(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⁸⁷Rb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。锶与
氧气和
氮气发生反应的化学反应式如下:
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:
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⁸⁷Rb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。