ⁸⁸Sr (n, γ) → ⁸⁹Sr или в циклотроне: ⁸⁸Sr(d,p) → ⁸⁹Sr.

[править] Физические свойства

Стронций - мягкий серебристо-белый металл, ковкий и пластичный. В неочищенном состоянии окрашен в желтый цвет. Существует в трех полиморфных модификациях: 1. До 231°С устойчив α-Sr с кубической гранецентрированной решеткой типа Cu (а = 0,6085 нм, z = 4, пространственная группа Fm3m, плотность 2,63 г/см3). 2. При температурах 231-623°C существует β-Sr с гексагональной решеткой типа Mg (а = 0,431 нм, с = 0,705 нм, z = 2, пространственная группа Р63/mmc). 3. Выше 623°C существует γ-Sr с кубической объемно-центрированной решеткой типа α-Fe (а = 0,485 нм, z = 2, пространственная группа Im3m). Температура плавления стронция - 768°С ; температура кипения 1390°С; изобарная теплоемкость 26,79 Дж/(моль*К); стандартная теплота плавления 8,2 кДж/моль, стандартная теплота испарения 133,8 кДж/моль, стандартная теплота возгонки 160,5 кДж/моль; стандартная энтропия 55,70 Дж/(моль*К); давление пара 2,254*10⁻⁶ Па (при 500К), 2,861*10⁻⁴ Па (при 580К), 1,12*10⁻² Па (при 660К), 245,9 Па (при 1043К); температурный коэффицент линейного расширения 20,6*10⁻⁶K⁻¹ (в интервале 273-503К), 22,6*10⁻⁶K⁻¹ (в интервале 503-773К); электрическое сопротивление 0,2 мкОм*м (при 0°С), 21,5 мкОм*м (при 22°С), 60 мкОм*м (при 400°С), температурный коэффицент электрического сопротивления 5,2*10⁻³K⁻¹ (в интервале 273-473К); парамагнетик, удельная магнитная восприимчивость +1,05*10⁻⁹; γ 350 мН/м (при 768°С). Пластичен, модуль упругости 16,0 ГПа, модуль сдвига 6,08 ГПа; σ^раст 49,0 МПа (при 20°С), 53,9 МПа (при 110°С), 200 МПа (при 200°С), 1,0 МПа (при 700°С); твердость по Бринеллю 190 МПа (при 20°С), 90 МПа (при 200°С), 2,0 МПа (при 700°С); относительное удлинение 1,0% (при 20°С), 5,3% (при 200°С), 40% (при 700°С).

[править] Химические свойства

Стронций отличается большой химической активностью, по химическим свойствам сходен с Са и Ва. Стандартный электродный потенциал Sr2+/Sr° - 2,89В. При обычных температурах металличесский стронций взаимодействует с воздухом, покрываясь пленкой из SrO и SrO₂, при нагревании воспламеняется. Энергично реагирует с водой с образованием Sr(OH)₂ и выделением водорода. При взаимодействии с галогенами образует галогениды. С СО₂ реагирует при повышенных температурах: 5Sr + 2СО₂ → SrC₂ + 4SrO). При нагреве до 300-400°С реагирует с водородом, образуя гидрид SrH₂, при нагреве с серой, селеном и теллуром - соответственно сульфид SrS, селенид SrSe и теллурид SrTe, с азотом - нитрид Sr₃N₂, с углеродом - карбид SrC₂, с газообразным аммиаком - амид Sr(NH₂)₂ и т.д. В расплавленном состоянии стронций образует однородные расплавы (растворы) со многими металлами, с кальцием и барием дает непрерывный ряд твердых растворов, образует интерметаллиды, например SrAl, SrAl₄, SrMg₂. Стронций растворяется в разбавленных кислотах с образованием солей и выделением водорода. Реакция стронция с концентрированной серной кислотой приводит к образованию SrSO₄, SO₂, H₂S и S, c концентрированной HNO₃ - Sr(NO₃)₂ и NO. При растворении стронция в жидком аммиаке может быть получен аддукт Sr(NH₃)₆. Хорошо растворимы в воде хлорид, бромид, иодид, ацетат и некоторые другие соли стронция, плохо растворимы сульфат, фторид, карбонат, оксалат, арсенит, хромат, иодат, фосфат, молибдат.

[править] Применение

Металлический стронций ограниченно используют в технике для раскисления меди и бронзы, в качестве легирующих добавок к сплавам Mg, Al, Pb, Ni и Сu, как геттер в электровакуумной технике. Более широко используют соединения стронция при изготовлении специальных оптических стекол, стекол для кинескопов электронных трубок, в пиротехнических составах (дают карминово-красное пламя), фосфоресцирующих составах, в производстве ферромагнитных и люминесцентных материалов, эмиссионных покрытий радиоламп и т. д. Соли стронция в том числе радиоактивного, применяют в терапии кожных болезней, соли жирных кислот - при изготовлении консистентных смазок.

Стронций чистотой 99,99—99,999 % применяется для восстановления урана. Магнитотвердые ферриты стронция — широкоупотребительные материалы для производства постоянный магнитов. Оксид стронция применяется в качестве компонента сверхпроводящих керамик. Фторид стронция используется в качестве компонента твердотельных фторионных аккумуляторных батарей с громадной энергоемкостью и энергоплотностью. Сплавы стронция с оловом и свинцом применяются для отливки токоотводов аккумуляторных батарей. Сплавы стронций-кадмий для анодов гальванических элементов.

Радиоактивный ⁹⁰Sr (период полураспада 28 лет) применяется в производстве радиоизотопных источников тока в виде титаната стронция (плотность 4,8 г/см³, а энерговыделение около 0,54 Вт/см³).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.

В пиротехнике применяются карбонат, нитрат, перхлорат стронция для окрашивания пламени в кирпично-красный цвет. Сплав магний-стронций обладает сильнейшими пирофорными свойствами и находит применение в пиротехнике для зажигательных и сигнальных составов.

[править] Биологическая роль

Стабильный стронций имеет незначительное значение в жизнедеятельности животных и растений, всегда присутствуя в них как неизменный спутник кальция частично замещая собой последний. Некоторые морские организмы аккумулируют стронций из морской воды (там его 0,013%). Известны радиолярии, скелет которых целиком состоит из сульфата стронция.

По данным различных исследований содержание стронция в организме среднего человека (массой 70 кг) составляет около 320 мг. Основными накопителями стронция в организме являются кости и зубы, в который он частично заменяет собой кальций. Повышенное содержание стронция приводит в первую очередь к поражению костной ткани (увеличивается хрупкость костей и быстро разрушаются зубы), а затем поражаются печень и кровь. Содержание стронция в мышечной ткани составляет примерно (0,12-0,35)*10⁻⁴% по массе, в крови - 0,031 мг/л. Ежедневный прием с пищей составляет около 0,8 - 5 мг. ПДК стронция в воде 8 мг/л, в воздухе для гидроксида, нитрата и оксида строниция 1мг/м3, для карбоната, сульфата и фосфата 6 мг/м3.

[править] Стронций-90

Стабильные изотопы стронция сами по себе малоопасны, но радиоактивные изотопы стронция представляют собой большую опасность для всего живого. Радиоактивный изотоп стронция стронций-90 по праву считается одним из наиболее страшных и опасных антропогенных радиационных загрязнителей. Связано это прежде всего с тем что он имеет весьма короткий период полураспада - 29 лет, что обуславливает очень высокий уровень его активности и мощное радиоционное излучение, а с другой стороны его способностью эффективно метаболизироваться и включаться в жизнедеятельность организма.

Стронций является почти полным химическим аналогом кальция, поэтому проникая в организм он откладывается во всех содержащих кальций тканях и жидкостях - в костях и зубах, обеспечивая эффективное радиационное поражения тканей организма изнутри. Стронций-90, а также образующийся при его распаде дочерний изотоп иттрий-90 (с периодом полураспада 64 часа, излучает бета-частицы) поражают костную ткань и, самое главное, особо чувствительный к действию радиации костный мозг. Под действием облучения в живом веществе происходят химические изменения. Нарушаются нормальная структура и функции клеток. Это приводит к серьезным нарушениям обмена веществ в тканях. А в итоге развитие смертельно опасных болезней – рака крови (лейкемия) и костей. Кроме того, излучение действует на молекулы ДНК и влияет на наследственность.

Стронций-90 легко передается по пищевым цепям биосферы, передавая заражение на большие расстояния. Так стронций-90, освободишвийся например в результате техногенной катострофы, попадает в виде пыли в воздух, заражая землю и воду, оседает в дыхательных путях людей и животных. Из земли он попадает в растения, продукты питания и молоко, а далее и в организм людей принявших зараженные продукты. Cтронций-90 не только поражает организм носителя, но и сообщает его потомкам высокий риск врожденных уродств и дозу через молоко кормящей матери.

Стронций-90 активно участвует в обмене веществ у растений. В растения стронций-90 попадает при загрязнении листьев и из почвы через корни.Особенно много стронция-90 накапливают бобовые, корне- и клубнеплоды и злаки. В организме человеке радиоактивный стронций избирательно накапливается в скелете, мягкие ткани задерживают менее 1% исходного количества. С возрастом отложение стронция-90 в скелете понижается, у мужчин он накапливается больше, чем у женщин, а в первые месяцы жизни ребенка отложение стронция-90 на порядок, а Sr на два порядка выше, чем у взрослого человека.

Совокупность свойств стронция-90 приводит его наряду с цезием-137 и радиоактивными изотопами иода в разряд самых опасных и страшных радиоктивных загрязнителей. Радиоактивный стронций может поступать в окружающую среду в результате ядерных испытаний и аварий на АЭС. При крупных ядерных испытаниях выход стронция-90 можед достигать 3,5%, а небольшие количества стронция-90, образующиеся в ядерных реакторах, из-за дефектов в оболочке твэла могут поступать в теплоноситель, а затем при его очистке попадать в жидкие и газообразные отходы.

При работах с радиоактивным стронцием (например в составе источников радиоактивных излучений) требуется большая осторожность. Для категории А допустимая концентрация стронция-90 в воздухе рабочей зоны составляет 4,4*10⁻² Бк/л, допустимое содержание в костях ДСа 7,4*10⁴ Бк, в легких 2,8*10⁴ Бк.

[править] Ссылки

• Стронций на Webelements
• Стронций в Популярной библиотеке химических элементов

Периодическая система элементов

H

He

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

Cs

Ba

*

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

Fr

Ra

**

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Uub

Uut

Uuq

Uup

Uuh

Uus

Uuo

*

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

**

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr