Стронций

Новый элемент обнаружили в минерале стронцианите, найденном в 1764 году в свинцовом руднике близ шотландской деревни Стронти́ан (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.

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)₂4H₂O — сантафеит;
• Sr₅(PO₄)₃OH — беловит;
• SrV(Si₂O₇) — харадаит;
• SrB₂Si₂O₈ — пековит^[5].

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)^[6].

Известны месторождения в Калифорнии, Аризоне (США); Новой Гранаде; Турции, Иране, Китае, Мексике, Канаде, Малави^[7].

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^[8][9].

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.

Стронций в своих соединениях всегда проявляет степень окисления +2. По свойствам стронций близок к кальцию и барию, занимая промежуточное положение между ними^[10].

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 (H₂SO₄, HNO₃) реагирует слабо.

Металлический стронций быстро окисляется на воздухе^[11], 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:

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

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, 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^[11]. 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^[10].

Органические соединения стронция содержат одну или несколько связей стронций-углерод. Они были описаны как промежуточные звенья в реакциях типа Барбье^[12][13][14].

Ионы стронция образуют устойчивые соединения с краун-эфирами.

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.

${\displaystyle {\mathsf {3SrO+2Al\rightarrow 3Sr+Al_{2}O_{3}}}}$

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.

Основные области применения стронция и его химических соединений — это радиоэлектронная промышленность, пиротехника, металлургия, пищевая промышленность.

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.

Стронций чистотой 99,99—99,999 % применяется для восстановления урана.

• 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^[15].

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.

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.

Оксид стронция применяется в качестве компонента сверхпроводящих керамик.

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^[16]. С заменой электронно-лучевых трубок другими методами отображения потребление стронция резко сократилось^[16].

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.

Изотоп с атомной массой 89, имеющий период полураспада 50,55 суток, применяется (в виде хлорида) в качестве противоопухолевого средства^[17][18].

Не следует путать действие на организм человека природного стронция (не радиоактивного, малотоксичного и более того, широко используемого для лечения остеопороза) и радиоактивных изотопов стронция^[19].

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)^[20], а в США — 4 мг/л^[19]);
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.

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) %)^[21]. 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.

Изотоп стронция ⁹⁰Sr является радиоактивным с периодом полураспада 28,78 года. 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.

⁹⁰Sr 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 ⁹⁰Se → ⁹⁰Br → ⁹⁰Kr → ⁹⁰Rb → ⁹⁰Sr), 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).