(英文名称:Strontium)是一种 碱土金属 元素,元素符号Sr,原子序数38,相对原子质量87.62,在 元素周期表 第五周期ⅡA族。呈银白色,密度为2.64 g/cm³ ,具有良好的延展性、导电性与导热性 ,化学性质活泼,几乎能与所有 非金属元素 直接化合。锶化合物燃烧时发出红色火焰,用来制造焰火等。锶有4个 同位素 是稳定的,分别是⁸⁴Sr,⁸⁶Sr,⁸⁷Sr和⁸⁸Sr 。锶是碱土金属中丰度最小的元素,在自然界主要以化合态存在,主要的 矿石 有 天青石 (SrSO4)、菱锶矿(SrCO3) 。锶元素于1790年被爱尔兰科学家阿代尔·克劳福德(Adair Crawford)发现 ,可通过热还原法和 电解 熔融的氯化锶等方法制取锶,在工业、涂料、医药、地质等领域广泛应用 。
发现历史
1787年左右,在一个名为Strontian的地方的铅矿中发现一种矿物,1790年 爱尔兰 科学家阿代尔·克劳福德(A.Crawford)发现它是与 碳酸钡 不同的化合物,可能来自一种新的土质,就用地名命名为锶土。 英国 的 医学博士 T.C.Hope证实了Crawford的工作,并在1791年明确地区分了 、锶和钙的化合物。T.C.Hope还注意到锶盐类的 焰色反应 ,呈亮红色。 1793年, 格拉斯哥大学 化学 教授托马斯建议将这种新元素命名为Strontites,以纪念村庄Strontian为锶元素的发现所作出的贡献。他肯定了克劳福德早期的研究成果,后来他按照 碱土金属 命名的规则,将新元素的名字改为 Strontium (锶)。
1808年, 英国 化学家 汉弗里·戴维 (Humphry Davy)首先通过 电解 氯化锶 (SrCl₂)和 氧化汞 ( HgO )的 混合物 分离出了锶,他也成为第一个从矿物中分离锶金属的人。锶主要从 天青石 (SrSO₄)和 碳酸锶矿 (SrCO₃) 矿石 提取。通过用 盐酸 处理它们,形成氯化锶。氯化锶通常与 氯化钾 混合,然后被熔化和电解,形成锶和 氯 ( Cl₂ )。
分布情况
Sr是 碱土金属 元素中 丰度 值最小的元素,在 地壳 中的含量是0.02%-0.04% ,海洋中的丰度为7.9mg/L 。
锶为亲 氧 ,以化合物的形式主要存在于难溶的 碳酸盐 及 硬石膏 中,如 碳酸锶矿 (主要成分为SrCO₃)、 硫酸锶 矿(主要成分为SrSO₄),也存在于 天青石 、 白云石 、 石灰石 和 盐卤 中,天青石较碳酸锶矿多,它们主要产于英国,一般少量散布在其他碱土金属矿物中。几乎所有石灰石与白云石都含有微量锶(Sr)。古代含 ( Rb )矿物如 锂云母 多半含有⁸⁷Sr,它是放射性⁸⁷ Rb 的 蜕变 产物。 锶还在各种天然矿泉水以及人和动、植物体内与钙同时存在,痕量的 放射性同位素 锶90 ,散落在 核武器 爆炸后的污染物里。
锶属碱土分散元素,在 地壳 中不易富集成矿,世界上仅有少数国家发现具有工业价值的 锶矿 床 ,因此锶矿被划为稀有矿产,锶元素的分布及其不均衡,只有少数几个国家有值得开采的锶元素资源 , 天青石矿 的主要产地为中国、 西班牙 和 墨西哥 。 中国的锶矿储量居世界第一位,仅 青海 省柴达木盆地的特大锶矿,锶储量就占全国的80%,占全世界的50%,已探明的 天青石 矿床分布在青海、湖北、 江苏省 、 四川省 、 云南省 、新疆等地。
理化性质
物理性质
锶是正二价银白金属,其色泽为银白色,并且略带浅黄色光泽,锶的 物理性质 ,例如硬度和 熔点 ,介于同族的钙和钡之间。具有良好的 延展性 、导电性与导热性 ,锶的密度为2.64 g/cm³,在钙的密度与钡的密度之间。
化学性质
锶单质在空气中加热到熔点时立即燃烧, 焰色反应 的火焰呈红色,表面迅速变黄。在空气中变为淡黄,能产生使火焰和焰火组分染上绯红色的化合物。 :
锶单质与冷水反应放出 氢气 :
锶单质与 卤族元素 有极强的反应性,可燃烧生成二卤化物 氯化锶 、 溴化锶 和 碘化锶 。锶单质与溴的反应在约400 ℃下发生,与碘的反应在暗处发生 :
锶单质与氢气反应 :
锶盐与 草酸 反应 :
锶盐与 碳酸 反应 :
锶盐与 硫酸 反应 :
有机锶化合物的分子链之中,通常含有一个或更多的锶碳键,它们在Barbier反应中可以作为中间体而存在并发挥作用,这些化合物大部分都只能在低温制备。
同位素
锶有4个 同位素 是稳定的,分别是⁸⁴Sr,⁸⁶Sr,⁸⁷Sr和⁸⁸Sr。最重的⁸⁸Sr质量占比为82.6% 。由于长寿命的放射性⁸⁷ Rb 的β衰变会影响其 原子 丰度 ,所以⁸⁷Sr在天然锶中的占比会在一定范围内变化。除了这四种常见同位素, 电子 捕获或 正电子 发射是同位素⁸⁵Sr的主要 衰变 模式,⁸⁵Sr的主要产物为铷同位素。另外两种同位素是最受关注的同位素⁸⁹Sr和⁹ºSr,前者的 半衰期 为50.6天,由于锶和钙的有着相似的 化学性质 ,它在治疗骨癌方面有着极大的作用,可以取代 钙元素 。
虽然⁹ºSr在 化学 领域,与⁸⁹Sr有着类似的应用,但这种 同位素 主要被用于生产裂变产物,即 核武器 的制造与裂变反应堆的应用。另外,⁹ºSr如果进入骨骼中的,可引起骨癌以及邻近组织的癌症和 白血病 。在 切尔诺贝利核事故 中,各种放射性 核素 污染面积约为30000平方公里,其中仅5%的⁹ºSr就造成了超过了10 kBq/ 平方米 的污染。
另外还有29种人造 放射性同位素 质量数 为73~83、85、89~105;还有6个同质异能素,其中质量数为83、85、86、87者,各有一个同质异能素,⁹⁷Sr具有两个同质异能素。
制备方法
真空铝热还原法
真空铝热还原法是利用了锶元素在高温时蒸气压较高的特性,用 铝粉 作 还原剂 ,在高温下制取锶 单质 的方法,主要原料为 碳酸锶 与铝粉。该工艺首先将碳酸锶和碳一起真空煅烧生成 氧化锶 ,将SrO研磨后加入铝粉,在真空共同加热,得到熔融状态的Sr,反应方程式如下所示 :
如果操作在真空中进行,Sr蒸气将凝聚在仪器的较冷部位,促使反应向右进行。
真空铝热法
该法主要原料为碳酸锶和硅,煅烧碳酸锶得到氧化锶,再与破碎的 硅铁 和 氟化钙 一起球磨、压片后进行真空热还原,得到结晶锶,该方法制备的金属锶纯度可以达到99%,反应方程式如下所示 :
熔盐电解法
熔盐 电解 法制备金属锶的原料主要是 无水氯化锶 ,以无水氯化锶为原料,用熔盐电解法制备金属锶主要有接触 阴极 法和液态阴极法两种方法,以 石墨 为 阳极 ,以钢棒或液态金属(或液态金属合金)为阴极进行电解反应,得到金属锶或锶合金,锶合金经 真空蒸馏 得到纯金属锶。
真空碳化钙热还原法
该法主要原料为 碳酸锶 与 碳化钙 ,煅烧碳酸锶得到 氧化锶 ,再与破碳化钙一起球磨、压片后进行真空热还原,得到结晶锶,反应方程式如下所示 :
应用领域
工业领域
金属锶用作陶瓷与玻璃工业的特殊材料,也可制造 光电管 ;又可制作特殊合金,还是难熔金属的 还原剂 ,也能清除钢铁中的杂质和有害气体。
锶是铝、镁等合金的优良 变质剂 和 晶粒细化剂 ,具有细化、变质、除气除杂的作用,改善合金的综合力学性能。
涂料领域
铬酸锶 在涂料领域被广泛使用。在油漆中加入铬酸锶得到的防护层可以有效的保护铝不受腐蚀,常用于飞机和汽车;在陶瓷领域,锶釉取代铅釉也有着不错的效果。锶釉除了具有烧成范围宽、烧成温度低和可形成光泽釉表面的特点外,耐磨性能也很好。但锶釉在与 铬锡红 共用时,釉内必须添加一定的 氧化钙 ,以稳定色调质量。
医药领域
雷尼酸锶 含有一个雷尼酸根与两个锶离子,其中不参与人体代谢的雷尼酸,是以 柠檬酸 为起始原料人工合成的 有机酸 。雷尼酸锶既可以维持正常的骨形成量,又能抑制骨吸收,具有 焦磷酸盐 类骨吸收抑制剂所不具备的优点。
药物雷奈酸锶是一种包含雷纳酸的锶盐,其被广泛用于 骨质疏松症 的防治,作用机理是帮助骨骼吸收更多的 钙元素 。雷奈酸锶具有双重 药理学 作用,一方面能增加 胶原蛋白 与非胶原蛋白的合成,促进骨形成,另一方面可以抑制骨吸收。 除此之外,锶还可以与中药成分有效结合来治疗骨质疏松。
地质领域
对于 地球化学 性质,Sr的 同位素 有着特殊的地位,地质学家可以利用古代生物壳体和 碳酸盐岩 中Sr的同位素,来推演和组成重建古盐度,这种方法可以弥补其它地球化学研究方法的不足。由于在自然界中, Rb 的 衰变 可以形成Sr元素,所以Sr在 地壳 中的 丰度 是连续变化的,在地球化学领域中,地质学家应用变化的Sr丰度值,用⁸⁷Sr/⁸⁶Sr的比值来研究不同的地质过程。
海洋中Sr的同位素比例,是极具有研究价值的地球化学示踪指标。自1980年以来,在推导全球海洋环境演变研究中,Sr 同位素 发挥了极其重要作用。珊瑚骨骼、 有孔虫 等生物沉积的 碳酸根 物质很好的记录了当时Sr元素的同位素比例,而且在这些生物体内,Sr是高度富集的,因而它们是探测海水Sr同位素组成的理想研究对象。在 南海 珊瑚的碳酸盐壳中,Sr同位素组成表现出了与其同类在开放大洋不同的变化特征,反映出周边大陆物质输入对 南海 海水Sr同位素的组成具有重要的影响。
其他领域
锶可用于制造 焰火 、闪光灯;⁹ºSr是一种 核辐射 尘埃,潜在用途是用作轻核发电的原料;还可用于生产彩色电视 显像管 的 玻璃 材料。
安全事宜
健康影响
锶盐本身无毒,其安全性与钙的摄入量有关,锶的剂量低于175 µ 摩尔 /d对大鼠骨中钙含量和钙代谢无毒性作用,适宜的锶摄入可以促进钙的吸收从而有益于骨骼健康,但过量的锶摄入尤其同时伴随钙摄入较低时,锶会减少骨钙浓度而对骨骼健康产生不利影响,甚至增加 佝偻病 的发生风险。过量的锶负荷尤其是伴随低钙摄入时对骨骼健康是有风险的,特别是对儿童和肾功能衰弱的人群(如肾透析者、高龄者)。
人体主要通过食物摄取的方式摄取锶,吸收后通过尿液排出体外。锶主要在 小肠 中被吸收,锶的吸收机制为 主动运输 和被动扩散两种方式。除了通过肠道吸收外,锶元素还可通过 呼吸道 及皮肤进入人体。自来水中含锶量一般比较低,但是矿泉水的锶含量比较高,锶含量在0.20-0.40 mg/L时为天然饮用矿泉水。另外, 绿叶菜 类中锶含量较高,而 蛋白质 类 ,例如肉 蛋奶 中锶含量类较低。由于饮食习惯不同,部分人群可能会有锶摄入量不足的问题,这些人可通过改变饮食习惯来达到摄入足够量的锶。
长期以来学者们认为,如果人摄取过量的锶,则会导致人体内产生缺钙的现象,在人体中,锶可以代替骨骼中的钙,而游离的锶致病性比游离的钙要更强一些,因此锶元素对人体的健康有一定的潜在威胁。另外,当人体内锶过量时, 消化道 就会有轻微的反应,比如 胃痛 , 消化不良 等。锶过量也可引起骨骼生长发育过快,具体表现为关节粗大、疼痛,严重时会影响骨骼的强度,甚至影响青少年的生长发育。