锶(Strontium)是一种化学元素,元素符号是Sr,被发现于1791-1792年间,英国化学家、医生荷普研究矿石时,肯定其中含有一种新土,就从它的产地Strontian命名它为strontia(锶土)。
发现简史
锶的发现是从一种矿石开始的。大约在1787年间,在欧洲一些展览会上展出从英国苏格兰恩特朗蒂安地方的铅矿中采得的一种矿石。一些化学家认为它是一种萤石。
1790年间英国医生克劳福德分析研究了这种矿石,把它溶解在盐酸中,获得一种
氯化物,在多方面和
氯化钡的性质不同。这种氯化物在水中的溶解度比氯化钡大,在热水中的溶解度又比在冷水中大得多,在溶于水后使温度降低的效应较大。它和氯化钡的结晶形也不同。他认为其中可能存在一种新土(
氧化物)。
此后不久,大约在1791~1792年间,英国化学家、医生荷普再次研究了这种矿石,明确它是碳酸盐,但是与
碳酸钡不同,肯定其中含有一种新土,就从它的产地Strontian命名它为strontia(锶土)。他指出锶土比石灰和重土更易吸收水分,它在水中的溶解度很大,且在热水中的比在冷水中溶解的量大得多。并且他指出它的化合物在火焰中呈洋红色,而钡的化合物在火焰中呈现绿色。
这样,在1789年拉瓦锡发表的元素表中就没有来得及把锶土排进去,戴维却赶上了,在1808年利用电解法,从碳酸锶中分离出金属锶,就命名为strontium,元素符号为Sr。
元素分布
世界范围内的土壤样本都含有大约300mg/kg的锶。输入到海洋的锶主要(80%)是由于碳酸盐、硫酸盐的
风化。海水含有7mg/L的锶,相对于
天青石沉淀来说,是不饱和的。Sr在盐中的浓度为221μg/g。世界河水的锶/钙比率是5×10-3,以河水含锶68.5μg/L计算,排放到海水中的锶(至少)是22吨/年。天青石组成了浮游生物棘谷虫的骨骼(灰烬中有21.8%的Sr)。有证据表明,动物骨骼中的锶含量比人的高。
锶在地壳中的丰度为3.7×10-2%,最重要的矿物是天青石SrSO4和
菱锶矿SrCO3。
理化性质
锶在空气中加热到熔点时立即燃烧,火焰呈红色。自然界存在锶-84、锶-86、锶-87、锶-88四种稳定同位素,自然界中的
锶-90是
铀-235的裂变产物,半衰期为28.1年。
锶的化学性质活泼,加热到熔点(769℃)时可以燃烧生成
氧化锶(SrO),在加压条件下跟氧气化合生成
过氧化锶(SrO2)。
锶跟卤素、
硫、
硒等容易化合,常温时可以跟氮化合生成氮化锶(Sr3N2),加热时跟氢化合生成氢化锶(SrH2)。跟盐酸、稀硫酸剧烈反应放出氢气。
锶在常温下跟水反应生成
氢氧化锶和氢气。锶在空气中表面会被氧化成黄色。由于锶很活泼,应保存在煤油中。
锶和钙和钡一样,在
氨气NH3中加热时生成氮化锶Sr3N2和氢化锶SrH2。溶于
液氨生成含有蓝色
溶剂化电子的溶液,这个性质和钙和钡还有
碱金属都是一致的,溶液中含有[Sr(NH3)x]2+,有催化剂的时候会分解生成Sr(NH2)2。
锶是一种活泼金属,化学性质与
Ca或Ba类似,需要把它们保持在惰性气体中或贮存在煤油中。它们与较不活泼金属的氧化物、
硫化物或
卤化物在高温时都能作用,夺取其中的氧、硫或
卤素。水溶性锶盐有SrX2,这里X=Cl-,Br-,I-,NO2-,NO3-,ClO3-,ClO4-,BrO3-,CN-。含有C22-的SrC2和Sr3N2有显著的离子性。不溶于水的Sr盐有SrF2、SrSO3,SrSO4,SrMoO4,SrHPO4,SrSeO4、SrB6等。
Pedersen发现的多环醚,所谓的冠状化合物,以及被Lehn等发现并称为“
穴状配体”的重阿扎聚氧化二环化合物也会和Sr2+形成1:1的化合物。
制备方法
工业上从天青石矿提取锶盐。常用热还原法,用铝还原氧化锶制备金属锶,或电解熔融的氯化锶和氯化钾制备金属锶。也可用叠氮化合物分解法制备,请参阅铍、镁的制备方法。
铝热还原法详细介绍:用铝还原氧化锶。氧化锶由
硝酸锶加热分解而制得。加热硝酸锶至900℃分解,保持该温度抽真空进行脱气处理。SrO易吸收空气中的水分及
二氧化碳,注意保存。首先以摩尔比Al∶SrO=2∶3配料制成料坯。冷凝器保持温度400~650℃(比镁高)。由于锶沉积在冷凝器上不易取下,可以用薄铁板制成内筒,放在蒸馏器内侧,待蒸馏器温度降至500℃以下,取出内筒而将沉积物剥离。还原温度1150℃,时间4h。收率76%,纯度99%。
应用领域
锶是碱土金属中丰度第二小的元素。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)。
不论是在用碳还原SrS然后反应的制造过程中还是在苏打处理过程中,天青石都是制造SrCO3的起始物质,由于碳酸锶可以制造出其它Sr化合物,用于提纯制造陶瓷永磁体的Zn(清除Pb和Cd),用作制造电视荧光屏,它是最重要的Sr化合物。Sr(NO3)2用于烟火装置,SrO用于铝的冶炼,Sr、SrCl2用于修补牙齿。Sr(OH)2早已用于磨拉石的提纯。
金属锶用于制造合金、光电管、照明灯。它的化合物用于制信号弹、烟火等。
锶-90可做β射线的放射源,对人体有相当大的危害,半衰期为28.1年,它在核试验中由铀产生,以粉尘的形态被人体吸入,对人体产生放射性伤害。
锶-87m因其会释放γ射线而在医学上有一定的应用。把锶-87m引入患者体内,待骨骼吸收后,用辐射检测器可测定其在人体骨骼中所处的位置,并确定人体中出现异常的情况。锶-87m虽然半衰期只有2.8小时,但会很快从人体中排出,因此,人体所受辐射量很小。
中国锶原子光钟:与现行的铯原子钟比较,中国锶原子光钟具有实现更高准确度的潜力,被公认为下一代时间频率基准。用光钟替代现行的铯原子喷泉钟来重新定义秒,可以显著提高卫星导航系统的定位精度。
计算化学数据
数据:
1.疏水参数计算参考值(XlogP):无
2.氢键供体数量:0
3.氢键受体数量:0
4.可旋转化学键数量:0
5.互变异构体数量:无
6.拓扑分子极性表面积0
7.重原子数量:1
8.表面电荷:0
9.复杂度:0
10.同位素原子数量:0
11.确定原子立构中心数量:0
12.不确定原子立构中心数量:0
13.确定化学键立构中心数量:0
14.不确定化学键立构中心数量:0
15.共价键单元数量:1
安全信息
信息:
包装等级:II
风险类别:4.3
WGK_Germany:3
德国有关水污染物质的分类清单
危险类别码:R37/38
安全说明:S26-S45-S36/37/39-S27-S23
RTECS号:WK8400000
危险标志:F: Flammable;Xi: Irritant;T: Toxic;
注意事项
放射性锶进入人体后会导致癌症。
锶盐工厂工人的胆碱酯酶、乙酰胆碱酯酶活性在职业暴露期间会被明显削弱。
放射性90Sr存在于核爆炸的辐射微尘中。由于锶和钙性质相似,它是一种强烈的污染源。在IPCS-WHO的环境健康标准文献中曾概括了90Sr的人放射性暴露。
英国的Papworth研究了Sr的吸收和在骨骼中的转变。
澳大利亚的锶暴露工人尿液中的浓度为0.5-5.0pCl/L(正常的是<2pCl/L)。
美国一项长达18年的对猎犬的90Sr终生毒性研究观察到毒性和剂量有关。
哺乳动物对Sr的排泄模式随物种不同而不同。对人类来说吸收的锶有90%通过尿液排泄。
食物中的藻酸钠会加速老鼠对Sr的排泄。
只有苏联规定了Sr化合物的TLV。对于Sr(NO3)2,SrO,Sr(OH)2浮质,建议的极限是1mg Sr/m3。饮用水中允许的忍耐极限是2mg Sr/L。
德国没有规定SrCrO4的MAK值,但是建议的技术指导浓度是0.1mg CrO3/m3。
没有发现文献中有正常血清锶浓度值。Schroder和Nason提出在全身的血中有0.17mg的锶。Biswas等研究了指甲中的锶浓度,一个澳大利亚小组测量了骨骼中的锶浓度(100-120mg Sr/kg)。牙齿表层
珐琅的锶浓度为300mg/kg,这是由于饮用水中含有锶(0.02-34mg/L)。