Stroncij

Stroncij () jest hemijski element sa simbolom Sr i atomskim brojem 38. U periodnom sistemu elemenata nalazi se u petoj periodi i drugoj glavnoj grupi, pa tako pripada zemnoalkalnim metalima. On je mehki i veoma reaktivni metal. Po Mohsovoj skali ima tvrdoću 1,5.

Element je otkrio Adair Crawford 1790. i imenovao ga po mjestu Strontian u Škotskoj, gdje je i otkriven. S malim primjesama drugih elemenata, ali u prilično čistom elementarnom stanju, Humphry Davy dobio ga je 1808. u procesu elektrolize. Tek 1855. Robert Bunsen uspio je dobiti čisti stroncij. Danas se elementarni čisti stroncij upotrebljava još samo za izradu katodnih cijevi, u pirotehnici (zbog crvenog plamena), trajnim magnetima i pri topljenju aluminija.

U ljudskom tijelu ima ga u veoma malim količinama, ali nema nijednu poznatu biološku ulogu niti je neophodan. Nedavno se počelo istraživati o utjecaju stroncijevih soli, naročito stroncij-ranelata, za liječenje osteoporoze.

 Historija 
Prve dokaze o postojanju ovog elementa našli su Adair Crawford i William Cumberland Cruikshank 1790. godine, kada su detaljnije proučili jedan mineral koji potječe iz sela Strontian iz Škotske. Dotad su taj mineral smatrali barij-karbonatom ili mineralom viteritom. Od minerala su načinili hlorid te su uspoređivali mnoge osobine barij-hlorida i novonastalog hlorida, kasnije poznatog kao stroncij-hlorid. Pritom su utvrdili da se hloridi razlikuju u rastvorljivosti u vodi, a različite su bile u forme kristala. Kasnije je Friedrich Gabriel Sulzer 1791. godine novom mineralu dao ime stroncijanit po mjestu gdje je pronađen. Sulzer i Johann Friedrich Blumenbach još su preciznije proučavali mineral i pronašli i druge razlike u odnosu na viterit, kao što su različit stepen otrovnosti i boja plamena. Sljedećih godina stroncijanit su detaljnije proučavali hemičari kao što su Martin Heinrich Klaproth, Richard Kirwan, Thomas Charles Hope i Johann Tobias Lowitz te su iz njega dobili druge spojeve stroncija.

Humphry Davy uspio je 1808. dobiti stroncij u metalnom stanju elektrolitičkom redukcijom u prisustvu crvenog živa(II) oksida, čime je nastao amalgam, te ga je na kraju pročistio destilacijom. Tako dobijeni stroncij i dalje je sadržavao tragove drugih elemenata. On ga je nazvao strontium po mineralu stroncijanitu, analogno drugim zemnoalkalnim metalima. Čisti elementarni stroncij dobio je Robert Bunsen 1855. elektrolizom istopljenog stroncij-hlorida. Također je utvrdio neke osobine metala stroncija kao što je gustoća.

 Osobine 
 Fizičke 
U potpuno čistom elementarnom stanju, stroncij je svijetli, zlatnožuti, sjajni metal, dok mu primjese drugih elemenata daju srebrnastobijeli izgled. U prisustvu zraka na njegovoj površini stvara se zaštitni sloj oksida, slično kao i kod aluminija. Po temperaturi topljenja od 777 °C i temperaturi ključanja od 1380 °C nalazi se  između lahkog kalcija i težeg barija, tako da kalcij ima nešto više, a barij nešto niže talište. Nakon magnezija i radija stroncij ima najnižu tačku ključanja među zemnoalkalnim metalima. Ubraja se u lahke metale i ima gustoću 2,63 g/cm3. Vrlo je mehak – po Mohsovoj skali ima tvdoću 1,5 i može se lahko savijati i valjati. Poput kalcija, stroncij na sobnoj temperaturi se kristalizira u kubični plošno centrirani kristalni sistem, prostorna grupa Fmm (tip bakra) s parametrom rešetke a = 608,5 pm sa četiri formulske jedinice po elementarnoj ćeliji. Osim ove, poznate su još dvije modifikacije koje nastaju na visokim temperaturama. Na temperaturi višoj od 215 °C kristalna struktura mijenja se u heksagonalnu kompaktnu sferičnu strukturu (tip magnezija) s parametrima rešetke a = 432 pm i c = 706 pm. Iznad 605 °C najstabilnija je kubična prostorno centrirana struktura (tip volframa).

 Hemijske 
Nakon barija i radija stroncij je najreaktivniji zemnoalkalni metal. Reagira s halogenim elementima, kisikom, dušikom i sumporom, gradeći okside, hidrokside, fluoride i soli organskih kiselina. U svim svojim spojevima uvijek gradi dvovalentne katione. Pri zagrijavanju na zraku sagorijeva dajući tipični jarkocrveni plamen, oksidirajući na stroncij-oksid i stroncij-nitrid. Kao veoma neplemenit (bazni metal), reagira s vodom istjerujući vodik i gradeći stroncij-hidroksid, koji se stvara već pri kontaktu metala s vlagom iz zraka. Stroncij se rastvara i u amonijaku, gradeći plavo-crni kompleks (amonijakat).

 Izotopi 
Poznata su 32 izotopa stroncija i sedam nuklearnih izomera, čije su atomske mase između 75 i 101. Od njih su stabilna četiri izotopa, koja se javljaju u prirodi: 84Sr, 86Sr, 87Sr i 88Sr. U prirodnoj smjesi izotopa prevladava izotop 88Sr s udjelom 82,58%. Izotopi 86Sr s udjelom 9,86%, 87Sr sa 7%, kao i 84Sr s udjelom 0,56% mnogo su rjeđi. Izotop 90Sr emitira beta-zrake energijom raspada od 546 keV s vremenom poluraspada 28,78 godina, nakon čega prelazi u izotop 90Y, koji se dalje raspada (vrijeme poluraspada 64,1 sat), emitirajući energetski snažnije beta (energija raspada od 2282 keV) i gama-zrake, dajući stabilni izotop 90Zr. Pritom se 90Sr pojavljuje uglavnom kao sekundarni proizvod raspada. Nastaje u toku nekoliko minuta nakon višestrukog beta-raspada iz primarnih proizvoda raspada masenog broja 90, koji se javlja pri 5,7% od svih nuklearnih raspada izotopa uranija 235U u nuklearnim reaktorima i pri eksploziji atomske bombe. Zbog toga se izotop 90Sr ubraja među najčešće proizvode raspada uopće.

Kod svih dosadašnjih nuklearnih katastrofa u svijetu u okolinu su dospjele velike količine izotopa 90Sr. Nesreće uslijed kojih je u okolinu ispušten izotop 90Sr, između ostalih, jesu požar u nuklearnoj centrali Windscale 1957, kada je ispušteno 0,07 TBq 90Sr, i Černobilska katastrofa, kad je ispuštena radioaktivnost 90Sr iznosila 800 TBq. Nakon nadzemnih nuklearnih testova u periodu 1955–1958. te 1961-1963. izuzetno je porasla koncentracija 90Sr u atmosferi. To je dovelo, zajedno s povećanjem koncentracije izotopa 137Cs, do potpisivanja sporazuma o zabrani nuklearnih testova u atmosferi, svemiru i pod vodom 1963, kojim su takvi testovi zabranjeni svim državama potpisnicama. Nakon tog sporazuma primjetno je značajno smanjenje ispuštanja stroncijevog izotopa u atmosferu. Ukupna količina ispuštene radioaktivnosti 90Sr u nuklearnim testovima iznosi približno 6 Bq (600 PBq).

 Rasprostranjenost 
Zastupljen je u kontinentalnom dijelu Zemljine kore u količini od 370 ppm, što ga čini relativno dobro zastupljenim elementom – ima ga gotovo jednako kao i barija i sumpora. I u morskoj vodi nalaze se velike količine stroncija. U prirodi se ne može naći samorodan nego je prisutan samo u raznim spojevima. Uz vrlo slabu topljivost u vodi, najvažniji minerali stroncija jesu celestin (SrSO4), s udjelom stroncija do 47,7%, kao i stroncij-karbonat, odnosno stroncijanit, s udjelom stroncija do 59,4%. Do 2013. otkriveno je više od 200 minerala koji sadrže stroncij.

Depoziti najvažnijeg minerala stroncija, celestina, nastali su taloženjem teško rastvorljivog stroncij-sulfata iz morske vode. Također je moguće i hidrotermalno stvaranje minerala. Stroncijanit se stvara iz celestina hidrotermalno, ali i kao sekundarni mineral. Najznačajnija nalazišta ruda stroncija jesu u Španiji, Meksiku, Turskoj, Kini i Iranu. Ujedinjeno Kraljevstvo dugo je bilo jedan od najvećih proizvođača stroncija, ali je prestalo s proizvodnjom 1992. Svjetska potražnja za stroncijevim mineralima u 2008. iznosila je otprilike 496.000 tona.

 Dobijanje 
Početni materijal za dobijanje metalnog stroncija i njegovih spojeva najčešće je celestin (stroncij-sulfat). Po pravilu, iz njega se prvo dobija stroncij-karbonat, koji je najvažniji industrijski spoj stroncija i osnova za industrijsku proizvodnju stroncija i njegovih spojeva.

Da bi se dobio stroncij-karbonat, stroncij-sulfat se zagrijava na 1100–1200 °C u prisustvu ugljika. Pritom se sulfat reducira na sulfid te nastaju stroncij-sulfid i ugljik-dioksid. Stroncij-sulfid se zatim prečišćava putem ekstrakcije vrelom vodom.

Na kraju, kroz rastvor stroncij-sulfida uvodi se ugljik-dioksid ili se stroncij-sulfid zamjenjuje natrij-karbonatom. Pritom, osim stroncij-karbonata, nastaju vodik-sulfid, odnosno natrij-sulfid. Koja će od navedene dvije varijante biti korištena zavisi od dostupnosti potrebnih sirovina i mogućnosti prodaje međuproizvoda.

Usitnjeni mljeveni stroncij-sulfat može se direktno pretvoriti u stroncij-karbonat djelovanjem natrij- ili amonij-karbonatom. Međutim, nakon toga su potrebne skupe procedure pročišćavanja. Da bi se dobio metalni stroncij, stroncij-oksid se reducira aluminijem (aluminotermija). Pritom, osim elementarnog stroncija, nastaje smjesa aluminij- i stroncij-oksida. Reakcija se odvija u vakuumu, a pri tim uvjetima stroncij može reagirati u plinovitom stanju, te ga je takvog lahko odvojiti u uređaju za hlađenje.

 Upotreba 
Stroncij se proizvodi i koristi u vrlo malim količinama. Najveći dio proizvedenog stroncij-karbonata koristi se za pravljenje katodnih cijevi, trajnih magneta i, zbog intenzivne crvene boje plamena, kao dodatak u pirotehničkim sredstvima. Metalni stroncij najviše se koristi u industriji aluminija (kao primarni i sekundarni topionik i kalup za lijevanje) i zajedno s natrijem kao mikrostrukturni materijal za legiranje aluminija i silicija uz udio silicija 7–12%. Male količine dodanog stroncija mijenjaju eutektičnu tačku legure silicija i aluminija te poboljšavaju njene mehaničke osobine. Bez dodavanja stroncija, legure aluminija i silicija gruba su i igličasta zrna, slabih mehaničkih osobina. Svoje oplemenjivačke osobine zadržava u otopljenim smjesama spremnim za lijevanje duže od natrija, jer se malo teže oksidira od njega. Kad je riječ o sporostvrdnjavajućim otopinama (pijesku za lijevanje), djelomično je potisnuo natrij, koji je korišten decenijama. Kod brzog stvrdnjavanja u metalnim trajnim oblicima, naročito kod odljeva pod pritiskom, upotreba stroncija nije neophodna jer se već pri brzom stvrdnjavanju dobija fini, oplemenjeni oblik.

Stroncij se dodaje ferosiliciju za reguliranje strukture ugljičnih materijala te onemogućava neravnomjerno otvrdnjavanje pri lijevanju. Osim toga, može biti korišten i kao geter u elektronskim cijevima, za uklanjanje sumpora i fosfora iz čelika, te za očvršćavanje olovnih akumulatorskih ploča.

 Biološka uloga 
Acantharea je relativno velika grupa morskih zrakastih protozoa koje grade zamršene mineralne kosture sastavljene od stroncij-sulfata. U biološkim sistemima kalcij se zamjenuje malim količinama stroncija. U ljudskom tijelu najveći dio stroncija odlaže se u kostima. Odnos između stroncija i kalcija u ljudskim kostima ugrubo se kreće između 1:1000 i 1:2000, što je približan odnos kao i u krvnom serumu.

Ljudsko tijelo apsorbira stroncij na gotovo identičan način kao i kalcij. Zbog hemijskih sličnosti ta dva elementa, stabilni izotopi stroncija ne predstavljaju nikakvu značajnu opasnost po zdravlje ljudi. Naprotiv, određeni nivoi prirodnog stroncija mogu na neki način djelovati korisno. Određeni radioaktivni izotopi, naročito 90Sr, mogu dovesti do određenih poremećaja i bolesti kostiju, uključujući i rak kostiju. Za izražavanje radioaktivnosti djelovanjem izotopa 90Sr uvedena je posebna mjerna jedinica – stroncijeva jedinica. Nedavne in vitro studije koje je proveo Koledž za dentalne nauke u New York Cityju koristeći stroncij na osteoblastima pokazale su znatna poboljšanja u osteoblastima koji izgrađuju kost.

Sva četiri stabilna izotopa stroncija ugrađuju se u ljudsko tijelo u sličnim omjerima. Međutim, stvarna distribucija izotopa znatno varira od jednog do drugog geografskog područja. Na taj način, analizirajući kosti svakog pojedinca, moguće je približno odrediti njegovo geografsko porijeklo. Ovaj pristup može pomoći u identifikaciji drevnih seoba naroda i ustanovljavanju porijekla ljudskih ostataka na arheološkim nalazištima. Odnos između količina stroncijevih izotopa može pomoći i forenzičarima.

 Reference 

 Vanjski linkovi 

 WebElements.com – stroncij
 Chemistry in its element podcast
 Strontium na The Periodic Table of Videos (Univerzitet u Nottinghamu)

Kategorija:Hemijski elementi
Kategorija:Reducensi