Die Geschichte des Strontiums beginnt im Jahr 1787 im Dorf Strontian in den schottischen Highlands. Bergleute entdeckten dort ein ungewöhnliches Mineral in den Bleiminen der Region. Dieses Mineral, das sich von anderen bekannten Carbonaten unterschied, erregte die Aufmerksamkeit britischer Chemiker. Der irische Arzt und Chemiker Adair Crawford (1748-1795) und der schottische Chemiker William Cruickshank analysierten dieses Mineral im Jahr 1790 und erkannten, dass es eine neue Erde (Metalloxid) enthielt, die sich von Baryt und Kalk unterschied.
Das Mineral wurde nach dem Dorf Strontian Strontianit genannt, und die neue Erde wurde Strontian genannt. Die Isolierung von metallischem Strontium gelang jedoch erst viel später. Im Jahr 1808 gelang es dem britischen Chemiker Sir Humphry Davy (1778-1829), einem Pionier der Elektrochemie, Strontium durch Elektrolyse einer feuchten Mischung aus Strontiumoxid und Quecksilberoxid zu isolieren. Er verwendete eine ähnliche Technik, wie er sie zur Isolierung von Natrium, Kalium, Calcium und Barium entwickelt hatte.
Die Entdeckung von Strontium fiel in eine Zeit intensiver chemischer Forschung, in der spektroskopische und elektrochemische Analysemethoden die Identifizierung und Isolierung neuer Elemente ermöglichten. Davy isolierte metallisches Strontium in Form einer Amalgamierung mit Quecksilber und gewann dann das reine Metall durch Destillation des Quecksilbers. Der Name Strontium wurde endgültig in Anlehnung an das schottische Dorf übernommen, in dem das Erz entdeckt wurde.
Im Jahr 1852 entdeckte der schottische Chemiker Thomas Anderson eine weitere wichtige Mineralform von Strontium: Coelestin (oder Coelestit), ein himmelblaues Strontiumsulfat (SrSO₄), das später zur wichtigsten industriellen Quelle für Strontium wurde. Diese Entdeckung ermöglichte die kommerzielle Nutzung von Strontium für verschiedene industrielle Anwendungen.
Strontium (Symbol Sr, Ordnungszahl 38) ist ein Erdalkalimetall der Gruppe 2 des Periodensystems. Sein Atom hat 38 Protonen, in der Regel 50 Neutronen (für das häufigste Isotop \(\,^{88}\mathrm{Sr}\)) und 38 Elektronen mit der Elektronenkonfiguration [Kr] 5s².
Strontium ist ein weiches, silberweißes und glänzendes Metall, wenn es frisch geschnitten ist. Es hat eine Dichte von 2,64 g/cm³, die zwischen der von Calcium (1,55 g/cm³) und Barium (3,51 g/cm³) liegt und seine Position in der Gruppe 2 widerspiegelt. Strontium ist weich genug, um mit einem Messer geschnitten zu werden, obwohl es etwas härter als Calcium ist.
Strontium kristallisiert bei Raumtemperatur in einer kubisch-flächenzentrierten (kfz) Struktur. Bei etwa 215 °C durchläuft es eine Phasenumwandlung zu einer hexagonal dichtesten Kugelpackung (hdp). Dieser Phasenübergang beeinflusst einige seiner physikalischen Eigenschaften wie elektrische und thermische Leitfähigkeit.
Strontium schmilzt bei 777 °C (1050 K) und siedet bei 1382 °C (1655 K). An der Luft läuft metallisches Strontium schnell an und bildet eine gelbliche Schicht aus Oxid und Nitrid. Diese Schutzschicht verlangsamt die weitere Oxidation, verhindert aber nicht die allmähliche Korrosion des Metalls. Aus diesem Grund muss metallisches Strontium in Mineralöl oder unter einer inerten Argonatmosphäre aufbewahrt werden.
Schmelzpunkt von Strontium: 1050 K (777 °C).
Siedepunkt von Strontium: 1655 K (1382 °C).
Strontium hat eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 7,9 % der von Kupfer.
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Strontium-84 — \(\,^{84}\mathrm{Sr}\,\) | 38 | 46 | 83,913425 u | ≈ 0,56% | Stabil | Leichtestes und seltenstes stabiles Isotop des natürlichen Strontiums. |
| Strontium-86 — \(\,^{86}\mathrm{Sr}\,\) | 38 | 48 | 85,909260 u | ≈ 9,86% | Stabil | Zweit seltenstes stabiles Isotop, wird als Tracer in der Geochemie verwendet. |
| Strontium-87 — \(\,^{87}\mathrm{Sr}\,\) | 38 | 49 | 86,908877 u | ≈ 7,00% | Stabil | Radiogenes Isotop, das durch den Zerfall von Rubidium-87 entsteht. Wird in der Rb-Sr-Datierung und geologischen Spurensuche verwendet. |
| Strontium-88 — \(\,^{88}\mathrm{Sr}\,\) | 38 | 50 | 87,905612 u | ≈ 82,58% | Stabil | Bei weitem das häufigste Isotop des natürlichen Strontiums, das mehr als 4/5 des Gesamtvorkommens ausmacht. |
| Strontium-89 — \(\,^{89}\mathrm{Sr}\,\) | 38 | 51 | 88,907451 u | Synthetisch | ≈ 50,6 Tage | Radioaktiv (β⁻). Spaltprodukt. Wird in der Nuklearmedizin zur Behandlung schmerzhafter Knochenmetastasen verwendet. |
| Strontium-90 — \(\,^{90}\mathrm{Sr}\,\) | 38 | 52 | 89,907474 u | Synthetisch | ≈ 28,8 Jahre | Radioaktiv (β⁻). Wichtiges Spaltprodukt, sehr gefährlich, da es sich in den Knochen anreichert. Wichtiger radiologischer Kontaminant. |
| Strontium-85 — \(\,^{85}\mathrm{Sr}\,\) | 38 | 47 | 84,912933 u | Synthetisch | ≈ 64,8 Tage | Radioaktiv (Elektroneneinfang). Gammastrahler, der als Tracer in der Medizin und Hydrologie verwendet wird. |
N.B. :
Elektronenschalen: Wie Elektronen um den Kern organisiert sind.
Strontium hat 38 Elektronen, die auf fünf Elektronenschalen verteilt sind. Seine vollständige Elektronenkonfiguration lautet: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 5s², oder vereinfacht: [Kr] 5s². Diese Konfiguration kann auch als K(2) L(8) M(18) N(8) O(2) geschrieben werden.
K-Schale (n=1): enthält 2 Elektronen in der 1s-Unterschale. Diese innere Schale ist vollständig und sehr stabil.
L-Schale (n=2): enthält 8 Elektronen, verteilt auf 2s² 2p⁶. Diese Schale ist ebenfalls vollständig und bildet eine Edelgaskonfiguration (Neon).
M-Schale (n=3): enthält 18 Elektronen, verteilt auf 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Diese vollständige Schale trägt zur elektronischen Abschirmung bei, die die Valenzelektronen schützt.
N-Schale (n=4): enthält 8 Elektronen, verteilt auf 4s² 4p⁶, und bildet die Krypton-Edelgaskonfiguration.
O-Schale (n=5): enthält 2 Elektronen in der 5s-Unterschale. Diese beiden Elektronen sind die Valenzelektronen des Strontiums.
Die 2 Elektronen in der äußersten Schale (5s²) sind die Valenzelektronen des Strontiums. Diese Elektronen sind relativ schwach an den Kern gebunden, aufgrund der großen Entfernung zum Kern und der Abschirmwirkung der vollständigen inneren Elektronenschalen. Diese niedrige Ionisierungsenergie verleiht Strontium eine hohe chemische Reaktivität, die für Erdalkalimetalle charakteristisch ist.
Die Oxidationsstufe von Strontium ist ausschließlich +2 in allen seinen stabilen chemischen Verbindungen. Strontium verliert leicht seine beiden Valenzelektronen, um das Sr²⁺-Ion mit der stabilen Elektronenkonfiguration von Krypton [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ zu bilden. Diese vollständige Oktettkonfiguration mit 36 Elektronen macht das Strontium-Ion besonders stabil.
Der Ionenradius von Sr²⁺ (118 pm) ist deutlich größer als der von Calcium Ca²⁺ (100 pm) und kleiner als der von Barium Ba²⁺ (135 pm), was seine intermediäre Position in der Gruppe 2 widerspiegelt. Diese intermediäre Größe hat wichtige Konsequenzen in der Biochemie und Geochemie, da das Strontium-Ion das Calcium-Ion in vielen kristallinen Strukturen und biologischen Prozessen ersetzen kann.
Die moderate Elektronegativität von Strontium (0,95 auf der Pauling-Skala) zeigt, dass seine chemischen Bindungen hauptsächlich ionisch sind. Strontium bildet ionische Verbindungen mit fast allen Nichtmetallen, einschließlich Halogene, Sauerstoff, Schwefel und anionische Gruppen wie Carbonate, Sulfate und Nitrate. Der ausgeprägte metallische Charakter von Strontium klassifiziert es unter den elektropositivsten Elementen.
Strontium ist ein hochreaktives Metall, wenn auch etwas weniger als Calcium. Es reagiert heftig mit Wasser bei Raumtemperatur und bildet Strontiumhydroxid und Wasserstoffgas: Sr + 2H₂O → Sr(OH)₂ + H₂. Die Reaktion ist exotherm und erzeugt genug Wärme, um den freigesetzten Wasserstoff zu entzünden, was eine charakteristische karminrote Flamme durch das verdampfte Strontium erzeugt.
An der Luft oxidiert Strontium schnell und bildet zunächst eine Schicht aus Strontiumoxid (SrO), dann Strontiumnitrid (Sr₃N₂) in Gegenwart von atmosphärischem Stickstoff: 2Sr + O₂ → 2SrO und 3Sr + N₂ → Sr₃N₂. Die Oberfläche des Metalls verändert sich von glänzend silberweiß zu stumpf gelb in wenigen Minuten. Bei hohen Temperaturen (über 300 °C) verbrennt Strontium in der Luft mit einer charakteristischen leuchtend roten Flamme.
Mit Halogenen reagiert Strontium energisch zu Strontiumhalogeniden: Sr + Cl₂ → SrCl₂. Strontiumhalogenide (SrF₂, SrCl₂, SrBr₂, SrI₂) sind weiße, ionische Feststoffe, sehr stabil und hygroskopisch. Strontiumchlorid (SrCl₂) wird besonders in der Pyrotechnik verwendet, um intensive rote Flammen zu erzeugen.
Strontium reagiert mit Säuren, selbst verdünnten, unter Bildung von Strontiumsalzen und Freisetzung von Wasserstoff: Sr + 2HCl → SrCl₂ + H₂. Mit verdünnter Schwefelsäure verlangsamt sich die Reaktion schnell, da das gebildete Strontiumsulfat (SrSO₄) schwer löslich ist und das Metall mit einer Schutzschicht bedeckt.
Strontium reagiert direkt mit Wasserstoff bei hoher Temperatur (etwa 200-500 °C) zu Strontiumhydrid (SrH₂), einer grauen ionischen Verbindung, die als Wasserstoffquelle und Reduktionsmittel verwendet wird. Mit Kohlenstoff bei hoher Temperatur bildet es Strontiumcarbid (SrC₂), das mit Wasser reagiert, um Acetylen zu erzeugen.
Strontium bildet wichtige Verbindungen mit Sauerstoff: das Oxid SrO, das Peroxid SrO₂ und das Superoxid Sr(O₂)₂. Strontiumhydroxid Sr(OH)₂ ist eine starke, lösliche Base, die ätzende alkalische Lösungen bildet. Strontiumcarbonat (SrCO₃), das natürlich in Strontianit vorkommt, ist in Wasser schwer löslich und zersetzt sich bei hoher Temperatur zu Oxid.
Strontium-90 ist eines der gefährlichsten Spaltprodukte aus Kernreaktionen und Atombombenexplosionen. Mit einer Halbwertszeit von 28,8 Jahren bleibt es über mehrere Jahrhunderte (etwa 10 Halbwertszeiten, also fast 300 Jahre) radioaktiv. Strontium-90 entsteht bei der Spaltung von Uran-235 und Plutonium-239 mit einer Spaltausbeute von etwa 5 bis 6 %.
Die besondere Gefahr von Strontium-90 ergibt sich aus seiner chemischen Ähnlichkeit mit Calcium. Wenn es aufgenommen oder eingeatmet wird, reichert sich Strontium-90 in den Knochen und Zähnen an, wo es Calcium im Hydroxylapatit ersetzt. Sobald es in das Skelett eingebaut ist, bleibt es dort viele Jahre und bestrahlt kontinuierlich das Knochengewebe und das Knochenmark mit Betastrahlung. Diese chronische Bestrahlung erhöht das Risiko für Knochenkrebs, Leukämie und andere hämatologische Störungen erheblich.
Die Hauptquellen für Strontium-90-Kontamination in der Umwelt waren atmosphärische Kernwaffentests zwischen 1945 und 1980, die erhebliche Mengen an Strontium-90 in die globale Atmosphäre freisetzten. Der radioaktive Fallout lagerte sich auf landwirtschaftlichen Böden ab, kontaminierte die Ernte und gelangte über Milchprodukte in die Nahrungskette.
Schwere nukleare Unfälle wie die von Tschernobyl (1986) und Fukushima (2011) setzten ebenfalls erhebliche Mengen an Strontium-90 in die Umwelt frei. In Tschernobyl wird geschätzt, dass etwa 10 % des Strontium-90-Inventars des Reaktors freigesetzt wurden, was zu anhaltenden Kontaminationszonen in einem Radius von mehreren zehn Kilometern um die Anlage führte.
Die Umweltüberwachung von Strontium-90 bleibt ein wichtiges Thema des öffentlichen Gesundheitswesens. Die Werte in der Umwelt sind seit dem Ende der atmosphärischen Tests deutlich zurückgegangen, aber Strontium-90 ist weiterhin in Böden, Sedimenten und bestimmten Lebensmitteln nachweisbar, insbesondere in Regionen, die von historischem Fallout oder nuklearen Unfällen betroffen sind.
Strontium wird in Sternen durch mehrere stellare Nukleosyntheseprozesse synthetisiert. Die stabilen Isotope von Strontium (\(\,^{84}\mathrm{Sr}\), \(\,^{86}\mathrm{Sr}\), \(\,^{87}\mathrm{Sr}\), \(\,^{88}\mathrm{Sr}\)) werden hauptsächlich durch den s-Prozess (langsame Neutroneneinfang) in Sternen des asymptotischen Riesenasts (AGB) erzeugt, mit Beiträgen des r-Prozesses (schneller Neutroneneinfang) während Supernovae und Neutronensternverschmelzungen.
Das Isotop Strontium-87 nimmt eine besondere Stellung ein, da es sowohl primordial (durch stellare Nukleosynthese gebildet) als auch radiogen (durch den Zerfall von Rubidium-87 produziert) ist. Das Isotopenverhältnis ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr in Gesteinen und Meteoriten nimmt mit der Zeit aufgrund der Anreicherung von radiogenem Strontium-87 zu. Dieses Verhältnis ist ein grundlegendes geochronologisches und geochemisches Werkzeug.
Die kosmische Häufigkeit von Strontium beträgt etwa 2,3×10⁻⁹ der von Wasserstoff in Atomzahl. Diese relativ bescheidene Häufigkeit spiegelt seine Position jenseits des Eisenpeaks in der Kernstabilitätskurve wider, wo die Nukleosyntheseprozesse weniger effizient werden.
Das Isotopenverhältnis ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr wird verwendet, um die Herkunft und Entwicklung von Materialien im Sonnensystem zu verfolgen. Primitive Meteoriten wie Chondrite zeigen homogene anfängliche ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr-Verhältnisse von etwa 0,699, die die Zusammensetzung des frühen Sonnensystems repräsentieren. Die beobachteten Variationen in verschiedenen irdischen Gesteinen und Meteoriten ermöglichen die Rekonstruktion der thermischen und geochemischen Geschichte planetarischer Körper.
Die Spektrallinien von neutralem Strontium (Sr I) und ionisiertem Strontium (Sr II) sind in der spektroskopischen Astrophysik besonders wichtig. Die Sr-II-Linie bei 407,8 nm ist eine starke Resonanzlinie, die leicht in Sternspektren beobachtet werden kann. Die Analyse dieser Linie und anderer Strontiumlinien ermöglicht die Bestimmung der Strontiumhäufigkeit in Sternen verschiedener Typen und Alter, wodurch die chemische Anreicherung von Galaxien nachverfolgt werden kann.
Signifikante Strontiumüberschüsse wurden in bestimmten chemisch ungewöhnlichen Sternen beobachtet, insbesondere in Bariumsternen und Kohlenstoffsternen, die durch Massenübertragung von einem AGB-Begleitstern mit s-Prozess-Elementen angereichert wurden. Diese Beobachtungen bestätigen unser Verständnis der Nukleosynthese und Sternentwicklung in binären Systemen.
N.B. :
Strontium ist in der Erdkruste mit einer durchschnittlichen Konzentration von etwa 0,036 Massenprozent (360 ppm) vorhanden, was es zum 15. häufigsten Element in der Kruste macht. Es ist häufiger als Kohlenstoff, Schwefel oder Chlor. Strontium kommt nie in gediegener Form vor, sondern immer in Mineralien gebunden.
Die beiden wichtigsten Strontiumerze sind Coelestin oder Coelit (Strontiumsulfat, SrSO₄) und Strontianit (Strontiumcarbonat, SrCO₃). Coelestin, bei weitem das häufigste und die wichtigste kommerzielle Quelle, kommt in Form von himmelblauen bis farblosen Kristallen vor. Die wichtigsten Coelestinvorkommen befinden sich in Spanien, Mexiko, der Türkei, dem Iran und Argentinien.
Die weltweite Produktion von Strontiumverbindungen (hauptsächlich in Form von Carbonat und Nitrat) beträgt etwa 350.000 Tonnen pro Jahr. Spanien, China, Mexiko und Argentinien sind die Hauptproduzenten. Reines metallisches Strontium wird in viel geringeren Mengen hergestellt, hauptsächlich durch Reduktion von Strontiumoxid mit Aluminium bei hoher Temperatur im Vakuum.
Der Strontiummarkt hat sich in den letzten Jahrzehnten deutlich verändert. Die Nachfrage nach Fernsehröhren, einst die Hauptanwendung, ist mit dem Aufkommen von Flachbildschirmen praktisch verschwunden. Heute wird die Nachfrage von Ferritmagneten, Feuerwerkskörpern und speziellen Anwendungen in Keramik und Metallurgie dominiert. Der Preis für Strontiumcarbonat liegt zwischen 300 und 800 Euro pro Tonne, je nach Reinheit und Marktbedingungen.
Strontium spielt eine zunehmend wichtige Rolle in Präzisionsquantentechnologien. Optische Strontium-Atomuhren, die seit den 2000er Jahren entwickelt werden, gehören zu den präzisesten Zeitmessgeräten, die jemals gebaut wurden. Diese Uhren nutzen ultra-scharfe elektronische Übergänge in lasergekühlten Strontiumatomen und erreichen eine Genauigkeit in der Größenordnung von 10⁻¹⁸, wobei sie nur eine Sekunde in 15 Milliarden Jahren verlieren oder gewinnen (länger als das Alter des Universums). Diese Geräte könnten die Zeitmessung revolutionieren und neue Anwendungen in der Geodäsie, Navigation und Tests der Grundlagenphysik ermöglichen.
