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ストロンチウム

ストロンチウム（ラテン語: strontium[2]）は原子番号38の元素で、元素記号は Sr である。軟らかく銀白色のアルカリ土類金属で、化学反応性が高い。空気にさらされると、表面が黄味を帯びてくる。天然には天青石やストロンチアン石などの鉱物中に存在する。放射性同位体のストロンチウム90 (90Sr) は放射性降下物に含まれ、その半減期は28.90年である。

ルビジウム ← ストロンチウム → イットリウム
Ca
↑
Sr
↓
Ba
38Sr
外見
銀白色
一般特性
名称, 記号, 番号 ストロンチウム, Sr, 38
分類 アルカリ土類金属
族, 周期, ブロック 2, 5, s
原子量 87.62 
電子配置 [Kr] 5s2
電子殻 2, 8, 18, 8, 2（(画像)）
物理特性
相 固体
密度（室温付近） 2.64 g/cm3
融点での液体密度 2.375 g/cm3
融点 1050 K, 777 °C, 1431 °F
沸点 1655 K, 1382 °C, 2520 °F
融解熱 7.43 kJ/mol
蒸発熱 136.9 kJ/mol
熱容量 (25 °C) 26.4 J/(mol·K)
蒸気圧
圧力 (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温度 (K) 796 882 990 1139 1345 1646
原子特性
酸化数 2, 1[1]（強塩基性酸化物）
電気陰性度 0.95（ポーリングの値）
イオン化エネルギー 第1： 549.5 kJ/mol
第2： 1064.2 kJ/mol
第3： 4138 kJ/mol
原子半径 215 pm
共有結合半径 195±10 pm
ファンデルワールス半径 249 pm
その他
結晶構造 面心立方格子構造
磁性 常磁性
電気抵抗率 (20 °C) 132 nΩ⋅m
熱伝導率 (300 K) 35.4 W/(m⋅K)
熱膨張率 (25 °C) 22.5 μm/(m⋅K)
剛性率 6.1 GPa
ポアソン比 0.28
モース硬度 1.5
CAS登録番号 7440-24-6
主な同位体
詳細はストロンチウムの同位体を参照
同位体 NA 半減期 DM DE (MeV) DP
(82)Sr syn 25.36 d ε - (82)Rb
(83)Sr syn 1.35 d ε - (83)Rb
β+ 1.23 (83)Rb
γ 0.76, 0.36 -
(84)Sr 0.56% 中性子46個で安定
(85)Sr syn 64.84 d ε - (85)Rb
γ 0.514 (D) -
(86)Sr 9.86% 中性子48個で安定
(87)Sr 7.0% 中性子49個で安定
(88)Sr 82.58% 中性子50個で安定
89Sr syn 50.52 d ε 1.49 (89)Rb
β- 0.909 (D) (89)Y
90Sr trace 28.90 y β- 0.546 90Y
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名称

元素名は、1787年に発見されたストロンチアン石（ストロンチウムを含む鉱物）の産出地、スコットランドの(ストロンチアン)（英語版）(英語: Strontian、スコットランド・ゲール語: Sron an t-Sìthein)という村にちなむ。[3]。

性質

 
酸化ストロンチウムのデンドライト

結晶構造は温度、圧力条件により異なる3種類を取り得る。常温、常圧で安定なものは面心立方格子構造 (FCC, α-Sr)、213℃〜621℃の間では六方最密充填構造（HCP,β-Sr)、621℃〜769℃の間では体心立方格子（BCC,γ-Sc)がそれぞれ最も安定となる。銀白色の金属で、比重は2.63、融点は777 °C、沸点は1382 °C。炎色反応で赤色を呈する。空気中では灰白色の酸化物被膜を生じる。水とは激しく反応し水酸化ストロンチウムと水素を生成する。

 

生理的にはカルシウムに良く似た挙動を示し、骨格に含まれる。

酸化ストロンチウムのアルミニウムによる還元、および塩化ストロンチウムなどの溶融塩電解により金属単体が製造され、蒸留により精製される。

 

用途

炎色反応が赤であるため、花火や発炎筒の炎の赤い色の発生には塩化ストロンチウムなどが用いられる。そのほか、高温超伝導体の材料として使われる。

炭酸ストロンチウムは、ブラウン管などの陰極線管のガラスに添加される。また、フェライトなどの磁性材料の原料としても用いられる。

単体のストロンチウムは酸素などとの反応性が高いため、真空装置中のガスを吸着する(ゲッター)として用いられる。

同位体

詳細は「ストロンチウムの同位体」および「ストロンチウム90」を参照

ウランの核分裂生成物など、人工的に作られる代表的な物質放射性同位体としてヨウ素131、セシウム137と共にストロンチウム90 (90Sr) がある。ストロンチウム90は、半減期が28.8年でベータ崩壊を起こして、イットリウム90に変わる。原子力電池の放射線エネルギー源として使われる。体内に入ると電子配置・半径が似ているため、骨の中のカルシウムと置き換わって体内に蓄積し長期間にわたって放射線を出し続ける。このため大変危険であるが、揮発性化合物を作りにくく[4]原発事故で放出される量はセシウム137と比較すると少ない。

地質学においては、ルビジウム87からβ崩壊により半減期4.9×1010年でストロンチウム87が生成されることを利用して、主に数千万年以前の岩石の年代測定に用いられる。((Rb-Sr法))[5]

骨に吸収されやすいという性質を生かして、別の放射性同位体であるストロンチウム89は骨腫瘍の治療に用いられる。ストロンチウム89の半減期は50.52日と短く比較的短期間で崩壊するため、短期間に強力な放射線を患部に直接照射させることができる。

骨に吸収されやすいので自然界で見つかるのとほぼ同じ比率で、4つ全ての安定同位体が取り込まれている。また、同位体の分布比率は地理的な場所によって異なる傾向がある。[6][7] これによって古代における人間の移動や、戦場の埋葬地に混在する人間の起源を特定することに役立つ。 [8]

生体に対する影響

ストロンチウム90は骨に蓄積されることで生物学的半減期が長くなる（長年、体内にとどまる）ため、ストロンチウム90は、ベータ線を放出する放射性物質のなかでも人体に対する危険が大きいとされている[4]。

家畜への蓄積

1957年から北海道で行われた調査では、1960年代から1970年代に北海道のウシやウマの骨に蓄積されていた放射性ストロンチウム (90Sr) は2,000-4,000 mBq/gを記録していたが、大気圏内核実験の禁止後は次第に減少し、現在では100 mBq以下程度まで減少している。また、ウシとウマではウマの方がより高濃度で蓄積をしていて加齢と蓄積量には相関関係があるとしている。屋外の牧草を直接食べるウシとウマは、放射能汚染をトレースするための良い生物指標となる[9]。

放射性ストロンチウムの体外排泄

1960年代、米ソを中心に大気圏内の核実験が盛んに行われた。これに伴い、体内に取り込まれた放射性物質の除去剤や排泄促進法に関する研究も数多く行われている。放射性ストロンチウムは生体内ではカルシウムと同じような挙動をとる。IAEA（国際原子力機関）は放射性ストロンチウムを大量に摂取した場合、アルギン酸の投与を考慮するように勧告している[10]。アルギン酸は褐藻類の細胞間を充填する粘質多糖で、カルシウムよりもストロンチウムに対する親和性が高いことが知られている。ヒトにアルギン酸を経口投与してから放射性ストロンチウムを投与すると、投与していない場合と比べて体内残留量が約1⁄8になることが報告されている[11][12]。また動物実験でも同様の効果があることが確かめられている[13]。

歴史

 
ストロンチウムの炎色試験

1790年、バリウムの調合に携わった医師である(Adair Crawford)と同僚の(William Cruickshank)がストロンチアン石が他の重晶石("heavy spars")の元となる石の特性とは異なる特性を示すことを認識した[14]。これによりAdairは355ページで「・・・実際にこのスコットランドの鉱物はこれまで十分に調べられていない新種の土類である可能性が高い」と締めくくっている。医師で鉱物収集家である(Friedrich Gabriel Sulzer)はヨハン・フリードリヒ・ブルーメンバッハとともにストロンチアン産の鉱物を分析しストロンチアナイトと名付けた。また、(毒重石)（英語版）とは異なり新たな土類(neue Grunderde)を含んでいるという結論を出した[15]。1793年、グラスゴー大学の化学教授Thomas Charles Hopeがストロンタイト(strontites)という名前を提案する[16][17][18][19]。1808年にハンフリー・デービー卿により、塩化ストロンチウムと酸化水銀(II)を含む混合物の電気分解により最終的に分離され、1808年6月30日の王立協会での講演で発表された[20]。他のアルカリ土類の名前に合わせ、名前をストロンチウムに変更した[21][22][23][24][25]。

ストロンチウムの最初の大規模な適用は、テンサイからの砂糖の生産であった。水酸化ストロンチウムを用いた結晶化プロセスは1849年に(Augustin-Pierre Dubrunfaut)により特許がとられたが[26]、1870年代初期にプロセスが改善されたことで大規模な導入が行われた。ドイツの(砂糖工業)は20世紀までこのプロセスをうまく利用していた。第一次世界大戦前、テンサイの砂糖産業はこのプロセスに年間10万から15万トンの水酸化ストロンチウムを使用していた[27]。水酸化ストロンチウムはこのプロセスでリサイクルされたが、製造中の損失を補う需要はミュンスターランドでストロンチアナイトの採掘を始める大きな需要を生み出すほど高かった。ドイツのストロンチアナイトの採掘はグロスタシャーで天青石鉱床の採掘が始まると終了した[28]。これらの鉱山は1884年から1941年までの世界のストロンチウム供給のほとんどを賄った。グラナダ盆地の天青石鉱床はしばらくの間知られていたが、大規模な採掘は1950年代より前には始まっていない[29]。

大気の核実験中に、ストロンチウム90が比較的多く生じる(核分裂生成物質)の1つであることが観察された。カルシウムとの類似性とストロンチウム90が骨に豊富にある可能性から、ストロンチウムの代謝に関する研究が重要なトピックとなった[30][31]。

産出

 
2014年のストロンチウムの生産国[32]

2015年現在の天青石としてのストロンチウムの3つの主要産出国は、中国(150,000 t)、スペイン(90,000 t)、メキシコ(70,000 t)であり、アルゼンチン(10,000 t)やモロッコ(2,500 t)は小規模産出国である。ストロンチウム鉱床はアメリカに広く存在しているが、1959年以降採掘されていない[32]。

採掘される天青石(SrSO4)の大部分は2つのプロセスにより炭酸塩に変換される。天青石を炭酸ナトリウム溶液で直接浸出するか、石炭で焙煎し硫化物を作る。2番目の段階では主に硫化ストロンチウム含む暗色の物質が作られる。このいわゆる「黒灰」（ブラックアッシュ）は水に溶けて濾過される。炭酸ストロンチウムは二酸化炭素を入れることにより硫化ストロンチウム溶液から沈殿する[33]。硫酸塩は炭素還元により硫化物に還元される。

SrSO4 + 2 C → SrS + 2 CO2

毎年30万トンにこのプロセスが行われている[34]。

ストロンチウム金属は、商業的には酸化ストロンチウムをアルミニウムで還元することにより製造されている。混合物から蒸留される[34]。溶融塩化カリウム中の塩化ストロンチウム溶液の電気分解により小規模で調製することもできる[35]。

Sr2+ + 2 e- → Sr
2 Cl− → Cl2 + 2 e-

ストロンチウムの化合物

参考書籍

  • 『放射化学』著：古川路明 出版：朝倉書店 1994年03月25日 (ISBN 978-4-254-14545-8) C3343

出典

[脚注の使い方]
  1. ^ P. Colarusso et al. (1996). “High-Resolution Infrared Emission Spectrum of Strontium Monofluoride”. J. Molecular Spectroscopy 175: 158. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022285296900193. 
  2. ^ WEBSTER'S DICTIONARY, 1913
  3. ^ (桜井弘)『元素111の新知識』講談社、1998年、195頁。ISBN (4-06-257192-7)。 
  4. ^ a b ストロンチウム-90 原子力資料情報室 (CNIC)
  5. ^ 柴田　賢 (1985). “Rb-Sr法”. 地学雑誌 94-7: 102-106. 
  6. ^ Price, T. Douglas; (Schoeninger, Margaret J.); Armelagos, George J. (1985). “Bone chemistry and past behavior: an overview”. Journal of Human Evolution 14 (5): 419–47. doi:10.1016/S0047-2484(85)80022-1. 
  7. ^ Steadman, Luville T.; Brudevold, Finn; Smith, Frank A. (1958). “Distribution of strontium in teeth from different geographic areas”. The Journal of the American Dental Association 57 (3): 340–44. doi:10.14219/jada.archive.1958.0161. PMID (13575071). 
  8. ^ Schweissing, Matthew Mike; Grupe, Gisela (2003). “Stable strontium isotopes in human teeth and bone: a key to migration events of the late Roman period in Bavaria”. Journal of Archaeological Science 30 (11): 1373–83. doi:10.1016/S0305-4403(03)00025-6. 
  9. ^ 近山之雄, 八木行雄, 塩野浩紀 ほか、「北海道における90Srの牛馬骨への蓄積状況 『RADIOISOTOPES』 1999年 48巻 4号 p.283-287、日本アイソトープ協会
  10. ^ IAEA Safety Series 47 (1978)
  11. ^ Hesp R. and Ramsbottom, B., Nature (1965)
  12. ^ 市川竜資「放射性ストロンチウムとアルギン酸」『化学と生物』1969年 7巻 4号 p.208-211, doi:10.1271/kagakutoseibutsu1962.7.208
  13. ^ 西村義一, 魏仁善, 金絖崙 ほか、「放射性Srの代謝に及ぼすキトサンとアルギン酸の影響について」『RADIOISOTOPES』 1991年 40巻 6号 p.244-247, doi:10.3769/radioisotopes.40.6_244
  14. ^ Crawford, Adair (1790). “On the medicinal properties of the muriated barytes”. Medical Communications 2: 301–59. https://books.google.com/books?id=bHI_AAAAcAAJ&pg=P301. 
  15. ^ Sulzer, Friedrich Gabriel; Blumenbach, Johann Friedrich (1791). “Über den Strontianit, ein Schottisches Foßil, das ebenfalls eine neue Grunderde zu enthalten scheint”. Bergmännisches Journal: 433–36. https://books.google.com/books?id=gCY7AAAAcAAJ&pg=PA433. 
  16. ^ Although Thomas C. Hope had investigated strontium ores since 1791, his research was published in: Hope, Thomas Charles (1798). “Account of a mineral from Strontian and of a particular species of earth which it contains”. Transactions of the Royal Society of Edinburgh 4 (2): 3–39. doi:10.1017/S0080456800030726. https://books.google.com/books?id=5TEeAQAAMAAJ&pg=RA1-PA3. 
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  18. ^ Doyle, W.P.. “”. The University of Edinburgh. 2013年6月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。2020年3月閲覧。
  19. ^ Hope, Thomas Charles (1794). “Account of a mineral from Strontian and of a particular species of earth which it contains”. Transactions of the Royal Society of Edinburgh 3 (2): 141–49. doi:10.1017/S0080456800020275. https://books.google.com/books?id=7StFAAAAcAAJ&pg=PA143. 
  20. ^ Davy, H. (1808). “Electro-chemical researches on the decomposition of the earths; with observations on the metals obtained from the alkaline earths, and on the amalgam procured from ammonia”. Philosophical Transactions of the Royal Society of London 98: 333–70. doi:10.1098/rstl.1808.0023. https://books.google.com/books?id=gpwEAAAAYAAJ&pg=102#v=onepage&q&f=false. 
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  24. ^ Partington, J. R. (1951). “The early history of strontium. Part II”. Annals of Science 7: 95. doi:10.1080/00033795100202211. 
  25. ^ Many other early investigators examined strontium ore, among them: (1) Martin Heinrich Klaproth, "Chemische Versuche über die Strontianerde" (Chemical experiments on strontian ore), Crell's Annalen (September 1793) no. ii, pp. 189–202 ; and "Nachtrag zu den Versuchen über die Strontianerde" (Addition to the Experiments on Strontian Ore), Crell's Annalen (February 1794) no. i, p. 99 ; also (2) Kirwan, Richard (1794). “Experiments on a new earth found near Stronthian in Scotland”. The Transactions of the Royal Irish Academy 5: 243–56. 
  26. ^ Fachgruppe Geschichte Der Chemie, Gesellschaft Deutscher Chemiker (2005). Metalle in der Elektrochemie. pp. 158–62. https://books.google.com/?id=xDkoAQAAIAAJ&q=dubrunfaut+strontium&dq=dubrunfaut+strontium 
  27. ^ Heriot, T. H. P (2008). “strontium saccharate process”. Manufacture of Sugar from the Cane and Beet. ISBN (978-1-4437-2504-0). https://books.google.com/books?id=-vd_cn4K8NUC&pg=PA341 
  28. ^ Börnchen, Martin. “”. 2014年12月11日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年11月9日閲覧。
  29. ^ Martin, Josèm; Ortega-Huertas, Miguel; Torres-Ruiz, Jose (1984). “Genesis and evolution of strontium deposits of the granada basin (Southeastern Spain): Evidence of diagenetic replacement of a stromatolite belt”. Sedimentary Geology 39 (3–4): 281. Bibcode: 1984SedG...39..281M. doi:10.1016/0037-0738(84)90055-1. 
  30. ^ “Chain Fission Yields”. iaea.org. 2020年3月閲覧。
  31. ^ Nordin, B. E. (1968). “Strontium Comes of Age”. British Medical Journal 1 (5591): 566. doi:10.1136/bmj.1.5591.566. PMC 1985251. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1985251/. 
  32. ^ a b Ober, Joyce A.. “Mineral Commodity Summaries 2015: Strontium”. United States Geological Survey. 2016年3月26日閲覧。
  33. ^ Kemal, Mevlüt; Arslan, V.; Akar, A.; Canbazoglu, M. (1996). Production of SrCO3 by black ash process: Determination of reductive roasting parameters. p. 401. ISBN (978-90-5410-829-0). https://books.google.com/books?id=5smDPzkw0wEC&pg=PA401 
  34. ^ a b MacMillan, J. Paul; Park, Jai Won; Gerstenberg, Rolf; Wagner, Heinz; Köhler, Karl and Wallbrecht, Peter (2002) "Strontium and Strontium Compounds" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim. doi:10.1002/14356007.a25_321.
  35. ^ Greenwood and Earnshaw, p. 111

関連項目

 
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  • (ルビジウム-ストロンチウム年代測定)（英語版）
  • 光格子時計
  • (ストロンチウム格子時計)

外部リンク

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