Estroncio

El estroncio es el elemento químico con el símbolo Sr y el número atómico 38. Un metal alcalinotérreo, el estroncio es un elemento metálico amarillento de color blanco plateado suave que es altamente reactivo químicamente. El metal forma una capa de óxido oscuro cuando se expone al aire. El estroncio tiene propiedades físicas y químicas similares a las de sus dos vecinos verticales en la tabla periódica, el calcio y el bario. Ocurre naturalmente principalmente en los minerales celestina y estroncianita, y se extrae principalmente de estos.

Tanto el estroncio como la estroncianita llevan el nombre de Strontian, un pueblo de Escocia cerca del cual Adair Crawford y William Cruickshank descubrieron el mineral en 1790; se identificó como un elemento nuevo al año siguiente a partir de su color de prueba de llama rojo carmesí. El estroncio fue aislado por primera vez como metal en 1808 por Humphry Davy utilizando el proceso de electrólisis recién descubierto. Durante el siglo XIX, el estroncio se utilizó principalmente en la producción de azúcar a partir de la remolacha azucarera (ver proceso de estroncio). En el apogeo de la producción de tubos de rayos catódicos para televisión, hasta el 75% del consumo de estroncio en los Estados Unidos se utilizó para el vidrio de la placa frontal. Con la sustitución de los tubos de rayos catódicos por otros métodos de visualización, el consumo de estroncio se ha reducido drásticamente.

Mientras que el estroncio natural (que es principalmente el isótopo estroncio-88) es estable, el estroncio-90 sintético es radiactivo y es uno de los componentes más peligrosos de la lluvia radiactiva, ya que el cuerpo absorbe el estroncio de manera similar al calcio. El estroncio estable natural, por otro lado, no es peligroso para la salud.

Características

El estroncio es un metal plateado divalente con un tinte amarillo pálido cuyas propiedades son en su mayoría intermedias y similares a las de sus vecinos del grupo calcio y bario. Es más blando que el calcio y más duro que el bario. Sus puntos de fusión (777 °C) y ebullición (1377 °C) son inferiores a los del calcio (842 °C y 1484 °C respectivamente); el bario continúa esta tendencia descendente en el punto de fusión (727 °C), pero no en el punto de ebullición (1900 °C). La densidad del estroncio (2,64 g/cm) es igualmente intermedia entre la del calcio (1,54 g/cm) y la del bario (3,594 g/cm). Existen tres alótropos de estroncio metálico, con puntos de transición a 235 y 540 °C.

El potencial de electrodo estándar para el par Sr/Sr es −2,89 V, aproximadamente a medio camino entre los de los pares Ca /Ca (−2,84 V) y Ba /Ba (−2,92 V), y cerca de los de los metales alcalinos vecinos. El estroncio es intermedio entre el calcio y el bario en su reactividad con el agua, con la que reacciona al contacto para producir hidróxido de estroncio e hidrógeno gaseoso. El estroncio metálico se quema en el aire para producir tanto óxido de estroncio como nitruro de estroncio, pero dado que no reacciona con el nitrógeno por debajo de los 380 °C, a temperatura ambiente, solo forma el óxido de forma espontánea. Además del óxido simple SrO, el peróxido SrO ₂se puede hacer por oxidación directa de estroncio metálico bajo una alta presión de oxígeno, y hay alguna evidencia de un superóxido amarillo Sr(O ₂) ₂. El hidróxido de estroncio, Sr(OH) ₂, es una base fuerte, aunque no tan fuerte como los hidróxidos de bario o los metales alcalinos. Se conocen los cuatro dihaluros de estroncio.

Debido al gran tamaño de los elementos pesados ​​del bloque S, incluido el estroncio, se conoce una amplia gama de números de coordinación, desde 2, 3 o 4 hasta 22 o 24 en SrCd ₁₁ y SrZn ₁₃. El ion Sr es bastante grande, por lo que los números de coordinación altos son la regla. El gran tamaño del estroncio y el bario juega un papel importante en la estabilización de los complejos de estroncio con ligandos macrocíclicos polidentados como los éteres corona: por ejemplo, mientras que el 18-corona-6 forma complejos relativamente débiles con el calcio y los metales alcalinos, sus complejos de estroncio y bario son mas fuerte.

Los compuestos organotrontium contienen uno o más enlaces estroncio-carbono. Se han informado como productos intermedios en reacciones de tipo Barbier. Aunque el estroncio está en el mismo grupo que el magnesio, y los compuestos de organomagnesio se usan con mucha frecuencia en la química, los compuestos de organoestroncio no están tan extendidos porque son más difíciles de fabricar y más reactivos. Los compuestos de organostrontium tienden a ser más similares a los compuestos de organoeuropium u organosamario debido a los radios iónicos similares de estos elementos (Sr 118 pm; Eu 117 pm; Sm 122 pm). La mayoría de estos compuestos solo se pueden preparar a bajas temperaturas; los ligandos voluminosos tienden a favorecer la estabilidad. Por ejemplo, diciclopentadienilo de estroncio, Sr(C ₅ H ₅) ₂, debe hacerse haciendo reaccionar directamente el estroncio metálico con el propio mercuroceno o ciclopentadieno; reemplazar el ligando C ₅ H ₅ con el ligando C ₅ (CH ₃) ₅ más voluminoso por otro lado aumenta la solubilidad, volatilidad y estabilidad cinética del compuesto.

Debido a su extrema reactividad con el oxígeno y el agua, el estroncio se encuentra naturalmente solo en compuestos con otros elementos, como en los minerales estroncianita y celestina. Se mantiene bajo un hidrocarburo líquido como aceite mineral o queroseno para evitar la oxidación; El estroncio metálico recién expuesto se vuelve rápidamente de color amarillento con la formación del óxido. El estroncio metálico finamente pulverizado es pirofórico, lo que significa que se encenderá espontáneamente en el aire a temperatura ambiente. Las sales de estroncio volátiles imparten un color rojo brillante a las llamas, y estas sales se utilizan en pirotecnia y en la producción de bengalas. Al igual que el calcio y el bario, así como los metales alcalinos y los lantánidos divalentes europio e iterbio, el estroncio metálico se disuelve directamente en amoníaco líquido para dar una solución azul oscuro de electrones solvatados.

Isótopos

El estroncio natural es una mezcla de cuatro isótopos estables: Sr, Sr, Sr y Sr. Su abundancia aumenta con el aumento del número de masa y el más pesado, Sr, constituye aproximadamente el 82,6 % de todo el estroncio natural, aunque la abundancia varía debido a la producción. de Sr radiogénico como hija de Rb de descomposición beta de larga vida. Esta es la base de la datación con rubidio-estroncio. De los isótopos inestables, el principal modo de decaimiento de los isótopos más ligeros que Sr es la captura de electrones o emisión de positrones a isótopos de rubidio, y el de los isótopos más pesados ​​queSr es la emisión de electrones a isótopos de itrio. De especial interés son Sr y Sr. El primero tiene una vida media de 50,6 días y se usa para tratar el cáncer de hueso debido a la similitud química del estroncio y, por lo tanto, la capacidad de reemplazar el calcio. Si bien Sr (vida media de 28,90 años) se ha utilizado de manera similar, también es un isótopo de preocupación en las consecuencias de las armas nucleares y los accidentes nucleares debido a su producción como producto de fisión. Su presencia en los huesos puede causar cáncer de huesos, cáncer de tejidos cercanos y leucemia. El accidente nuclear de Chernóbil de 1986 contaminó alrededor de 30 000 km con más de 10 kBq/m con Sr, que representa alrededor del 5 % del Sr que se encontraba en el núcleo del reactor.

Historia

El estroncio recibe su nombre del pueblo escocés de Strontian (en gaélico Sròn an t-Sìthein), donde se descubrió en los minerales de las minas de plomo.

En 1790, Adair Crawford, un médico dedicado a la preparación de bario, y su colega William Cruickshank, reconocieron que los minerales de Strontian exhibían propiedades que diferían de las de otras fuentes de "lárgas pesadas". Esto permitió a Crawford concluir en la página 355 "... de hecho, es probable que el mineral escocés sea una nueva especie de tierra que hasta ahora no ha sido suficientemente examinada". El médico y coleccionista de minerales Friedrich Gabriel Sulzer analizó junto con Johann Friedrich Blumenbach el mineral de Strontian y lo denominó estroncianita. También llegó a la conclusión de que era distinta de la witherita y contenía una nueva tierra (neue Grunderde). En 1793, Thomas Charles Hope, profesor de química en la Universidad de Glasgow, estudió el mineraly propuso el nombre de estrontitas. Confirmó el trabajo anterior de Crawford y relató: "... Considerándola una tierra peculiar, pensé que era necesario darle un nombre. La he llamado Strontites, por el lugar donde se encontró; un modo de derivación en mi opinión, completamente tan propio como cualquier cualidad que pueda poseer, que es la moda actual". Sir Humphry Davy finalmente aisló el elemento en 1808 mediante la electrólisis de una mezcla que contenía cloruro de estroncio y óxido de mercurio, y lo anunció en una conferencia ante la Royal Society el 30 de junio de 1808. De acuerdo con la denominación de las otras tierras alcalinas, cambió el nombre a estroncio.

La primera aplicación a gran escala de estroncio fue en la producción de azúcar a partir de remolacha azucarera. Aunque Augustin-Pierre Dubrunfaut patentó un proceso de cristalización con hidróxido de estroncio en 1849, la introducción a gran escala se produjo con la mejora del proceso a principios de la década de 1870. La industria azucarera alemana utilizó el proceso hasta bien entrado el siglo XX. Antes de la Primera Guerra Mundial, la industria azucarera de remolacha usaba de 100 000 a 150 000 toneladas de hidróxido de estroncio para este proceso por año. El hidróxido de estroncio se recicló en el proceso, pero la demanda para sustituir las pérdidas durante la producción fue lo suficientemente alta como para crear una demanda significativa que inició la extracción de estroncianita en Münsterland. La extracción de estroncianita en Alemania terminó cuando comenzó la extracción de los depósitos de celestina en Gloucestershire.Estas minas suministraron la mayor parte del suministro mundial de estroncio desde 1884 hasta 1941. Aunque los depósitos de celestina en la cuenca de Granada se conocían desde hace algún tiempo, la minería a gran escala no comenzó hasta la década de 1950.

Durante las pruebas de armas nucleares atmosféricas, se observó que el estroncio-90 es uno de los productos de fisión nuclear con un rendimiento relativamente alto. La similitud con el calcio y la posibilidad de que el estroncio-90 pueda enriquecerse en los huesos hizo que la investigación sobre el metabolismo del estroncio fuera un tema importante.

Ocurrencia

El estroncio se encuentra comúnmente en la naturaleza, siendo el 15.° elemento más abundante en la Tierra (su congénere más pesado, el bario, es el 14.°), se estima en un promedio de aproximadamente 360 ​​partes por millón en la corteza terrestre y se encuentra principalmente como el mineral sulfato celestina (SrSO ₄) y el carbonato de estroncianita (SrCO ₃). De los dos, la celestina ocurre mucho más frecuentemente en depósitos de tamaño suficiente para la minería. Debido a que el estroncio se usa con mayor frecuencia en forma de carbonato, la estroncianita sería el más útil de los dos minerales comunes, pero se han descubierto pocos depósitos que sean adecuados para el desarrollo.Debido a la forma en que reacciona con el aire y el agua, el estroncio solo existe en la naturaleza cuando se combina para formar minerales. El estroncio natural es estable, pero su isótopo sintético Sr-90 solo se produce por lluvia radiactiva.

En el agua subterránea, el estroncio se comporta químicamente como el calcio. En pH intermedio a ácido, Sr es la especie de estroncio dominante. En presencia de iones de calcio, el estroncio suele formar coprecipitados con minerales de calcio como la calcita y la anhidrita a un pH elevado. A pH intermedio a ácido, el estroncio disuelto se une a las partículas del suelo por intercambio catiónico.

El contenido medio de estroncio del agua del océano es de 8 mg/l. A una concentración entre 82 y 90 μmol/l de estroncio, la concentración es considerablemente inferior a la concentración de calcio, que normalmente está entre 9,6 y 11,6 mmol/l. Sin embargo, es muy superior a la del bario, 13 μg/l.

Producción

Los tres principales productores de estroncio como celestino a partir de 2015 son China (150 000 t), España (90 000 t) y México (70 000 t); Argentina (10.000 t) y Marruecos (2.500 t) son productores menores. Aunque los depósitos de estroncio se encuentran ampliamente en los Estados Unidos, no se han extraído desde 1959.

Una gran proporción de la celestina extraída (SrSO ₄) se convierte en carbonato mediante dos procesos. O la celestina se lixivia directamente con una solución de carbonato de sodio o la celestina se tuesta con carbón para formar el sulfuro. La segunda etapa produce un material de color oscuro que contiene principalmente sulfuro de estroncio. Esta llamada "ceniza negra" se disuelve en agua y se filtra. El carbonato de estroncio se precipita de la solución de sulfuro de estroncio mediante la introducción de dióxido de carbono. El sulfato se reduce a sulfuro por la reducción carbotérmica:SrSO ₄ + 2 C → SrS + 2 CO ₂

Anualmente se procesan unas 300.000 toneladas de esta forma.

El metal se produce comercialmente mediante la reducción de óxido de estroncio con aluminio. El estroncio se destila de la mezcla. El estroncio metálico también se puede preparar a pequeña escala mediante electrólisis de una solución de cloruro de estroncio en cloruro de potasio fundido:señor + 2mi→ señor2 Cl → Cl ₂ + 2mi

Aplicaciones

Con un consumo del 75% de la producción, el uso principal del estroncio fue en vidrio para tubos de rayos catódicos de televisión en color, donde evitaba la emisión de rayos X. Esta aplicación de estroncio ha ido disminuyendo porque los CRT están siendo reemplazados por otros métodos de visualización. Esta disminución tiene una influencia significativa en la extracción y refinación de estroncio. Todas las partes del CRT deben absorber los rayos X. En el cuello y el embudo del tubo se utiliza vidrio de plomo para este fin, pero este tipo de vidrio presenta un efecto de pardeamiento debido a la interacción de los rayos X con el vidrio. Por lo tanto, el panel frontal está hecho de una mezcla de vidrio diferente con estroncio y bario para absorber los rayos X. Los valores medios de la mezcla de vidrio determinados por un estudio de reciclaje en 2005 son 8,5% de óxido de estroncio y 10% de óxido de bario.

Debido a que el estroncio es tan similar al calcio, se incorpora al hueso. Se incorporan los cuatro isótopos estables, aproximadamente en las mismas proporciones que se encuentran en la naturaleza. Sin embargo, la distribución real de los isótopos tiende a variar mucho de una ubicación geográfica a otra. Por lo tanto, analizar el hueso de un individuo puede ayudar a determinar la región de donde proviene. Este enfoque ayuda a identificar los antiguos patrones de migración y el origen de los restos humanos mezclados en los cementerios de los campos de batalla.

Las relaciones Sr/ Sr se utilizan comúnmente para determinar las áreas de probable procedencia de sedimentos en sistemas naturales, especialmente en ambientes marinos y fluviales. Dasch (1969) mostró que los sedimentos superficiales del Atlántico mostraban proporciones Sr/ Sr que podrían considerarse como promedios generales de las proporciones Sr/ Sr de terrenos geológicos de masas terrestres adyacentes. Un buen ejemplo de un sistema fluvial-marino en el que se han aplicado con éxito estudios de procedencia de isótopos de Sr es el sistema del río Nilo-Mediterráneo.Debido a las diferentes edades de las rocas que constituyen la mayor parte del Nilo Azul y Blanco, las áreas de captación de la procedencia cambiante de los sedimentos que llegan al delta del río Nilo y al mar Mediterráneo oriental se pueden discernir a través de estudios isotópicos de estroncio. Tales cambios están controlados climáticamente en el Cuaternario Superior.

Más recientemente, las proporciones Sr/ Sr también se han utilizado para determinar la fuente de materiales arqueológicos antiguos, como maderas y maíz en Chaco Canyon, Nuevo México. Las proporciones Sr/ Sr en los dientes también se pueden usar para rastrear las migraciones de animales.

El aluminato de estroncio se usa con frecuencia en juguetes que brillan en la oscuridad, ya que es química y biológicamente inerte.

El carbonato de estroncio y otras sales de estroncio se agregan a los fuegos artificiales para darles un color rojo intenso. Este mismo efecto identifica los cationes de estroncio en la prueba de llama. Los fuegos artificiales consumen alrededor del 5% de la producción mundial. El carbonato de estroncio se utiliza en la fabricación de imanes de ferrita dura.

El cloruro de estroncio a veces se usa en pastas dentales para dientes sensibles. Una marca popular incluye 10% de hexahidrato de cloruro de estroncio total por peso. Se utilizan pequeñas cantidades en el refinado de zinc para eliminar pequeñas cantidades de impurezas de plomo. El metal en sí tiene un uso limitado como captador, para eliminar gases no deseados en el vacío al reaccionar con ellos, aunque también se puede usar bario para este propósito.

La transición óptica ultra estrecha entre el estado fundamental electrónico [Kr]5s ₂ S ₀ y el estado excitado metaestable [Kr]5s5p P ₀ de Sr es uno de los principales candidatos para la futura redefinición del segundo en términos de un transición óptica en oposición a la definición actual derivada de una transición de microondas entre diferentes estados fundamentales hiperfinos de Cs. Los relojes atómicos ópticos actuales que operan en esta transición ya superan la precisión y exactitud de la definición actual del segundo.

Estroncio radiactivo

Sr es el ingrediente activo de Metastron, un radiofármaco utilizado para el dolor óseo secundario al cáncer óseo metastásico. El cuerpo procesa el estroncio como el calcio, incorporándolo preferentemente al hueso en los sitios de mayor osteogénesis. Esta localización enfoca la exposición a la radiación en la lesión cancerosa.

Sr se ha utilizado como fuente de energía para generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG). Sr produce aproximadamente 0,93 vatios de calor por gramo (es menor para la forma de Sr utilizada en RTG, que es fluoruro de estroncio). Sin embargo, Sr tiene un tercio de la vida útil y una densidad más baja que Pu, otro combustible RTG. La principal ventaja de Sr es que es más barato que Pu y se encuentra en los desechos nucleares. La Unión Soviética desplegó casi 1000 de estos RTG en su costa norte como fuente de energía para faros y estaciones meteorológicas.

Rol biológico

Acantharea, un grupo relativamente grande de protozoos radiolarios marinos, produce intrincados esqueletos minerales compuestos de sulfato de estroncio. En los sistemas biológicos, el calcio se sustituye en pequeña medida por estroncio. En el cuerpo humano, la mayor parte del estroncio absorbido se deposita en los huesos. La proporción de estroncio a calcio en los huesos humanos está entre 1:1000 y 1:2000, aproximadamente en el mismo rango que en el suero sanguíneo.

Efecto en el cuerpo humano

El cuerpo humano absorbe el estroncio como si fuera su congénere más ligero, el calcio. Debido a que los elementos son químicamente muy similares, los isótopos estables de estroncio no representan una amenaza significativa para la salud. El ser humano promedio tiene una ingesta de alrededor de dos miligramos de estroncio al día. En los adultos, el estroncio consumido tiende a adherirse solo a la superficie de los huesos, pero en los niños, el estroncio puede reemplazar el calcio en el mineral de los huesos en crecimiento y, por lo tanto, provocar problemas de crecimiento óseo.

La vida media biológica del estroncio en seres humanos se ha informado de diversas formas de 14 a 600 días, 1000 días, 18 años, 30 años y, en un límite superior, 49 años. Las cifras de vida media biológica publicadas de amplio rango se explican por el complejo metabolismo del estroncio dentro del cuerpo. Sin embargo, al promediar todas las rutas de excreción, se estima que la vida media biológica general es de unos 18 años. La tasa de eliminación de estroncio se ve fuertemente afectada por la edad y el sexo, debido a las diferencias en el metabolismo óseo.

El fármaco ranelato de estroncio ayuda al crecimiento óseo, aumenta la densidad ósea y reduce la incidencia de fracturas vertebrales, periféricas y de cadera. Sin embargo, el ranelato de estroncio también aumenta el riesgo de tromboembolismo venoso, embolismo pulmonar y trastornos cardiovasculares graves, incluido el infarto de miocardio. Por lo tanto, su uso ahora está restringido. Sus efectos beneficiosos también son cuestionables, ya que el aumento de la densidad ósea se debe en parte al aumento de la densidad del estroncio sobre el calcio al que reemplaza. El estroncio también se bioacumula en el cuerpo. A pesar de las restricciones sobre el ranelato de estroncio, algunos suplementos todavía contienen estroncio.No hay mucha evidencia científica sobre los riesgos del cloruro de estroncio cuando se ingiere. Se aconseja a las personas con antecedentes personales o familiares de trastornos de la coagulación de la sangre que eviten el estroncio.

Se ha demostrado que el estroncio inhibe la irritación sensorial cuando se aplica tópicamente sobre la piel. Se ha demostrado que el estroncio, aplicado tópicamente, acelera la tasa de recuperación de la barrera de permeabilidad epidérmica (barrera de la piel).

Desperdicios nucleares

El estroncio-90 es un producto de fisión radiactivo producido por los reactores nucleares utilizados en la energía nuclear. Es un componente principal de la radiactividad de alto nivel de los desechos nucleares y el combustible nuclear gastado. Su vida media de 29 años es lo suficientemente corta como para que su calor de descomposición se haya utilizado para alimentar los faros del Ártico, pero lo suficientemente larga como para que pueda llevar cientos de años decaer a niveles seguros. La exposición por agua y alimentos contaminados puede aumentar el riesgo de leucemia, cáncer de huesos e hiperparatiroidismo primario.

Remediación

Las algas han mostrado selectividad por el estroncio en estudios, donde la mayoría de las plantas utilizadas en la biorremediación no han mostrado selectividad entre el calcio y el estroncio, y a menudo se saturan con calcio, que es mayor en cantidad y también está presente en los desechos nucleares.

Los investigadores han analizado la bioacumulación de estroncio por Scenedesmus spinosus (algas) en aguas residuales simuladas. El estudio afirma una capacidad de biosorción altamente selectiva para el estroncio de S. spinosus, lo que sugiere que puede ser apropiado para el uso de aguas residuales nucleares.

Un estudio del alga de estanque Closterium moniliferum usando estroncio no radiactivo encontró que variar la proporción de bario a estroncio en el agua mejoraba la selectividad del estroncio.