锶

历史

锶的名字来源于苏格兰的一个村庄Strontian，发现于此处开采出的铅矿石中。1790年，制钡物理学家Adair Crawford和他的同事威廉·克鲁克香克发现，Strontian矿显示出与其他“重晶石”中常见的特性不同的特性。因此，Adair在第355页指出这样的结论：“……苏格兰的这种矿石可能其实是一种新型土壤，但却没有对其进行过足够的研究。”这位物理学家与矿石收藏家Friedrich Gabriel Sulzer以及Johann Friedrich Blumenbach共同对来自Strontian的这种矿物质进行了分析，并将其命名为菱锶矿（strontianite）。他还得出另一个结论：这样矿物质与毒重石（witherite）不同，它含有一种新型土壤。1793年，格拉斯哥大学化学教授Thomas Charles Hope提议采用strontites这个名字。他肯定了Crawford早期的研究成果，同时也重申：“……考虑到它是一种特殊的土壤，我认为有必要给它重新命名。根据它被发现的地点名称，我将它命名为Strontites；这是我采用的一种派生法，恰如其分，也是目前流行的一种做法。”这种元素最终于1808年由汉弗里·戴维爵士分离出来，是通过电解法将含有氯化锶和氧化汞的混合物分离后得出，他于1808年6月30日在英国皇家学会作报告时宣布这一成果。。仿照为其他碱性土命名的方法，他后来又将名字改为strontium（锶）。
对锶的首次大规模应用是用甜菜生产糖。虽然早在1849年由Augustin-Pierre Dubrunfaut专利发明可采用氢氧化锶进行晶化处理，但直到19世纪70年代对这一工艺进行改进之后才得以大规模应用。德国的制糖业直到20世纪还在使用这一工艺。第一次世界大战之前，甜菜制糖业每年要使用10-15万吨氢氧化锶。在制糖工艺中氢氧化锶得到回收利用，然而，若要弥补生产过程中产生的大量流失，就需要在明斯特兰地区大规模开采菱锶矿。当格罗斯特郡开始开采天青石矿藏之后，德国就不再开采菱锶矿。1884-1941年期间，这些矿的开采基本确保了全世界的锶需求量。虽然格拉纳达盆地的天青石矿藏已为世人所知有一段时间，但大规模开采直到20世纪50年代才开始。
在大气核武器试验期间发现，90Sr是核裂变产生的产量相对较高的产物之一。由于与钙相似，90Sr可在骨骼中富集，因此关于锶代谢方面的研究已成为一个重要课题。

核性质

天然的锶是四种同位素的混合物：⁸⁴Sr, ⁸⁶Sr, ⁸⁷Sr和⁸⁸Sr。它们都贡献着锶的相对原子质量，最终的⁸⁸Sr占着82.6%的比例，其中，由于长寿命的放射性⁸⁷Rbβ衰变会影响其产生的⁸⁷Sr的丰度在一定范围内变化。在不稳定同位素中，同位素比⁸⁵Sr的主要衰变模式是电子捕获或正电子发射，产生铷的同位素，而比⁸⁸Sr重的同位素的电子发射则会产生钇的同位素。最受关注的是⁸⁹Sr和⁹⁰Sr。前者的半衰期为50.6天，由于锶和钙的化学性质相似，它可以一定程度上取代钙，用于治疗骨癌。虽然⁹⁰Sr（半衰期28.90年）有着类似的应用，但它可以用于裂变产物的生产，即可能被用于核武器，并可能造成核事故。另外，它在骨骼中的存在可引起骨癌，以及附近组织的癌症和白血病。1986年切尔诺贝利核事故的污染约30,000平方公里，⁹⁰Sr中仅5%就造成了超过了10 kBq/m²的污染。

物理性质

锶是二价的银白色金属，略带浅黄色光泽，其性质介于同族的钙和钡之间。它比钙软，比钡硬，其熔点（777 °C）和沸点（1655 °C）比钙的低（熔点842 °C，沸点1757 °C），钡的熔点顺着这个趋势下降（727 °C）但沸点（2170 °C）却上升了。锶的密度为2.64 g/cm³，在钙的密度（1.54 g/cm³）与钡的密度（3.594 g/cm³）之间。锶存在三种同素异形体，相变点在235 °C和540 °C。

化学性质

Sr²⁺/Sr的标准电极电势为−2.89 V，介于Ca²⁺/Ca（−2.84 V）和Ba²⁺/Ba（−2.92 V）这两个电对之间，与其相邻的碱金属相近。锶和水反应的活泼性在钙和钡之间，反应迅速，生成氢氧化锶并放出氢气。金属锶在空气中燃烧，生成氧化锶和氮化锶，但它在380 °C以下不和氮气反应，因此在室温只会生成氧化物。锶和氧能形成的氧化物除了简单的氧化锶（SrO）外，还可以通过高压下锶和氧的直接反应得到过氧化锶（SrO₂），另外，黄色的超氧化锶（Sr(O₂)₂）也是存在的。锶的氢氧化物Sr(OH)₂是一种强碱，尽管碱性弱于氢氧化钡和碱金属氢氧化物。锶的所有卤化物都是已知的。
由于s-区元素的大半径，锶可以形成配位数为2、3、4甚至到22或24的化合物，如SrCd₁₁ and SrZn₁₃。Ca²⁺同理。大体积的锶和钡在和多齿配体形成稳定配合物方面起着重要作用，如18-冠-6之类的冠醚和碱金属与钙形成的配合物的键比较弱，和锶与钡形成的配合物的碱就较强。
有机锶化合物包含着一个或更多的Sr–C键。它们在Barbier反应中作为中间体而被报道。尽管锶和镁同族，有机镁化合物在化学中的应用非常常见，但有机锶化合物却较少用到，这是因为有机锶化合物较难制备，且更活泼。由于Sr²⁺的半径（118 pm）和Eu²⁺（117 pm）、Sm²⁺（122 pm）相接近，有机锶化合物的性质更接近于有机铕化合物和有机钐化合物。这些化合物大部分都只能在低温制备，体积大的配体有利于其稳定。例如，环戊二烯锶Sr(C₅H₅)₂需要由金属锶和环戊二烯汞或环戊二烯母体本身反应，但将C₅H₅配体换成体积更大的甲基取代物C₅(CH₃)₅配体，可以增加化合物的溶解度、挥发性以及动力学稳定性。
由于对氧和水的高度反应性，锶单质在自然界中只会以化合物的形式出现在矿物中，如菱锶矿和天青石。金属锶需要保存在液体石蜡或煤油中以防氧化；新鲜的金属锶在空气中暴露，会形成氧化物而迅速变黄。细粉状的锶极易燃烧，它会在室温自燃。挥发性的锶盐在火焰中会产生明亮的红色，这来源于锶的焰色反应，这些盐用于焰火中以产生特定的颜色或特效。锶和钙、钡一样，以及所有的二价镧系金属（Eu、Yb等），锶可以迅速溶解在液氨中，产生深蓝色的溶液。

存在形式

锶通常存在于自然之中，是地球上第15大蕴藏量最丰富的元素，估计在地壳中每一百万中就有约360个锶元素，主要以硫酸盐矿物天青石（SrSO₄）和碳酸盐矿物菱锶矿（SrCO₃）两种形式存在。在这两种矿物质中，天青石更常见于大型沉积层，非常适于开采和开发。由于锶通常以碳酸形式使用，因此两者中菱锶矿更为常用，但几乎还没有发现适于开采开发的菱锶矿。
海水中的锶平均含量为8毫克/升。锶的浓度为82-90微摩尔/升，远低于钙的浓度，钙浓度通常为9.6-11.6毫摩尔/升。

同位素

锶具有4个自然存在的稳定同位素：⁸⁴Sr（0.56%）、⁸⁶Sr（9.86%）、⁸⁷Sr （7.0%）和⁸⁸Sr（82.58%）。其中只有⁸⁷Sr通过放射产生：也就是从放射性碱性金属⁸⁷Rb（铷）衰变后产生，铷的半衰期为4.88 × 10¹⁰年。这样，任何一种材料中均有两种⁸⁷Sr的来源：第一种是利用晶石与⁸⁴Sr、⁸⁶Sr和 ⁸⁸Sr三种同位素共同生成；第二种是⁸⁷Rb放射性衰变后产生的。⁸⁷Sr与⁸⁶Sr之间的比率是地质调查中通常使用的参数；矿物质与岩石的比率范围为0.7到4.0以上。锶与钙的原子半径接近，它可以替代各种材料中的钙。
已知存在的同位素有16种。其中最为重要的是半衰期为28.78年的⁹⁰Sr以及半衰期为50.5天的⁸⁹Sr。⁹⁰Sr是核裂变的副产物，存在于核尘中，由于它可替代骨骼中的钙而无法从身体排出，因此造成健康问题。这样同位素是已知的存在时间最长的高能率β辐射体，用于核辅助动力系统SNAP设备中。这种设备非常适用于航天器、远程气象站和航行浮标，需配备有薄型耐用核电装备。1986年的切尔诺贝利核电泄漏事故导致了大面积⁹⁰Sr污染。将90Sr封存在凹形银箍中也可用于翼状胬肉切除后的治疗。
⁸⁹Sr是一种非耐用人造放射性同位素，用于治疗骨癌。当癌症病人骨骼出现大面积（继发性）疼痛性病毒转移时，施用⁸⁹Sr可引发放射性辐射（这种情况下也就是β颗粒辐射），直接辐射到有病患的骨骼周围（也就是钙转换最多的地方）。⁸⁹Sr是作为（可溶性）氯盐生产出的，溶解于普通的盐水后可用于静脉注射。一般来说，治疗癌症病人时使用的剂量是150MBq。患者须谨慎施用，由于他们的尿液会受到放射性污染，因此必须坐便并重复冲洗马桶。β颗粒在骨骼中的移动速度为3.5毫米（能量0.583 MeV），在组织中的移动速度为6.5毫米，因此不必隔离治疗中的患者，例外的是，施用10-40天内不可让其他人（尤其是儿童）在其膝上久坐。根据⁸⁹Sr清除所需时间，对久坐时间的要求也随之变化，这取决于肾脏功能和病毒转移量。若病毒转移量较大，全部剂量的⁸⁹Sr可抵达骨骼内部，因此放射性直到50.5天的半衰期后才会发生衰变。需要10个半衰期或者约500天才可使99.9%的放射性锶⁸⁹Sr发生衰变。然而，若骨骼病毒转移量较小，未被骨骼吸收的大部分⁸⁹Sr会被肾脏过滤掉，因此有效半衰期（物理和生物半衰期）就要短得多。

应用

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是一种放射性同位素，是铀-235裂变产物，其半衰期为28.9年。
可做β射线的放射源，对人体有相当大的危害，半衰期为25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。在医学上有一定的应用。
锶产量的75%用于彩色电视机内的玻璃阴极射线管。它可以防止X射线辐射。阴极射线管（CRT）的每一个部分必须要能够吸收X射线。在阴极射线管的颈部和漏斗位置使用铅玻璃就是为此目的，但这种铅玻璃由于内部X射线起反应而产生褐化效应。因此，前板应当使用一种不同的玻璃混合物，其中的锶和钡就是吸收X射线的物质。2005年进行的一项回收研究表明，玻璃混合物平均值应当是8.5%氧化锶加上10%氧化钡。阴极射线管中的锶用量出现下降，因为阴极射线管被其他显示法取代，这对锶的开采量和提炼量产生重大影响。
由于锶与钙类似，因此锶也可被骨吸收，4种稳定同位素也大体按自然比例被吸收。然而，不同地理位置的同位素实际比例变化较大。因此，通过分析个人的骨骼可以帮助确定其来自哪一地区。这种方法有助于确定古代迁移模式，也有助于识别战场掩埋地点的混合人类遗体。因此，锶对法政科学家也有帮助。
⁸⁷Sr与⁸⁶Sr之间的比例常用于确定自然系统中沉积物的可能起源地，尤其是海洋和河流环境中的沉积物。Dasch在1969年证明，大西洋底表面沉积物中的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比例可被视为邻近陆地地理地形的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr整体平均比例。关于河流海洋系统的锶同位素起源地方面的一项成功研究对象就是尼罗河-地中海系统，由于蓝色和白色尼罗河主体岩石的石龄不同，可通过研究锶同位素确定抵达尼罗河三角洲和东部地中海的一系列沉积物的起源地汇水区。这种起源地变化受晚第四纪气候控制。
最近，⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比例也被用于确定古代材料的起源，比如说新墨西哥查科峡谷中的林木和玉米起源地。牙齿中的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比例也可用于推断动物迁移路线或者用于犯罪法证。
碳酸钙或其他锶盐可在烟火中形成深红色，因此用于烟火制造，用量约占全世界产量的5%。
氯化锶有时也用于生产适用于敏感性牙齿的牙膏。有一个流行品牌的牙膏中使用了10%重量的氯化锶六水合物。
在锌的提炼过程中也可使用少量的锶以去除所含的少量铅杂质。

放射性锶的用途

⁸⁹Sr是美他特龙中的一种活性成分（也就是通用的美他特龙Metastron，是Bio-Nucleonics公司生产的泛型氯化锶Sr-89注射液），美他特龙是一种放射性药物，用于治疗缓解转移性骨癌的继发性骨痛。锶与钙的作用类似，在骨质增生处更易被骨吸收，因此癌病变部位更易暴露于辐射。
⁹⁰Sr作为一种能源用于放射性同位素热电发生器（RTGs）。每克⁹⁰Sr可生成约0.93瓦特的热能（在RTGs中使用的⁹⁰Sr若采取氟化锶形式，产生的热能则略低）。然而，⁹⁰Sr比另一种RTG燃料钚（²³⁸Pu）的寿命短1/3而且密度也低。⁹⁰Sr的主要优势在于，它比²³⁸Pu价格低而且存在于核废物中。苏联将其北部沿海地区的近1000个放射性同位素热电发生器作为灯塔和气象站使用。
⁹⁰Sr也用于治疗癌症，其β辐射率以及较长的半衰期适于作表层放射治疗。

医学用途

把放射性的锶-87m引入患者身体中，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半衰期只有2.8小时，会很快从人体中排出，因此，人体所受辐射量很小。

生物角色

等辐骨虫纲是一种相对大型群居的海生放射虫，可生成由硫酸锶组成的复杂矿物骨架。在生物系统中，有少量的钙会被锶替代。在人体内，吸收的锶多存在于骨骼中。人体内锶与钙的比例在1:1000到1:2000之间，基本上与血清内的锶/钙比例相同。

对人体的作用

人体吸收锶就象吸收钙一样。由于这两种元素具有化学相似性，稳定状态的锶不会对健康造成严重影响——事实上，人体中自然存在的一定水平的锶可能是有益的（如下所述）——但是放射性⁹⁰Sr可导致各种形式的骨骼问题和疾病，包括骨癌。锶单位用于衡量已吸收的⁹⁰Sr的放射性。
最近由纽约牙科大学使用锶对成骨细胞进行的一项试管试验表明，施用锶后成骨细胞的造骨功能显著提高。
锶与雷奈酸合成的药品雷尼酸锶，对骨骼生长具有辅助作用，它可提高骨骼密度，并可减少椎骨、周边骨和臀部发生骨折。使用这种药物的女性患者骨骼密度提高了12.7%，而对照组的女性患者骨骼密度下降了1.6%。根据X射线密度法测量，骨骼密度增加有一半原因是由于锶具有比钙高的原子重，另一半原因是由于骨量增加。雷尼酸锶在欧洲以及许多其他国家是作为处方药登记的，必须由医生开处方、由药师给药使用，并且受严格的医疗监督。
自20世纪50年代开始，关于锶的有益之处的医学研究已有很长历史。研究表明，锶不具有不良副作用。在美国，根据《1994膳食补充剂健康教育法》，其他几种锶盐如柠檬酸锶和碳酸锶是可以服用的，只要服用的雷尼酸锶接近建议的锶含量，也就是大约680毫克/天的剂量。关于锶对人体的长期安全性和有效性，还未进行过大规模医疗试验。然而，确实有一些公司在生产锶片以提高骨健康。
皮肤施用锶可抑制瘙痒感觉。在皮肤上施用锶可明显加快表皮屏障的修复率。