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。

概要外見, 一般特性 ...

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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

要約

視点

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。

{\ce {Sr + 2 H2O -> Sr(OH)2 + H2}}

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。

{\ce {4SrO + 2 Al -> 3Sr + SrAl2O4}}

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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

要約

視点

→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]。

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歴史

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]。

大気圏内核実験による核分裂生成物の中に、ストロンチウム90が比較的多いことが観察された。カルシウムとの化学的動態の類似性からストロンチウム90が骨に蓄積する可能性が考えられ、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]。

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産出

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を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^-

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