38, Strontium (Sr)

Strontian (Schottland)

Das Element Strontium:

         
  K Ca Sc  
  Rb Sr Y  
  Cs Ba La  
         
 
   
   
   
   
   
   
   
Natürliche Entstehung von Strontium (Nukleosynthese): Strontium hat insgesamt vier stabile, natürlich vorkommende Isotope (Massenzahlen 84, 86, 87 und 88). Dabei ist das Nuklid Sr-88 mit Abstand am häufigsten (82,6%); es hat von allen stabilen Strontium-Isotopen den geringsten Neutroneneinfangquerschnitt. Dadurch ist es unter den Bedingungen nach einer Supernova-Explosion (r-Prozess) am stabilsten gegenüber weiterer Neutronenaufnahme. Es kann aber auch durch den s-Prozess entstehen. Das zweithäufigste Isotop ist mit 9,86% Anteil am natürlichen Isotopengemisch Sr-86, welches nur durch s-Prozess gebildet werden kann, da ein r-Prozess stets zu Kr-86 führt. Das Nuklid Sr-87 kann ebenfalls sowohl durch s- als auch durch r-Prozesse gebildet werden, zusätzlich entsteht es auch durch fortwährenden Zerfall des Isotops Rb-87. Dadurch steigt sein Anteil gegenüber den anderen Sr-Isotopen langsam aber stetig weiter an, weswegen man das Sr-86/Sr-87-Verhältnis auch zu einer Altersdatierung von Gesteinen heranziehn kann.

Nur selten ist das vierte Isotop, Sr-84, welches zu lediglich 0,56% im natürlichen Isotopengemisch vorhanden ist. Dies hängt damit zusammen, dass es nicht durch Neutroneneinfang aus Eisen gebildet werden kann, und ebensowenig durch s-Prozesse. Seine Bildung lässt sich nur durch γ-Prozesse erklären lässt. Der sukzessive Einfang von 28 Neutronen bei Fe-56, egal ob durch r- oder s-Prozesse führt immer zu dem Nuklid Kr-84.

Die Strontium-Synthese:
84Sr-Synthese:
(γ-Prozess)

84Kr + 1,79 MeV → 84Sr + 2β-

86Sr-Synthese:
(nur s-Prozess):

85Rb + n → 86Sr + β- + 8,15 MeV

87Sr-Synthese:
(s-, r-Prozess):

86Sr + n → 87Sr + 8,43 MeV

56Fe + 31n → 87Sr + 12β- + 274 MeV

88Sr-Synthese:
(s-,r-Prozess, Rb-87-Zerfall):

87Sr + n → 88Sr + 11,11 MeV

56Fe + 32n → 88Sr + 12β- + 286 MeV

87Rb → 87Sr + β- + 0,283 MeV



Vorkommen von Strontium: Strontium ist am Aufbau der Materie im Universum durchschnittlich zu etwa 40 μg/kg beteiligt.

Irdisch ist es, wie alle Alkali- und Erdalkalimetalle stark angereichert, da sie eine hohe Affinität zu Sauerstoff (oder anderen, elektronegativen Elementen, wie z.B. auch Chlor) haben. Beim Strontium kommt noch hinzu, dass es sich gerne mit seinem leichteren Homologen, dem Calcium vergesellschaftet: Der Anreicherungsfaktor gegenüber seinem Vorkommen im Weltall beträgt 3.500, gegenüber nur knapp 500 beim Calcium, was auf diese Vergesellschaftungstendenz hindeutet.

Die Erdhülle (Erdkruste, Weltmeere, Atmosphäre) enthält durchschnittlich 140 mg/kg des Elementes; es ist also häufiger als beispielsweise Zink, Kupfer oder Zinn!

Neben dem gemeinsamen Vorkommen zusammen mit Calcium tritt das Strontium jedoch auch mit eigenständigen Mineralien auf, von denen die beiden bedeutendsten der Coelestin (Strontiumsulfat, SrSO4) und der Strontianit (Strontiumcarbonat, SrCO3) sind.

Die wichtigsten Strontium-Mineralien:

Coelestin, SrSO4[3]

Strontianit, SrCO3[2]

Strontium-Gewinnung:
Strontium wird größtenteils wie Calcium im Pidgeon-Prozess durch Reduktion des Oxids bei 1200°C mit Aluminium im Hochvakuum gewonnen. Das Strontiumoxid wird durch Glühen aus Strontiumcarbonat gewonnen. Dieses ist seinerseits entweder direkt aus Strontianit zugänglich, oder wird aus Coelestin gewonnen: Hierzu wird das Coelestin (Strontiumsulfat) zunächst mit Kohlenstoff durch Glühen reduziert, wodurch Strontiumsulfid entsteht. Dieses wird durch Einleiten von Kohlendioxid zu Strontiumcarbonat umgesetzt, welches nach dem Trocknen bei 1300°C geglüht wird. Es gilt auch hier für das bereits beim Calcium Geschilderte: Die Reaktion zwischen Aluminium und Strontiumoxid zu Strontium und Aluminiumoxid liegt unter Normalbedingungen gänzlich auf der Seite von Aluminium und Strontiumoxid, da Strontium ein negativeres Normalpotential hat, als Aluminium. Sie wird jedoch durch fortwährendes Abdampfen von Strontium auf die rechte Seite des Gleichgewichtes verschoben, wodurch die aluminothermische Strontiumgewinnung erst ermöglicht wird. Aluminium ist unter diesen Bedingungen flüssig, Strontium jedoch bereits gasförmig.

Daneben kann es auch durch Schmelzelektrolyse des Chlorides unter Zusatz von etwas Kaliumchlorid dargestellt werden. Diese Gewinnungsart ist jedoch aufgrund der Löslichkeit des Strontiummetalls in der Salzschmelze nur als suboptimal zu betrachten.

Pidgeon-Prozess[3]

3SrO + Al → 3Sr↑ + Al2O3
Chemie von Strontium: In seinem chemischen Verhalten ist Strontium von seinem Bestreben geprägt, durch Abgabe von zwei Elektronen die ä&szig;erst stabile Krypton-Elektronen-Konfiguration zu erreichen. Daher reagiert es in allen seinen Verbindungen in der Oxidationsstufe +2. Strontium zeigt ähnliche Reaktionen wie sein leichteres Homologes Calcium, ist aber reaktionsfreudiger als dieses.

Auch mit kaltem Wasser reagiert Strontium sehr lebhaft unter Wasserstoffentwicklung und Wärme zu Strontiumhydroxid und Wasserstoff. Die Reaktion verläuft heftiger als die analoge von Calcium mit Wasser. Die Wärmeentwicklung reicht jedoch nicht aus, um das Metall zu entzünden, so wie es beim benachbarten Rubidium der Fall ist. Das gebildete Strontiumhydroxid ist bei Weitem besser wasserlöslich als Calciumhydroxid. Im gleichen Zuge ist die Hydratationsneigung des Strontium-Ions geringer als die des Calcium-Ions, ebenso ist es auch etwas hydrolysebeständiger: Dadurch reagiert Sr(OH)2 noch stärker basisch als Ca(OH)2. So ist Sr(OH)2 mit 20 g/L in Wasser löslich; die gesättigte Lösung hat einen pH-Wert von ca. 13,1 (Calciumhydroxid: 1,7 g/L; pH-Wert: 12,2).

An der Luft oxidiert sich Strontiummetall rasch zu Strontiumoxid, auch hier ist die Reaktion schneller als beim Calcium: Das Metall läuft sofort auch an trockener Luft an,während unter gleichen Bedingungen Calciummetall noch länger blank bleibt.

2Sr + O2 → 2SrO + 1184 kJ

Leitet man Halogene über erwärmtes Strontiummetall, so verbrennt es in diesen zu den entsprechenden Strontiumhalogeniden unter typisch roter Flammenerscheinung. Ebenso verhält es sich im Sauerstoffstrom oder beim Zusammengeben mit erhitztem, flüssigen Schwefel.

Beim Verbrennen an der Luft entsteht aus dem Metall unter starker Wärmeentwicklung und roter Flammenfärbung ein Gemisch aus Strontiumoxid (SrO) und Strontiumnitrid (Sr3N2).

Das Löslichkeitsverhalten der Strontiumsalze liegt zwischen jener des Calciums und des Bariums. Dabei sind das Sulfat und das Chromat des Strontiums deutlich schwerer wasserlöslich als die entsprechenden Calciumverbindungen, das Hydroxid und Fluorid hingegen leichter löslich. In der folgenden Tabelle sind die Löslichkeiten der Fluoride, Hydroxide, Sulfate und Chromate der Elemente Calcium, Strontium und Barium wiedergegeben:

Löslichkeiten verschiedener Erdalkalisalze in Wasser:
  Sulfat Chromat Fluorid Hydroxid
Calcium 1000 mg/L* 2250 mg/L 85 mg/L 1,7 g/L
Strontium 100 mg/L 1000 mg/L 130 mg/L 20 g/L
Barium ~2 mg/L ~3 mg/L 1300 mg/L 40 g/L
* bezogen auf die wasserfreie Verbindung.
Physikalische Besonderheiten von Strontium bzw. von seinen Verbindungen: Strontium zeigt bei energetischer Anregung (Verdampfen oder Verbrennen von Strontiummetall oder einer Strontiumverbindung) eine typische Flammenfärbung, die durch Emission von Lichtquanten zustande kommt, die beim Rückfall angeregter Elektronen vom p- oder d-Niveau auf das s-Niveau frei werden.

Flammenfärbung[3]
eines Strontiumsalzes

Die Hauptwellenlängen der emittierten Lichtquanten liegen bei 605,0 nm (rotgelb), 663,0 nm (rot) und 460,8 nm (blau).
Verwendung von Strontium und seinen Verbindungen : Elementares Strontium ist technisch relativ unbedeutend. In allen potentiellen Anwendungsmöglichkeiten kann es zumeist durch billigeres Calcium ersetzt werden. Einige der wenigen technischen Verwendungsmöglichkeiten, wo dies nicht der Fall ist, seien im Folgenden genannt:

  • Legierungsbestandteil. Strontium wird Aluminium zulegiert, und dessen Dehnungseigenschaften bei Verwendung als Gusslegierung erheblich zu verbessern, wobei Strontium die Bildung grobk&oum;rniger Strukturen im Bereich des Eutektikums von Aluminium und Silicium hemmen bzw. unterdrücken kann, die bei der Verwendung dieser Legierungen im Druckguss-Verfahren unerwünscht sind. (Vorlegieren mit Strontium).
Auch Strontiumverbindungen haben nur einige spezifische technische Verwendungsmöglichkeiten:
  • Krebstherapie. Radioaktives Strontium-89 wird in Form des Carbonates als Analgetikum bei der Behandlung von Knochenmetastasen (Krebstherapie) eingesetzt.

  • Psychotherapie. Strontiumcarbonat wurde früher zur Behandlung von Schizophrenie eingesetzt, ist aber mittlerweile durch besser verträgliche Präparate zurückgedrängt worden.[4].

  • Pyrotechnik. Da Strontiumsalze eine schöne, purpurrote Flammenfärbung ergeben, werden sie gerne zur Erzeugung von solchen Farbeffekten in der Pyrotechnik eingesetzt.

  • Roentgenstrahlen-Absorber. Strontiumcarbonat ist in der Lage, die bei Betrieb von Farbfernsehröhren auftretende Roentgenstrahlung zu absorbieren.[4]

  • Kariespropylaxe. Nach neueren Forschungsergebnissen soll Strontium eine günstige Wirkung auf den Zahnaufbau haben, weswegen es manchen Zahnpflegemitteln in Form des Chlorids (SrCl2•6H2O) zugesetzt wird.

Wichtige Verwendungen von Strontiumverbindungen

Zahnpflegemittel[3]

Rote Effekte in der Pyrotechnik[3]


Sonstiges: Gefahr durch radioaktives Strontium-90. Dieses Strontium-Isotop kommt nicht natürlich vor. Es wird aber im Kernreaktor als nicht seltenes Spaltprodukt der Urankernspaltung gebildet. Bei Reaktor-Unfällen, wie es bei Tschernobyl oder Fukushima der Fall war, bzw. bei Kernwaffeneinsatz gelangt es in feinverteilter Form in die Umwelt. Es gehört nach Cäsium, Xenon und Iod zu den mobilsten und damit gefährlichsten Nukliden. Da es sowohl eine relativ lange Halbwertzeit von ca. 30 Jahren hat, andererseits durch die Ähnlichkeit von Strontium zu Calcium leicht bioverfügbar ist, und gleichzeitig eine energiereiche Gammastrahlung abgibt, stellt es eine große Gefahr dar. 90Sr kann Knochenkrebs hervorrufen, und auch bei anderen Strahlenerkrankungen, wie sie vor allem bei den so genannten Liquidatoren der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl auftraten, spielte dieses Nuklid eine entscheidende Rolle.
Quellen: [1] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Rob Lavinsky. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[2] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Ra'ike. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[3] Bildquelle: Eigenes Bild. Dieses Bild darf unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz frei verwendet werden. Bei Verwendung bitte einen Link auf mein Web-Angebot setzen.

[4] Wikipedia: Artikel Strontiumcarbonat, Verwendung.