鍶

鍶，是一種化學元素，其化學符號為，原子序數為38，原子量為，屬於週期表的2A族，是一種銀白色有光澤的鹼土金屬。鍶是鹼土金屬中丰度最小的元素。在自然界主要以化合態存在，主要的礦石有天青石。1787年，由英國人霍普發現，亦經過他的朋友克勞福德確認。1807年英國化學家漢弗裡·戴維電解碳酸鍶時發現了金屬鍶。工業用電解熔融的氯化鍶製取鍶。鍶的化學性質活潑，加熱到熔點。跟鹽酸、稀硫酸劇烈反應放出氫氣。常溫下跟水反應生成氫氧化鍶和氫氣。鍶在空氣中會轉黃色。鍶元素廣泛存在在礦泉水中。某些鍶化合物似乎顯示它們也許能促進骨生長的證據，但並沒有得到證明。鍶和碳酸鍶均是根據Strontian來命名的，這是蘇格蘭的一個小村莊，其附近的礦物質Strontian於1790年首先由Adair Crawford和威廉·克魯克香克發現。19世紀自甜菜中提取糖料的發明是其最大的一個應用。鍶化合物如今主要用於生產電視機中的陰極射線管，以其他顯示法代替使用陰極射線管的做法正在改變鍶的總消費量。歷史.鍶的名字蘇格蘭的一個村莊Strontian，發現於此處開採出的鉛礦石中。1790年，制鋇物理學家Adair Crawford和他的同事威廉·克魯克香克發現，Strontian礦顯示出與其他“重晶石”中常見的特性不同的特性。因此，Adair在第355頁指出這樣的結論：“……蘇格蘭的這種礦石可能其實是一種新型土壤，但卻沒有對其進行過足夠的研究。”這位物理學家與礦石收藏家Friedrich Gabriel Sulzer以及Johann Friedrich Blumenbach共同對來自Strontian的這種礦物質進行了分析，並將其命名為菱鍶礦。對鍶的首次大規模應用是用甜菜生產糖。雖然早在1849年由Augustin-Pierre Dubrunfaut專利發明可採用氫氧化鍶進行晶化處理，但直到19世紀70年代對這一工藝進行改進之後才得以大規模應用。德國的製糖業直到20世紀還在使用這一工藝。第一次世界大戰之前，甜菜製糖業每年要使用10-15萬噸氫氧化鍶。在製糖工藝中氫氧化鍶得到回收利用，然而，若要彌補生產過程中產生的大量流失，就需要在明斯特蘭地區大規模開採菱鍶礦。當格羅斯特郡開始開採天青石礦藏之後，德國就不再開採菱鍶礦。1884-1941年期間，這些礦的開採基本確保了全世界的鍶需求量。雖然格拉納達盆地的天青石礦藏已為世人所知有一段時間，但大規模開採直到20世紀50年代才開始。在大氣核武器試驗期間發現，90Sr是核裂變產生的產量相對較高的產物之一。由於與鈣相似，90Sr可在骨骼中富集，因此關於鍶代謝方面的研究已成為一個重要課題。性質.核性質.天然的鍶是四種同位素的混合物：84Sr, 86Sr, 87Sr和88Sr。它們都貢獻著鍶的相對原子質量，最終的88Sr佔著82.6%的比例，其中，由於長壽命的放射性87Rbβ衰變會影響其產生的87Sr的丰度在一定範圍內變化。在不穩定同位素中，同位素比85Sr的主要衰變模式是電子捕獲或正電子發射，產生銣的同位素，而比88Sr重的同位素的電子發射則會產生釔的同位素。最受關注的是89Sr和90Sr。前者的半衰期為50.6天，由於鍶和鈣的化學性質相似，它可以一定程度上取代鈣，用於治療骨癌。雖然90Sr有著類似的應用，但它可以用於裂變產物的生產，即可能被用於核武器，並可能造成核事故。另外，它在骨骼中的存在可引起骨癌，以及附近組織的癌症和白血病。1986年切爾諾貝利核事故的汙染約30,000平方公里，90Sr中僅5%就造成了超過了10 kBq/m2的汙染。物理性質.鍶是二價的銀白色金屬，略帶淺黃色光澤，其性質介於同族的鈣和鋇之間。它比鈣軟，比鋇硬，其熔點之間。鍶存在三種同素異形體，相變點在235 °C和540 °C。化學性質.Sr2+/Sr的標準電極電勢為−2.89 V，介於Ca2+/Ca也是存在的。鍶的氫氧化物Sr(OH)2是一種強鹼，儘管鹼性弱於氫氧化鋇和鹼金屬氫氧化物。鍶的所有鹵化物都是已知的。由於s-區元素的大半徑，鍶可以形成配位數為2、3、4甚至到22或24的化合物，如SrCd11 and SrZn13。Ca2+同理。大體積的鍶和鋇在和多齒配體形成穩定配合物方面起著重要作用，如18-冠-6之類的冠醚和鹼金屬與鈣形成的配合物的鍵比較弱，和鍶與鋇形成的配合物的鹼就較強。有機鍶化合物包含著一個或更多的Sr–C鍵。它們在Barbier反應中作為中間體而被報道。儘管鍶和鎂同族，有機鎂化合物在化學中的應用非常常見，但有機鍶化合物卻較少用到，這是因為有機鍶化合物較難製備，且更活潑。由於Sr2+的半徑相接近，有機鍶化合物的性質更接近於有機銪化合物和有機釤化合物。這些化合物大部分都只能在低溫製備，體積大的配體有利於其穩定。例如，環戊二烯鍶Sr(C5H5)2需要由金屬鍶和環戊二烯汞或環戊二烯母體本身反應，但將C5H5配體換成體積更大的甲基取代物C5(CH3)5配體，可以增加化合物的溶解度、揮發性以及動力學穩定性。由於對氧和水的高度反應性，鍶單質在自然界中只會以化合物的形式出現在礦物中，如和天青石。金屬鍶需要儲存在液體石蠟或煤油中以防氧化；新鮮的金屬鍶在空氣中暴露，會形成氧化物而迅速變黃。細粉狀的鍶極易燃燒，它會在室溫自燃。揮發性的鍶鹽在火焰中會產生明亮的紅色，這鍶的焰色反應，這些鹽用於焰火中以產生特定的顏色或特效。鍶和鈣、鋇一樣，以及所有的二價鑭系金屬，鍶可以迅速溶解在液氨中，產生深藍色的溶液。存在形式.鍶通常存在於自然之中，是地球上第15大蘊藏量最豐富的元素，估計在地殼中每一百萬個原子中就有約360個鍶原子，主要以硫酸鹽礦物天青石兩種形式存在。在這兩種礦物質中，天青石更常見於大型沉積層，非常適於開採和開發。由於鍶通常以碳酸形式使用，因此兩者中菱鍶礦更為常用，但幾乎還沒有發現適於開採開發的菱鍶礦。海水中的鍶平均含量為8毫克/升。鍶的濃度為82-90微摩爾/升，遠低於鈣的濃度，鈣濃度通常為9.6-11.6毫摩爾/升。生產.2015年全球三個主要的天青石礦形式鍶生產國為中國是較小的生產國。雖然鍶礦廣泛分佈於美國，但自1959年起並未被開採。開採出的大量天青石可透過兩種工藝轉換為碳酸鹽。或者直接透過碳酸鈉溶液溶解，或者以煤燒烤生成硫化物。第二種工藝會產生一種暗色物質，其中主要含的是硫化鍶。這種所謂的黑灰溶於水後可進行過濾。硫化鍶溶液中加入二氧化碳，就可沉澱出碳酸鍶。透過以下碳熱還原過程，可自硫酸鍶中還原出硫化鍶：透過這種方式每年的全球硫酸鍶產量約為30萬噸。商業上利用鋁從氧化鍶中還原出金屬鍶，將鍶從混合物中蒸發出來。原則上，將氯化鍶溶液放入熔化的氯化鉀中電解後可還原出金屬鍶：同位素.鍶具有4個自然存在的穩定同位素：84Sr衰變後產生，銣的半衰期為4.88 × 1010年。這樣，任何一種材料中均有兩種87Sr的第一種是利用晶石與84Sr、86Sr和 88Sr三種同位素共同生成；第二種是87Rb放射性衰變後產生的。87Sr與86Sr之間的比率是地質調查中通常使用的引數；礦物質與岩石的比率範圍為0.7到4.0以上。鍶與鈣的原子半徑接近，它可以替代各種材料中的鈣。已知存在的同位素有16種。其中最為重要的是半衰期為28.78年的90Sr以及半衰期為50.5天的89Sr。90Sr是核裂變的副產物，存在於核塵中，由於它可替代骨骼中的鈣而無法從身體排出，因此造成健康問題。這樣同位素是已知的存在時間最長的高能率β輻射體，用於核輔助動力系統SNAP裝置中。這種裝置非常適用於航天器、遠端氣象站和航行浮標，需配備有薄型耐用核電裝備。1986年的切爾諾貝利核電洩漏事故導致了大面積90Sr汙染。將90Sr封存在凹形銀箍中也可用於翼狀胬肉切除後的治療。89Sr是一種非耐用人造放射性同位素，用於治療骨癌。當癌症病人骨骼出現大面積就要短得多。應用.鍶用於製造合金、光電管、照明燈。它的化合物用於制訊號彈、煙火等。鍶-90是一種放射性同位素，是鈾-235裂變產物，其半衰期為28.9年。可做β射線的放射源，對人體有相當大的危害，半衰期為25年，它在核試驗中由鈾產生，以粉塵的形態被人體吸入，對人體產生放射性傷害。在醫學上有一定的應用。鍶產量的75%用於彩色電視機內的玻璃陰極射線管。它可以防止X射線輻射。陰極射線管的每一個部分必須要能夠吸收X射線。在陰極射線管的頸部和漏斗位置使用鉛玻璃就是為此目的，但這種鉛玻璃由於內部X射線起反應而產生褐化效應。因此，前板應當使用一種不同的玻璃混合物，其中的鍶和鋇就是吸收X射線的物質。2005年進行的一項回收研究表明，玻璃混合物平均值應當是8.5%氧化鍶加上10%氧化鋇。陰極射線管中的鍶用量出現下降，因為陰極射線管被其他顯示法取代，這對鍶的開採量和提煉量產生重大影響。由於鍶與鈣類似，因此鍶也可被骨吸收，4種穩定同位素也大體按自然比例被吸收。然而，不同地理位置的同位素實際比例變化較大。因此，透過分析個人的骨骼可以幫助確定其來自哪一地區。這種方法有助於確定古代遷移模式，也有助於識別戰場掩埋地點的混合人類遺體。因此，鍶對法政科學家也有幫助。87Sr與86Sr之間的比例常用於確定自然系統中沉積物的可能起源地，尤其是海洋和河流環境中的沉積物。Dasch在1969年證明，大西洋底表面沉積物中的87Sr/86Sr比例可被視為鄰近陸地地理地形的87Sr/86Sr整體平均比例。關於河流海洋系統的鍶同位素起源地方面的一項成功研究物件就是尼羅河-地中海系統，由於藍色和白色尼羅河主體岩石的石齡不同，可透過研究鍶同位素確定抵達尼羅河三角洲和東部地中海的一系列沉積物的起源地匯水區。這種起源地變化受晚第四紀氣候控制。最近，87Sr/86Sr比例也被用於確定古代材料的起源，比如說新墨西哥查科峽谷中的林木和玉米起源地。牙齒中的87Sr/86Sr比例也可用於推斷動物遷移路線或者用於犯罪法證。碳酸鈣或其他鍶鹽可在煙火中形成深紅色，因此用於煙火製造，用量約佔全世界產量的5%。氯化鍶有時也用於生產適用於敏感性牙齒的牙膏。有一個流行品牌的牙膏中使用了10%重量的氯化鍶六水合物。在鋅的提煉過程中也可使用少量的鍶以去除所含的少量鉛雜質。放射性鍶的用途.89Sr是美他特龍中的一種活性成分，美他特龍是一種放射性藥物，用於治療緩解轉移性骨癌的繼發性骨痛。鍶與鈣的作用類似，在骨質增生處更易被骨吸收，因此癌病變部位更易暴露於輻射。90Sr作為一種能源用於放射性同位素熱電發生器的壽命短1/3而且密度也低。90Sr的主要優勢在於，它比238Pu價格低而且存在於核廢物中。蘇聯將其北部沿海地區的近1000個放射性同位素熱電發生器作為燈塔和氣象站使用。90Sr也用於治療癌症，其β輻射率以及較長的半衰期適於作表層放射治療。醫學用途.把放射性的鍶-87m引入患者身體中，待骨骼吸收後，用輻射檢測器可測定其在人體骨骼中所處的位置，並確定人體中出現異常的情況。鍶-87m半衰期只有2.8小時，會很快從人體中排出，因此，人體所受輻射量很小。研究趨勢.其他的可能應用領域如下：金屬鍶可製成鍶鋁共熔合金，用於改進鋁矽合金鑄造工藝。AJ62是一種耐用抗蠕變鎂合金，用於寶馬汽車和摩托車引擎，其中鍶的重量比為2%。對神經元中的神經傳遞物質釋放進行科學研究時也可用到鍶。與鈣類似，鍶有利於促進突觸小泡與突觸膜之間的融合。但是，與鈣不同的是，鍶會導致非同步囊泡融合。因此，在培養皿中以鍶代替鈣，科學工作者就可測量單一囊泡融合產生的效應，也就是說，對單囊泡中神經傳遞物質濃度所引發的後突觸反應進行測量。關於同位素示蹤的重要概念是，透過風化反應從任何礦物質中衍生出的鍶均具有相同的87Sr/86Sr比例。因此，地表水中的87Sr/86Sr比例若有不同，表明：(a)不同的礦物學以及不同的流徑，或者 (b)同等量的礦物質中風化出非等量的鍶。後一種情況可通過幾種方式體現。首先，同類岩石內初始水化學若有不同，將會影響礦物質的相對風化速度。例如，由於補給水蒸發濃度不同或二氧化碳分壓。例如，取決於流經斜長石-角閃石晶粒邊界或者流經石英-雲母邊界，移動水體的化學成分以及因此導致的87Sr/86Sr比例將會不同。第三，岩石某一部分相對“有效”礦物表層也會導致化學上和同位素成分上的不同；易反應表層被有機塗層“毒化”的現象也是此類過程的一個例子。基本上，由於淺層水體與岩石不具有化學平衡性，因此即使流經同一恆定礦學單元的水體也不可能具有恆定的87Sr/86Sr比例。相反，沿特定路徑流動的水體與岩石緩慢反應，經過長時間後可逐漸接近化學平衡。化合物.鍶可形成多種鹽類，這些鹽類的特性總是處於鋇和鈣之間。這些鹽類通常無色，硫酸鍶和碳酸鍶幾乎不溶於水，因此它們作為礦物質存在。多數化合物衍生自碳酸鍶或者由礦物質提取的硫化鍶。作為鹼性土衍生物，硫化鍶易透過以下過程水解：在商業生產化合物時也會採用類似的反應式，包括最為有用的鍶化合物——碳酸鍶。透過此種方式也可製成硝酸鍶。生物角色.等輻骨蟲綱是一種相對大型群居的海生放射蟲，可生成由硫酸鍶組成的複雜礦物骨架。在生物系統中，有少量的鈣會被鍶替代。在人體內，吸收的鍶多存在於骨骼中。人體內鍶與鈣的比例在1:1000到1:2000之間，基本上與血清內的鍶/鈣比例相同。對人體的作用.人體吸收鍶就象吸收鈣一樣。由於這兩種元素具有化學相似性，穩定狀態的鍶不會對健康造成嚴重影響——事實上，人體中自然存在的一定水平的鍶可能是有益的——但是放射性90Sr可導致各種形式的骨骼問題和疾病，包括骨癌。鍶單位用於衡量已吸收的90Sr的放射性。最近由紐約牙科大學使用鍶對成骨細胞進行的一項試管試驗表明，施用鍶後成骨細胞的造骨功能顯著提高。鍶與雷奈酸合成的藥品雷尼酸鍶，對骨骼生長具有輔助作用，它可提高骨骼密度，並可減少椎骨、周邊骨和臀部發生骨折。使用這種藥物的女性患者骨骼密度提高了12.7%，而對照組的女性患者骨骼密度下降了1.6%。根據X射線密度法測量，骨骼密度增加有一半原因是由於鍶具有比鈣高的原子重，另一半原因是由於骨量增加。雷尼酸鍶在歐洲以及許多其他國家是作為處方藥登記的，必須由醫生開處方、由藥師給藥使用，並且受嚴格的醫療監督。自20世紀50年代開始，關於鍶的有益之處的醫學研究已有很長曆史。研究表明，鍶不具有不良副作用。在美國，根據《1994膳食補充劑健康教育法》，其他幾種鍶鹽如檸檬酸鍶和碳酸鍶是可以服用的，只要服用的雷尼酸鍶接近建議的鍶含量，也就是大約680毫克/天的劑量。關於鍶對人體的長期安全性和有效性，還未進行過大規模醫療試驗。然而，確實有一些公司在生產鍶片以提高骨健康。皮膚施用鍶可抑制瘙癢感覺。在皮膚上施用鍶可明顯加快表皮屏障的修復率。