Стронций

Стронций — это химический элемент 2-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы второй группы) пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 38. Обозначается символом Sr (от лат. Strontium). Простое вещество стронций представляет собой мягкий, ковкий и тягучий щелочноземельный металл серебристо-белого цвета. Обладает высокой химической активностью, на воздухе быстро окисляется, покрываясь жёлтой оксидной плёнкой, и реагирует с водой.

История открытия

Стронций был открыт в 1787 году в окрестностях шотландской деревни Стронтиан (Strontian), в свинцовом руднике. Минерал, найденный там, первоначально приняли за карбонат бария, однако шотландский химик и врач Адэр Кроуфорд (Adair Crawford) в 1790 году установил, что это новое минеральное образование, содержащее неизвестную «землю» (оксид). Он назвал её стронцианом (strontia).

В 1791 году Томас Чарльз Хоуп (Thomas Charles Hope) провёл серию экспериментов, подтвердив, что стронциан — это оксид нового элемента, и отчётливо описал различия между ним и баритом (оксидом бария). В 1808 году английский химик Хамфри Дэви (Humphry Davy) впервые получил металлический стронций в чистом виде методом электролиза его влажного гидроксида или хлорида. В 1855 году немецкий химик Роберт Бунзен (Robert Bunsen) разработал более эффективный метод получения стронция электролизом расплава хлорида стронция.

Нахождение в природе

Стронций относится к достаточно распространённым элементам. Его кларк (среднее содержание в земной коре) составляет около 0,034 % по массе. В свободном виде в природе не встречается из-за высокой химической активности. Входит в состав более 40 минералов, основными из которых являются:

• Целестин (SrSO₄) — сульфат стронция, основной промышленный минерал.
• Стронцианит (SrCO₃) — карбонат стронция.

Крупные месторождения целестина известны в России (Волгоградская область, Республика Коми), Таджикистане, Испании, Мексике, Турции, Иране. Стронцианит встречается реже, его промышленные скопления есть в Германии, России (Якутия) и Китае.

Стронций также присутствует в морской воде (в виде сульфата) и в организмах живых существ. В костях и зубах человека и животных он может замещать кальций, накапливаясь в скелете.

Физические свойства

Стронций — серебристо-белый металл, мягкий и пластичный. Он легче алюминия (плотность 2,63 г/см³ при 20 °C). Температура плавления — 777 °C, температура кипения — 1382 °C. По электропроводности стронций уступает меди, но является хорошим проводником. Обладает парамагнитными свойствами.

Химические свойства

Стронций — типичный щелочноземельный металл, второй по активности после бария. Он быстро реагирует с кислородом и влагой воздуха, поэтому хранится под слоем керосина или вазелинового масла. При нагревании на воздухе воспламеняется, сгорая ярким карминово-красным пламенем с образованием оксида стронция (SrO) и небольшого количества нитрида (Sr₃N₂).

Активно взаимодействует с водой с выделением водорода и образованием гидроксида стронция (Sr(OH)₂). Реакция идёт менее бурно, чем у калия, но более энергично, чем у кальция. Легко растворяется в кислотах, образуя соли. С галогенами реагирует при комнатной температуре, с серой, фосфором и углеродом — при нагревании.

Изотопы

В природе стронций представлен четырьмя стабильными изотопами: ⁸⁴Sr (0,56 %), ⁸⁶Sr (9,86 %), ⁸⁷Sr (7,0 %) и ⁸⁸Sr (82,58 %). Наибольший интерес представляет радиоактивный изотоп стронций-90 (⁹⁰Sr) — продукт деления урана и плутония в ядерных реакторах и при ядерных взрывах. Период его полураспада составляет 28,8 года. ⁹⁰Sr является одним из наиболее опасных радионуклидов, так как химически близок к кальцию и накапливается в костной ткани, вызывая поражение костного мозга и развитие онкологических заболеваний.

Получение

Промышленное получение стронция основано на переработке минерала целестина. Процесс включает несколько стадий:

1. Обогащение руды (флотация, гравитация).
2. Восстановление сульфата стронция до карбоната (SrCO₃) путём обработки концентрированным раствором соды (Na₂CO₃) или спеканием с углём.
3. Разложение карбоната стронция при нагревании до оксида стронция (SrO) с выделением углекислого газа.
4. Восстановление оксида стронция до металла. Обычно используется алюминотермический метод: смесь оксида стронция и алюминиевого порошка нагревают в вакууме при 1100–1200 °C. Металлический стронций возгоняется и конденсируется на холодных стенках аппарата. Полученный металл имеет чистоту 98–99 %. Для получения более чистого стронция применяют вакуумную дистилляцию или зонную плавку.

Применение

Пиротехника

Наиболее известное применение стронция — в пиротехнических составах. Соли стронция (нитрат, хлорат, карбонат) при горении окрашивают пламя в яркий карминово-красный цвет. Это свойство используется в производстве сигнальных ракет, фейерверков, бенгальских огней и трассирующих пуль.

Металлургия

Стронций применяется как модификатор для улучшения свойств чугуна и алюминиевых сплавов. Добавка стронция (в виде лигатур) в алюминиево-кремниевые сплавы (силумины) изменяет форму кристаллов кремния, повышая прочность и пластичность сплава. В чугунолитейном производстве стронций способствует получению чугуна с шаровидным графитом.

Электроника и оптика

• Ферриты стронция (SrFe₁₂O₁₉) — широко используются для производства постоянных магнитов (в динамиках, электродвигателях, магнитных сепараторах). Они дешевле и устойчивее к размагничиванию, чем ферриты бария.
• Титанат стронция (SrTiO₃) — синтетический кристалл с очень высокой диэлектрической проницаемостью, используется в конденсаторах, варисторах и как подложка для высокотемпературных сверхпроводников. Также применяется как имитатор алмаза (фианит).
• Фторид стронция (SrF₂) — оптический материал, прозрачный в широком диапазоне длин волн (от ультрафиолета до инфракрасного), используется в линзах и призмах для спектроскопии.

Ядерная энергетика и медицина

• Стронций-90 используется в радиоизотопных источниках тока (РИТЭГах) для питания удалённых автоматических метеостанций, навигационных буёв и космических аппаратов. Тепло, выделяемое при распаде ⁹⁰Sr, преобразуется в электроэнергию.
• В медицине ⁹⁰Sr применяется в лучевой терапии для лечения некоторых кожных и глазных заболеваний (например, птеригиума, келоидных рубцов). Также используется в радиоизотопных дефектоскопах и толщиномерах.

Стекольная промышленность

Оксид стронция (SrO) добавляют в состав оптического стекла, хрусталя и специальных сортов стекла (например, для кинескопов цветных телевизоров). Он улучшает прозрачность, увеличивает показатель преломления и поглощает рентгеновское излучение, что важно для защиты от вредного излучения в электронно-лучевых трубках.

Биологическая роль и токсичность

Стронций не является жизненно необходимым элементом для человека и животных. Его избыток в организме, особенно в сочетании с дефицитом кальция, может вызывать «стронциевый рахит» (уровскую болезнь) — заболевание, при котором нарушается минерализация костей, они становятся хрупкими и деформируются. Это заболевание эндемично для некоторых регионов Восточной Сибири и Китая, где в почве и воде повышено содержание стронция.

Радиоактивный стронций-90 представляет серьёзную опасность. Попадая в организм с пищей или водой, он, как аналог кальция, встраивается в костную ткань. Внутреннее облучение костного мозга может привести к лейкозам и раку костей. Поэтому ⁹⁰Sr является одним из основных загрязнителей окружающей среды при ядерных авариях (например, Чернобыльская авария) и испытаниях ядерного оружия.

Интересные факты

• Название элемента происходит от шотландской деревни Стронтиан, где он был впервые обнаружен.
• Карминово-красный цвет пламени солей стронция используется в фейерверках с XVIII века.
• В 2000-х годах в России и Китае были разработаны технологии получения высокочистого стронция для нужд квантовой электроники и сверхпроводниковых устройств.
• Стронций-90, наряду с цезием-137, является одним из основных долгоживущих продуктов деления, определяющих долгосрочную радиоактивную опасность отработанного ядерного топлива.

Источники

1. Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1995. — Т. 4.
2. Популярная библиотека химических элементов. Книга вторая. — М.: Наука, 1983.
3. Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов: в 2 т. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
4. Реми Г. Курс неорганической химии. — М.: Издательство иностранной литературы, 1963. — Т. 1.
5. Справочник по редким металлам / Под ред. В. Е. Плющева. — М.: Мир, 1965.