Стронций (original) (raw)

Стронций
← Рубидий | Иттрий →
38 Ca↑Sr↓Ba Периодическая система элементовПериодическая система элементов38Sr
Внешний вид простого вещества
Кристаллы стронция
Свойства атома
Название, символ, номер Стронций / Strontium (Sr), 38
Группа, период, блок 2 (устар. IIA), 5, s-элемент
Атомная масса (молярная масса) 87,62(1)[1] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация [Kr] 5s2 1s22s22p63s23p64s23d104p65s2
Радиус атома 215 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус 191 пм
Радиус иона (+2e) 112 пм
Электроотрицательность 0,95 (шкала Полинга)
Электродный потенциал −2,89[2]
Степени окисления 0, +2
Энергия ионизации (первый электрон) 549,0 (5,69) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.) 2,54 г/см³
Температура плавления 1042 К (768,85°С)
Температура кипения 1657 К (1383,85°С)
Мол. теплота плавления 9,20 кДж/моль
Мол. теплота испарения 144 кДж/моль
Молярная теплоёмкость 26,79[3] Дж/(K·моль)
Молярный объём 33,7 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки Кубическая гранецентрированая
Параметры решётки 6,080 Å
Температура Дебая 147[4] K
Прочие характеристики
Теплопроводность (300 K) (35,4) Вт/(м·К)
Номер CAS 7440-24-6

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.

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

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:

S r + 2 H 2 O → S r ( O H ) 2 + H 2 ↑ {\displaystyle {\mathsf {Sr+2H_{2}O\rightarrow Sr(OH)_{2}+H_{2}\uparrow }}} {\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:

5 S r + 2 C O 2 → S r C 2 + 4 S r O {\displaystyle {\mathsf {5Sr+2CO_{2}\rightarrow SrC_{2}+4SrO}}} {\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:

Основным промышленным способом получения металлического стронция является термическое восстановление его оксида алюминием. 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.

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).

  1. ↑ Meija J. et al. Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2016. — Vol. 88, no. 3. — P. 265—291. — doi:10.1515/pac-2015-0305. Архивировано 31 марта 2016 года.
  2. ↑ Greenwood and Earnshaw, p. 111
  3. ↑ Редкол.: Зефиров Н. С. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1995. — Т. 4. — С. 441. — 639 с. — 20 000 экз. — ISBN 5—85270—092—4.
  4. ↑ Стронций на Integral Scientist Modern Standard Periodic Table (неопр.). Дата обращения: 5 августа 2009. Архивировано 1 июня 2009 года.
  5. ↑ ГЕОХИ РАН - Игорь Викторович Пеков (неопр.). geokhi.ru. Дата обращения: 11 мая 2016. Архивировано 1 июня 2016 года.
  6. ↑ J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. I, 1965
  7. ↑ Рубидий — Свойства химических элементов (неопр.). Дата обращения: 20 сентября 2010. Архивировано 28 сентября 2012 года.
  8. ↑ А. М. Портнов. Забытый элемент стратегического значения (неопр.). Независимая газета (28 сентября 2011). Дата обращения: 25 апреля 2018. Архивировано 26 апреля 2018 года.
  9. ↑ К. В. Тарасов, О. М. Топчиева Особенности миграции и накопления стронция в гидротермальных метасоматитах Курильских островов (Кунашир, Кетой, Ушишир, Шиашкотан) Архивная копия от 25 января 2020 на Wayback Machine
  10. ↑ 1 2 Greenwood and Earnshaw, pp. 112-13
  11. ↑ 1 2 C. R. Hammond The elements (pp. 4-35) in Lide, D. R., ed. (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (86th ed.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5.
  12. ↑ Miyoshi, N.; Kamiura, K.; Oka, H.; Kita, A.; Kuwata, R.; Ikehara, D.; Wada, M. (2004). "The Barbier-Type Alkylation of Aldehydes with Alkyl Halides in the Presence of Metallic Strontium". Bulletin of the Chemical Society of Japan. 77 (2): 341. doi:10.1246/bcsj.77.341.
  13. ↑ Miyoshi, N.; Ikehara, D.; Kohno, T.; Matsui, A.; Wada, M. (2005). "The Chemistry of Alkylstrontium Halide Analogues: Barbier-type Alkylation of Imines with Alkyl Halides". Chemistry Letters. 34 (6): 760. doi:10.1246/cl.2005.760.
  14. ↑ Miyoshi, N.; Matsuo, T.; Wada, M. (2005). "The Chemistry of Alkylstrontium Halide Analogues, Part 2: Barbier-Type Dialkylation of Esters with Alkyl Halides". European Journal of Organic Chemistry. 2005 (20): 4253. doi:10.1002/ejoc.200500484.
  15. ↑ https://www.fujifilm.com/jp/en/news/hq/5822 Архивная копия от 16 августа 2022 на Wayback Machine Magnetic tapes using strontium ferrite (SrFe) particles
  16. ↑ 1 2 Mineral Resource of the Month: Strontium (неопр.). U.S. Geological Survey (8 декабря 2014). Дата обращения: 16 августа 2015. Архивировано 28 апреля 2021 года.
  17. ↑ [1]Архивная копия от 4 марта 2016 на Wayback Machine Журнал ABC — Стронция-89 хлорид — Стронция хлорид [89Sr]
  18. ↑ Диссертация на тему «Современная тактика системной радиотерапии хлоридом стронция-89 в комплексном лечении больных с метастатическим поражением костей.» автореферат по специал … (неопр.) Дата обращения: 16 сентября 2012. Архивировано 3 мая 2012 года.
  19. ↑ 1 2 Токсикологические данные стронция (неопр.). Дата обращения: 15 марта 2009. Архивировано из оригинала 5 мая 2009 года.
  20. ↑ ТР ЕАЭС 044/2017 Технический регламент Евразийского экономического союза "О безопасности упакованной питьевой воды, включая природную минеральную воду" - docs.cntd.ru (неопр.). docs.cntd.ru. Дата обращения: 27 декабря 2021. Архивировано 27 декабря 2021 года.
  21. ↑ Meija J. et al. Isotopic compositions of the elements 2013 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2016. — Vol. 88, no. 3. — P. 293—306. — doi:10.1515/pac-2015-0503.