Стронций в чистом виде. Нахождение в природе
Номер атома 38 с массой 87,62. В природе встречается в стабильном состоянии в виде 4-х изотопов: 84, 86, 87, 88. Самый распространенный в природе 88. В связи с распадом природного рубидия 87 точное количество стронция с течением времени меняется. Человеком были получены радиоактивные атомы с номерами 80-97.
Причем из урана получен самый часто применяемый изотоп – Стронций 90 . История открытия элемента уходит в далекие 90-е годы восемнадцатого века. Еще в 1787 году стронций был впервые выделен из минерала стронцианита близ деревни Стронциана в Шотландии.
Первые изучения провели ученые-химики Адер Кроуфорд и Мартин Генрих Клапот. В России исследования стронциановой земли проводил Тобиаш Ловиц. Отличительной характеристикой стало горение ярко-красным пламенем.
Описание и свойства стронция
Стронций формула – Sr. Представляет собой полиморфный металл белой окраски с серебристым отливом. В связи с быстрой реакцией в чистом виде с кислородом воздуха приобретает оксидную пленку с желтым оттенком. Стронций металл очень мягкий и легко поддается ковке.
Представлен в трех модификациях: кубическая гранецентрированная кристаллическая решетка – до 231 °С, гексагональная – от 231 до 623 °С, кубическая объемоцентрированная – при температуре выше 623 °С. Атом стронция имеет строение внешней электронной оболочки 5s2. В реакциях окисляется и принимает форму +2, иногда + 1. Строение атома стронция : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 5s2
Основные физические показатели:
Атомный объем – 34 см 3 /г×атом;
Радиус атома – 2,15 А;
Плотность – 2,63 г/см 3 при 20 °С;
Тпл. = 770 °С;
Ткип. = 1380 °С;
Уд. тепл-сть 0,176 кал/г×град при 20 °С;
Давление пара 10-3 мм ртутного столба при 462 °С, 1 мм ртутного столба 733 °С и 100 мм ртутного столба при 1092 °С;
Поверхностное натяжение 165 дин/см;
Твердость по Бринеллю 13 кГ/мм2;
Химическая характеристика стронция . По реакционной способности стронций близок к своим братьям о группе барию и кальцию. При обычных условиях быстро взаимодействует с кислородом атмосферного воздуха. Образуется оксид стронция SrO и SrO 2 с желтоватым оттенком.
Как и все щелочноземельные металлы реагирует с водой – образуется гидроксид стронция . Очень активно проходит взаимодействие с галогенами — образуются галогениды. Порошкообразная форма металла очень быстро воспламеняется даже при комнатной температуре и атмосферном давлении.
Особо важными при этом являются йодид и хлорид стронция . При нагревании активно соединяется с углекислым газом, образуется карбонат и гидрокарбонат. В газовой фазе при добавлении водорода образуется гидрид SrH 2 . Наиболее распространены также следующие соединения: карбид – соединения на основе углерода (SrC 2), амид – с аммиаком в газообразном состоянии (Sr(NH 2) 2), сульфид – с серой (SrS), селенид – с селеном (SrSe) и некоторые другие.
Стронций в расплавленном состоянии легко смешивается с такими металлами, как алюминий, железо, барий, и другие. Происходит гомогенезация расплава с получением интерметаллидов. Стронций легко реагирует с разбавленными кислотами. Огромное количество разнообразных солей получается в реакциях с органическими и минеральными кислотами.
Однако проявляя высокую реакционную способность со слабыми кислотами, с концентрированными, напротив, активности не проявляет. Поэтому сульфаты, нитраты, нитриты и другие соли стронция получают в реакции с разбавленными кислотами. Основная масса солей окрашены в белый цвет с различной степенью растворимости в воде (на основе минеральных кислот, как правило, растворяются лучше).
Характеристика стронция как радиоактивного элемента. Радиоактивный изотоп получают в ядерных реакторах в течение β — -распада рубидия 90, после чего стронций проходит стадию β — -распада с получением нуклида иттрия 90. Период полураспада стронция равен 28,79 лет.
Месторождения и добыча стронция
Стронций широко распространен в природе. Элемент в виде руд залегает в земной коре. В мировом океане находится более 24% общего запаса элемента. Природные запасы существует только в связанном состоянии и представляют собой минералы, общее количество которых насчитывает не менее 40. В земле стран СНГ, Западной Европы, Северной Америке, преимущественно в Канаде, найдены самые большие залежи руды: стронцианита — стронция карбонат и — стронция сульфат .
Промышленные способы получения металла основаны на обработке минеральных руд различными соединениями. После чего осуществляют термическое разложение соединений, либо электролитическое воздействие. Однако в результате подобных реакций образуется порошкообразная форма металла, которая очень легко воспламеняется, либо выход элемента очень низок и получают с примесями. Поэтому в настоящее время вышеописанные методы не используются.
Наиболее популярным остается восстановление оксида стронция с добавлением металлического алюминия и кремневого песка. Реакция проходит в вакуумной трубке, выполненной из стали при очень высоких температурах выше 1 000 °С. Очистку элемента осуществляют перегонкой также под вакуумом. Для атомной энергетики чрезвычайно важно получение радиоактивных изотопов.
Их получают в реакторах в течение полураспада Урана 235. Изотоп Sr 89 (полураспад стронция 50,5 суток) образуется после распада с выделением огромного количества энергии из стабильного изотопа. Стронций является незаменимой частью животного и растительного мира. Многие организмы накапливают элемент в себе совместно с кальцием и фосфором.
Применение стронция
В виде металла используют в качестве легирующего агента. Добавляет ковкость и пластичность. В смеси с барием и кальцием взрывоопасен. Является частью термитных смесей.
Использование соединений стронция:
SrO — часть оксидных катодов, пиротехнических смесей.
SrCO 3 — получают специальные покрытия – химическистабильные и термическистойкие глазури.
Sr(NO 3) 2 – компонент пиротехнических веществ для сигнальных ракет.
SrSO 4 – наполнитель для красок и резины.
SrCrO 4 — компонент лаков и грунтовок в авиастроении.
SrTiO 3 – материал производства диэлектрических антенн, проводников и датчиков.
SrF 2 — используют при производстве специализированных .
SrCl 2 – компонент пиротехнических составов, косметических средств и медицинских препаратов.
SrS используют в производстве добавок при изготовлении кожи.
90 Стронций 137 цезий используют как компонент радиоактивного топлива.
Самое полезное вещество на основе органических соединений — стронция ранелат — стимулятор роста костной ткани. Данным препаратом проводят лечение остеопороза.
Цена стронция
Металлический стронций чаще всего продают в виде соединений. Цены на соединения стронция варьируется в широких пределах: Нитрат – 3,8 USD, Хлорид – 500-800 рублей, Ранелат в виде препаратов от 1500 до 2500 рублей.
СТРОНЦИЙ (Strontium), Sr (а. strontium; н. Strontium; ф. strontium; и. estroncio), — химический элемент II группы периодической системы Менделеева , атомный номер 38, атомная масса 87,62, относится к щёлочноземельным металлам.
Свойства стронция
Природный стронций состоит из 4 стабильных изотопов; 84 Sr (0,56%), 86 Sr (9,84%), 87 Sr (7,0%) и 88 Sr (82,6%); известно свыше 20 искусственных радиоактивных изотопов стронция с массовыми числами от 77 до 99, из которых наиболее важное значение имеет 90 Sr (ТЅ 29 лет), образующийся при делении урана . Стронций открыт в 1790 шотландским учёным А. Крофордом в виде оксида.
В свободном состоянии стронций — мягкий золотисто-жёлтый металл. При t ниже 248°С для него характерна гранецентрированная кубическая решётка (а-Sr с периодом а=0,60848 нм), в интервале 248-577°С — гексагональная (b-Sr с периодами а=0,432 нм, с=0,706 нм); при более высокой температуре переходит в объёмноцентрированную кубическую модификацию (g-Sr с периодом а=0,485 нм). Плотность а-Sr 2540 кг/м 3 ; t плавления 768°С, t кипения 1381°С; молярная теплоёмкость 26,75 Дж/(моль.К); удельное электрическое сопротивление 20,0.10 -4 (Ом.м), температурный коэффициент линейного расширения 20,6.10 -6 К -1 . Стронций парамагнитен, атомная магнитная восприимчивость при комнатной температуре 91,2.10 -6 . Пластичен, мягок, легко режется ножом.
Стронций по химическим свойствам сходен с Ca и Ba. В соединениях имеет степень окисления +2. Быстро окисляется на воздухе, при комнатной температуре взаимодействует с водой , при повышенной — с водородом , азотом , фосфором , серой и галогенами.
Среднее содержание стронция в земной коре 3,4.10 -2 % (по массе). Магматические средние горные породы содержат несколько больше стронция (8,0.10 -2 %), чем (4,5.10 -2 %), (4,4.10 -2 %), (3.10 -2 %) и (1.10 -3 %) горные породы . Известно около 30 минералов стронция, важнейшими из которых являются целестин SrSO 4 и стронцианит SrCO 3 ; помимо этого практически всегда присутствует в минералах кальция , калия и бария , входя в виде изоморфной примеси в их кристаллической решётке. Поскольку из 4 природных изотопов стронция один (87 Sr) постоянно накапливается в результате Я-распада 87 Rb, изотопный состав стронция (отношение 87 Sr/ 86 Sr) используется в геохимических исследованиях для установления генетических взаимоотношений между различными комплексами пород, а также для определения их радиометрического возраста (при условии одновременного определения содержания рубидия в исследуемых объектах). Радиоактивный 90 Sr служит загрязнения окружающей среды (до прекращения атмосферных ядерных испытаний был одним из главных факторов радиоактивного загрязнения).
Применение и использование
Основное сырьё для получения стронция — целестиновые и стронцианитовые руды . Металлический стронций получают алюмотермическим восстановлением оксида стронция в вакууме. Применяют при изготовлении алюминиевых сплавов и некоторых сталей, электровакуумных приборов и некоторых оптических стёкол. Соли стронция, окрашивающие пламя в интенсивный красный цвет, используются в пиротехнике. 90 Sr применяют в медицине как источник ионизирующего излучения.
Стронций (Sr) - химический элемент, щелочноземельный металл 2-й группы периодической таблицы. Используется в красных сигнальных огнях и люминофорах, представляет основную угрозу здоровью при радиоактивном заражении.
История открытия
Минерал из свинцового рудника близ деревни Стронтиан в Шотландии. Первоначально он был распознан, как разновидность карбоната бария, но Адэр Кроуфорд и Уильям Крюйкшэнк в 1789 году предположили, что это другое вещество. Химик Томас Чарльз Хоуп назвал новый минерал стронтитом по имени деревни, а соответствующий оксид стронция SrO - стронцией. Металл был выделен в 1808 г. сэром Хэмфри Дэви, который подверг электролизу смесь влажного гидроксида или хлорида с оксидом ртути, используя ртутный катод, а затем из полученной амальгамы испарил ртуть. Новый элемент он назвал, воспользовавшись корнем слова «стронция».
Нахождение в природе
Относительная распространенность стронция, тридцать восьмого элемента таблицы Менделеева, в космосе оценивается, как 18,9 атомов на каждые 10 6 атомов кремния. Он составляет около 0,04% массы земной коры. Средняя концентрация элемента в морской воде равна 8 мг/л.
Химический элемент стронций широко встречается в природе, и, по оценкам специалистов, является 15-м наиболее распространенным веществом на Земле, достигая концентрации 360 частей на миллион. Учитывая его экстремальную реактивность, существует только в форме соединений. Его главными минералами являются целестин (сульфат SrSO 4) и стронцианит (карбонат SrCO 3). Из них в достаточных для рентабельной добычи количествах встречается целестит, более 2/3 мирового предложения которого поступает из Китая, а Испания и Мексика поставляют большую часть остатка. Однако выгоднее добывать стронцианит, потому что стронций чаще используется в карбонатной форме, но известных его месторождений относительно мало.
Свойства
Стронций является мягким металлом, подобным свинцу, который в месте разреза блестит как серебро. На воздухе он быстро вступает в реакцию с кислородом и присутствующей в атмосфере влагой, приобретая желтоватый оттенок. Поэтому хранить его нужно в изоляции от воздушных масс. Чаще всего его хранят в керосине. В свободном состоянии в природе не встречается. Сопутствуя кальцию, стронций входит в состав только 2 основных руд: целестина (SrSO 4) и стронцианита (SrCO 3).
В ряду химических элементов магний-кальций-стронций (щелочноземельных металлов) Sr находится в группе 2 (бывшей 2А) периодической таблицы между Ca и Ba. Кроме того, он расположен в 5-м периоде между рубидием и иттрием. Поскольку атомный радиус стронция аналогичен радиусу кальция, он легко заменяет последний в минералах. Но он мягче и более реактивный в воде. При контакте с ней образует гидроксид и газообразный водород. Известны 3 аллотропа стронция с точками перехода 235°C и 540°C.
Щелочноземельный металл обычно не реагирует с азотом ниже 380°С и при комнатной температуре образует только оксид. Однако в виде порошка стронций самопроизвольно воспламеняется с образованием оксида и нитрида.
Химические и физические свойства
Характеристика химического элемента стронция по плану:
- Название, символ, атомный номер: стронций, Sr, 38.
- Группа, период, блок: 2, 5, s.
- Атомная масса: 87,62 г/моль.
- Электронная конфигурация: 5s 2 .
- Распределение электронов по оболочкам: 2, 8, 18, 8, 2.
- Плотность: 2,64 г/см 3 .
- Температуры плавления и кипения: 777 °C, 1382°C.
- Степень окисления: 2.
Изотопы
Естественный стронций представляет собой смесь 4-х стабильных изотопов: 88 Sr (82,6%), 86 Sr (9,9%), 87 Sr (7,0%) и 84 Sr (0,56%). Из них только 87 Sr является радиогенным - он образуется при распаде радиоактивного изотопа рубидия 87 Rb с периодом полураспада 4,88 × 10 10 лет. Считается, что 87 Sr продуцировался во время «первичного нуклеосинтеза» (ранней стадии Большого взрыва) наряду с изотопами 84 Sr, 86 Sr и 88 Sr. В зависимости от местоположения, соотношение 87 Sr и 86 Sr могут отличаться более чем в 5 раз. Это используется в датировании геологических проб и в определении происхождения скелетов и глиняных артефактов.
В результате ядерных реакций были получены около 16 синтетических радиоактивных изотопов стронция, из которых наиболее долговечным является 90 Sr (период полураспада 28,9 года). Этот изотоп, образующийся при ядерном взрыве, считается наиболее опасным продуктом распада. Из-за его химического сходства с кальцием он усваивается в костях и зубах, где продолжает выталкивать электроны, вызывая радиационное поражение, повреждая костный мозг, нарушая процесс образования новых клеток крови и вызывая рак.
Однако в контролируемых медиками условиях стронций используется для лечения некоторых поверхностных злокачественных новообразований и рака костной ткани. Он также применяется в форме фторида стронция в и в радиоизотопных термоэлектрических генераторах, в которых тепло его радиоактивного распада преобразуется в электричество, служащих долгоживущими, легкими источниками энергии в навигационных буях, удаленных метеостанциях и космических аппаратах.
89 Sr используется для лечения рака, поскольку атакует костные ткани, производит бета-облучение и через несколько месяцев распадается (период полураспада 51 день).
Химический элемент стронций не является необходимым для высших форм жизни, его соли обычно нетоксичны. То, что делает 90 Sr опасным, используется для увеличения плотности костей и их роста.
Соединения
Свойства химического элемента стронция очень похожи на В соединениях Sr имеет исключительное состояние окисления +2 в виде иона Sr 2+ . Металл является активным восстановителем и легко реагирует с галогенами, кислородом и серой с получением галогенидов, окиси и сульфида.
Соединения стронция имеют довольно ограниченную коммерческую ценность, поскольку соответствующие соединения кальция и бария, как правило, выполняют то же, но более дешевы. Однако некоторые из них нашли применение в промышленности. Пока еще не придумали, с помощью каких веществ добиться малинового цвета в фейерверках и сигнальных огнях. В настоящее время с целью получения этого цвета используются лишь соли стронция, такие как нитрат Sr(NO 3) 2 и хлорат Sr(ClO 3) 2 . Около 5-10% всего производства данного химического элемента потребляет пиротехника. Гидроксид стронция Sr(OH) 2 иногда используется для извлечения сахара из мелассы, потому что он образует растворимый сахарид, из которого сахар может быть легко регенерирован под действием двуокиси углерода. Моносульфид SrS применяется как депилятор и ингредиент в люминофорах электролюминесцентных устройств и светящихся красок.
Ферриты стронция образуют семейство соединений с общей формулой SrFe х O у, получаемых в результате высокотемпературной (1000-1300 °C) реакции SrCO 3 и Fe 2 O 3 . Из них изготавливают керамические магниты, которые находят широкое применение в динамиках, двигателях автомобильных стеклоочистителей и детских игрушках.
Производство
Большая часть минерализованного целестина SrSO 4 превращается в карбонат двумя способами: либо целестин непосредственно выщелачивается раствором карбоната натрия, либо нагревается с углем, образуя сульфид. На второй стадии получается вещество темного цвета, содержащее, в основном, сульфид стронция. Эта «черная зола» растворяется в воде и фильтруется. Карбонат стронция осаждается из раствора сульфида путем введения диоксида углерода. Сульфат восстанавливается до сульфида путем карботермического восстановления SrSO 4 + 2C → SrS + 2CO 2 . Элемент может быть получен методом катодного электрохимического контакта, в котором охлажденный железный стержень, действующий как катод, касается поверхности смеси хлоридов калия и стронция, и поднимается, когда стронций затвердевает на нем. Реакции на электродах могут быть представлены следующим образом: Sr 2+ + 2e - → Sr (катод); 2Cl - → Cl 2 + 2e - (анод).
Металлический Sr также можно восстановить из его оксида алюминием. Он ковкий и пластичный, хороший проводник электричества, но используется относительно мало. Одно из его применений - легирующий агент для алюминия или магния при литье блоков цилиндров. Стронций улучшает обрабатываемость и устойчивость к ползучести металла. Альтернативным способом получения стронция является восстановление его оксида с алюминием в вакууме при температуре перегонки.
Коммерческое применение
Химический элемент стронций широко используется в стекле электронно-лучевых трубок цветных телевизоров для предотвращения проникновения рентгеновского излучения. Также он может входить в состав аэрозольных красок. Это, по-видимому, является одним из наиболее вероятных источников воздействия стронция на население. Кроме того, элемент используется для производства ферритовых магнитов и очистки цинка.
Соли стронция применяются в пиротехнике, поскольку при сгорании окрашивают пламя в красный свет. А сплав солей стронция с магнием применяется в составе зажигательных и сигнальных смесей.
Титанат обладает чрезвычайно высоким показателем преломления и оптической дисперсией, что делает его полезным в оптике. Он может использоваться, как замена бриллиантов, но редко используется с этой целью из-за крайней мягкости и уязвимости к царапинам.
Алюминат стронция является ярким люминофором с длительной устойчивостью фосфоресценции. Оксид иногда применяется для улучшения качества керамических глазурей. Изотоп 90 Sr является одним из лучших долгоживущих высокоэнергетических бета-излучателей. Он используется в качестве источника питания для радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ), преобразующих в электричество тепло, выделяемое при распаде радиоактивных элементов. Эти устройства применяются в космических аппаратах, удаленных метеостанциях, навигационных буях и т. д. - там, где требуется легкий и долгоживущий ядерно-электрический источник энергии.
Медицинское использование стронция: лечение препаратами
Изотоп 89 Sr является активным ингредиентом радиоактивного препарата Metastron, применяемого для лечения болей в костях, вызванных метастатическим раком предстательной железы. Химический элемент стронций действует, как кальций, преимущественно включается в кость в местах с повышенным остеогенезом. Эта локализация фокусирует радиационное воздействие на раковое поражение.
Радиоизотоп 90 Sr также используется в терапии рака. Его бета-излучение и длительный идеально подходят для поверхностной лучевой терапии.
Экспериментальный препарат, полученный путем объединения стронция с ранелиновой кислотой, способствует росту кости, увеличению плотности костной ткани и уменьшению переломов. Stronium ranelate зарегистрирован в Европе, как средство лечения остеопороза.
Хлорид стронция иногда используется в зубных пастах для чувствительных зубов. Его содержание достигает 10%.
Меры предосторожности
У чистого стронция высокая химическая активность, а в измельченном состоянии металл спонтанно загорается. Поэтому этот химический элемент считается пожароопасным.
Воздействие на организм человека
Человеческое тело поглощает стронций так же, как кальций. Эти два элемента химически настолько похожи, что устойчивые формы Sr не представляют значительную угрозу для здоровья. В отличии от этого, радиоактивный изотоп 90 Sr может привести к различным костным нарушениям и заболеваниям, в том числе к раку костной ткани. Для измерения излучения поглощенного 90 Sr используется стронциевая единица.
Еще задолго до открытия стронция его нерасшифрованные соединения применяли в пиротехнике для получения красных огней. И до середины 40-х годов прошлого века стронций был прежде всего металлом фейерверков, потех и салютов. Атомный век заставил взглянуть на него по-иному. Во-первых, как на серьезную угрозу всему живому на Земле; во-вторых, как на материал, могущий быть очень полезным при решении серьезных проблем медицины и техники. Но об этом позже, а начнем с истории «потешного» металла, с истории, в которой встречаются имена многих больших ученых.
Четырежды открытая «земля»
В 1764 г. в свинцовом руднике близ шотландской деревни Стронциан был найден минерал, который назвали стронцианитом . Долгое время его считали разновидностью флюорита CaF 2 или витерита BaCO 3 , но в 1790 г. английские минералоги Кроуфорд и Крюикшенк проанализировали этот минерал и установили, что в нем содержится новая «земля», а говоря нынешним языком, окисел.
Независимо от них тот же минерал изучал другой английский химик - Хоп. Придя к таким же результатам, он объявил, что в стронцианите есть новый элемент - металл стронций .
Видимо, открытие уже «витало в воздухе», потому что почти одновременно сообщил об обнаружении новой «земли» и видный немецкий химик Клапрот.
В те же годы на следы «стронциановой земли» натолкнулся и известный русский химик - академик Товий Егорович Ловиц. Его издавна интересовал минерал, известный под названием тяжелого шпата. В этом минерале (его состав BaSO 4) Карл Шееле открыл в 1774 г. окись нового элемента бария . Не знаем, отчего Ловиц был неравнодушен именно к тяжелому шпату; известно только, что ученый, открывший адсорбционные свойства угля и сделавший еще много в области общей и органической химии, коллекционировал образцы этого минерала. Но Ловиц не был просто собирателем, вскоре он начал систематически исследовать тяжелый шпат и в 1792 г. пришел к выводу, что в этом минерале содержится неизвестная примесь. Он сумел извлечь из своей коллекции довольно много - больше 100 г новой «земли» и продолжал исследовать ее свойства. Результаты исследования были опубликованы в 1795 г. Ловиц писал тогда: «Я был приятно поражен, когда прочел... прекрасную статью г-на профессора Клапрота о стронциановой земле, о которой до этого имелось очень неясное представление. Все указанные им свойства солекислых и селитрокислых средних солей во всех пунктах совершеннейшим образом совпадают со свойствами моих таких же солей. Мне оставалось только проверить. замечательное свойство стронциановой земли - окрашивать спиртовое пламя в карминовокрасный цвет, и, действительно, моя соль. обладала в полной мере этим свойством».
Так почти одновременно несколько исследователей в разных странах вплотную подошли к открытию стронция. Но в элементном виде его выделили лишь в 1808 г.
Выдающийся ученый своего времени Хэмфри Дэви понимал уже, что элемент стронциановой земли должен быть, по-видимому, щелочноземельным металлом, и получил его электролизом, т. е. тем же способом, что и кальций , магний , барий. Л если говорить конкретнее, то первый в мире металлический стронций был получен при электролизе его увлажненной гидроокиси . Выделявшийся на катоде стронций мгновенно соединялся с , образуя амальгаму. Разложив амальгаму нагреванием, Дэви выделил чистый металл.
Металл этот белого цвета, не тяжелый (плотность 2,6 г/см 3), довольно мягкий, плавящийся при 770°C. По химическим свойствам он типичный представитель семейства щелочноземельных металлов. Сходство с кальцием, магнием, барием настолько велико, что в монографиях и учебниках индивидуальные свойства стронция, как правило, не рассматриваются - их разбирают на примере кальция или магния.
И в области практических применений эти металлы не раз заступали дорогу стронцию, потому что они более доступны и дешевы. Так произошло, например, в сахарном производстве. Когда-то один химик обнаружил, что с помощью дисахарата стронция (C 12 H 22 O 4 *2SrO), нерастворимого в воде, можно выделять сахар из мелассы. Внимание к стронцию сразу же возросло, получать его стали больше, особенно в Германии и Англии. Но скоро другой химик нашел, что аналогичный сахарат кальция тоже нерастворим. И интерес к стронцию тут же пропал. Выгоднее ведь использовать дешевый, чаще встречающийся кальций.
Это не значит, конечно, что стронций совсем «потерял свое лицо». Есть качества, которые отличают и выделяют его среди других щелочноземельных металлов. О них-то мы и расскажем подробнее.
Стронций металл красных огней
Так называл стронций академик А. Е. Ферсман. Действительно, стоит бросить в пламя щепотку одной из летучих солей стронция, как пламя тотчас окрасится в яркий карминово-красный цвет. В спектре пламени появятся линии стронция.
Попробуем разобраться в сущности этого простейшего опыта. На пяти электронных оболочках атома стронция 38 электронов. Заполнены целиком три ближайшие к ядру оболочки, а на двух последних есть «вакансии». В пламени горелки электроны термически возбуждаются и, приобретая более высокую энергию, переходят с нижних энергетических уровней на верхние. Но такое возбужденное состояние неустойчиво, и электроны возвращаются на более выгодные нижние уровни, выделяя при этом энергию в виде световых квантов. Атом (или ион) стронция излучает преимущественно кванты с такими частотами, которые соответствуют длине красных и оранжевых световых волн. Отсюда карминово-красный цвет пламени.
Это свойство летучих солей стронция сделало их незаменимыми компонентами различных пиротехнических составов. Красные фигуры фейерверков, красные огни сигнальных и осветительных ракет - «дело рук» стронция.
Чаще всего в пиротехнике используют нитрат Sr(NO 3) 2 , оксалат SrC 2 O 4 и карбонат SrCO 3 стронция. Нитрату стронция отдают предпочтение: он не только окрашивает пламя, но и одновременно служит окислителем. Разлагаясь в пламени, он выделяет свободный кислород:
Sr(NO 3) 2 → SrO + N2 + 2,502
Окись стронция SrO окрашивает пламя лишь в розовый цвет. Поэтому в пиротехнические составы вводят хлор в том или ином виде (обычно в виде хлорорганических соединений), чтобы его избыток сдвинул равновесие реакции вправо:
2SrO + CI 2 → 2SrCl + O 2 .
Излучение монохлорида стронция SrCl интенсивнее и ярче излучения SrO. Кроме этих компонентов, в пиротехнические составы входят органические и неорганические горючие вещества, назначение которых - давать большое неокрашенное пламя.
Рецептов красных огней довольно много. Приведем для примера два из них. Первый: Sr(NO 3) 2 - 30%, Mg - 40%, смолы - 5%,
гексахлорбензола - 5%, перхлората калия KClO 4 - 20%. Второй: хлората калия KClO 3 - 60%, SrC2O 4 - 25%, смолы - 15%. Такие составы приготовить несложно, но следует помнить, что любые, даже самые проверенные, пиротехнические составы требуют «обращения на вы». Самодеятельная пиротехника опасна...
Стронций, глазурь и эмаль
Первые глазури появились чуть ли не на заре гончарного производства. Известно, что еще в IV тысячелетии до н.э. ими покрывали изделия из глины . Заметили, что если покрыть гончарные изделия взвесью тонкоизмельченных песка, поташа и мела в воде, а затем высушить их и отжечь в печи, то грубый глиняный порошок покроется тонкой пленкой стекловидного вещества и станет гладким, блестящим. Стекловидное покрытие закрывает поры и делает сосуд непроницаемым для воздуха и влаги. Это стекловидное вещество и есть глазурь. Позже изделия из глины стали сначала покрывать красками, а затем глазурью. Оказалось, что глазурь довольно долго не дает краскам тускнеть и блекнуть. Еще позже глазури пришли в фаянсовое и фарфоровое производство. В наши дни глазурью покрывают керамику и металл, фарфор и фаянс, различные строительные изделия.
Какова же здесь роль стронция?
Чтобы ответить на этот вопрос, придется еще раз обратиться к истории. Основу глазурей составляют различные окислы. Издавна известны щелочные (поташные) и свинцовые глазури. Основу первых составляют окислы кремния , щелочных металлов (К и Na) и кальция . Во вторых присутствует еще и окись свинца . Позже стали широко использовать глазури, содержащие бор . Добавки свинца и бора придают глазурям зеркальный блеск, лучше сохраняют подглазурные краски. Однако соединения свинца ядовиты, а бор дефицитен.
В 1920 г. американец Хилл впервые применил матовую глазурь, в состав который входили окислы стронция (система Sr-Ca-Zn). Однако этот факт остался незамеченным, и только в годы второй мировой войны, когда свинец стал особо дефицитным, вспомнили об открытии Хилла. И хлынула лавина исследований: в разных странах появились десятки (!) рецептур стронциевых глазурей. Предпринимались попытки и здесь заменить стронций кальцием, но кальциевые глазури оказались неконкуренто способными.
Стронциевые глазури не только безвредны, но и доступны (карбонат стронция SrCO 3 в 3,5 раза дешевле свинцового сурика). Все положительные качества свинцовых глазурей свойственны и им. Более того, изделия, покрытые такими глазурями, приобретают дополнительную твердость, термостойкость, химическую стойкость.
На основе окислов кремния и стронция готовят также эмали - непрозрачные глазури. Непрозрачными их делают добавки окислов титана и цинка . Изделия из фарфора, особенно вазы, часто украшают глазурью «кракле». Такая ваза словно покрыта сеткой окрашенных трещин. Основа технологии «кракле» - разные коэффициенты термического расширения глазури и фарфора. Фарфор, покрытый глазурью, обжигают при температуре 1280-1300°C, затем температуру снижают до 150-220°C и еще не до конца остывшее изделие опускают в раствор красящих солей (например, солей кобальта , если нужно получить черную сетку). Эти соли заполняют возникающие трещины. После этого изделие сушат и вновь нагревают до 800-850°C - соли плавятся в трещинах и герметизируют их. Глазурь «кракле» популярна и широко распространена во многих странах мира. Произведения декоративно-прикладного искусства, выполненные в этой манере, ценят любители. Остается добавить, что использование стронциевых безборных глазурей дает большой экономический эффект.
Стронций радиоактивный
Еще одна особенность стронция, резко выделяющая его среди щелочноземельных металлов, - существование радиоактивного изотопа стронция-90, который волнует биофизиков, физиологов, радиобиологов, биохимиков и просто химиков уже давно.
В результате цепной ядерной реакции из атомов плутония и урана образуются около 200 радиоактивных изотопов. Большинство из них короткоживущие. Но в тех же процессах рождаются и ядра стронция-90, период полураспада которого 27,7 года. Стронций-90 - чистый бета-излучатель. Это значит, что он испускает потоки энергичных электронов, которые действуют на все живое на сравнительно небольших расстояниях, но очень активно. Стронций как аналог кальция активно участвует в обмене веществ и вместе с кальцием откладывается в костной ткани.
Стронций-90, а также образующийся при его распаде дочерний изотоп иттрий-90 (с периодом полураспада 64 часа, излучает бета-частицы) поражают костную ткань и, самое главное, особо чувствительный к действию радиации костный мозг. Под действием облучения в живом веществе происходят химические изменения. Нарушаются нормальная структура и функции клеток. Это приводит к серьезным нарушениям обмена веществ в тканях. А в итоге развитие смертельно опасных болезней - рака крови (лейкемия) и костей. Кроме того, излучение действует на молекулы ДНК и, следовательно, влияет на наследственность. Влияет пагубно.
Содержание стронция-90 в человеческом организме находится в прямой зависимости от общей мощности взорванного атомного оружия. Он попадает в организм при вдыхании радиоактивной пыли, образующейся в процессе взрыва и разносимой ветром на большие расстояния. Другим источником заражения служат питьевая вода, растительная и молочная пища. Но и в том и в другом случаях природа ставит естественные препоны на пути стронция-90 в организм. В тончайшие структуры дыхательных органов могут попасть лишь частицы величиной до 5 мкм, а таких частиц при взрыве образуется немного. Во-вторых, стронций при взрыве выделяется в виде окиси SrO, растворимость которой в жидкостях организма весьма ограничена. Проникновению стронция через пищевую систему препятствует фактор, который называют «дискриминацией стронция в пользу кальция». Он выражается в том, что при одновременном присутствии кальция и стронция организм предпочитает кальций. Соотношение Ca: Sr в растениях вдвое больше, чем в почвах. Далее, в молоке и сыре содержание стронция в 5-10 раз меньше, чем в траве, идущей на корм скоту.
Однако целиком полагаться на эти благоприятные факторы не приходится - они способны лишь в какой-то степени предохранить от стронция-90. Не случайно до тех пор, пока не были запрещены испытания атомного и водородного оружия в трех средах, число пострадавших от стронция росло из года в год. Но те же страшные свойства стронция-90 - и мощную ионизацию, и большой период полураспада - удалось обратить на благо человека.
Радиоактивный стронций нашел применение в качестве изотопного индикатора при исследовании кинетики различных процессов. Именно этим методом в опытах с животными установили, как ведет себя стронций в живом организме: где преимущественно он локализуется, каким образом участвует в обмене веществ и так далее. Тот же изотоп применяют в качестве источника излучения при лучевой терапии. Аппликаторами со стронцием-90 пользуются при лечении глазных и кожных болезней. Препараты стронция-90 применяют также в дефектоскопах, в устройствах для борьбы со статическим электричеством, в некоторых исследовательских приборах, в атомных батареях. Нет открытий принципиально вредных - все дело в том, в чьих руках окажется открытие. История радиоактивного стронция - тому подтверждение.
