最終更新日：2025年12月15日

ストロンチウム (38)：赤い炎の金属

ストロンチウムの発見の歴史

ストロンチウムの歴史は、1787年、スコットランドのハイランドにあるストロンチアン村で始まります。この村の鉛鉱山で、地元の鉱夫たちが通常とは異なる鉱物を発見しました。この鉱物は、既知の炭酸塩とは異なる外観をしており、イギリスの化学者たちの注目を集めました。アイルランドの医師であり化学者の エア・クロフォード (1748-1795) とスコットランドの化学者 ウィリアム・クルックスハンク は、1790年にこの鉱物を分析し、バライトや石灰とは異なる新しい土類（金属酸化物）を含んでいることを認識しました。

この鉱物はストロンチアン村にちなんでストロンチアナイトと名付けられ、新しい土類はストロンチアと呼ばれました。しかし、金属ストロンチウムの単離はずっと後になって実現しました。1808年、電気化学の先駆者であるイギリスの化学者 ハンフリー・デイビー卿 (1778-1829) は、湿ったストロンチウム酸化物と水銀酸化物の混合物を電気分解することで、ストロンチウムを単離することに成功しました。これは、ナトリウム、カリウム、カルシウム、バリウムを単離するために開発した技術と似ています。

ストロンチウムの発見は、分光分析や電気化学的手法が新しい元素の同定と単離を可能にした、化学の活発な研究期間に行われました。デイビーは、水銀とのアマルガムとして金属ストロンチウムを単離し、その後、水銀を蒸留することで純粋な金属を得ました。ストロンチウムという名前は、鉱石が発見されたスコットランドの村にちなんで正式に採用されました。

1852年、スコットランドの化学者 トーマス・アンダーソン は、ストロンチウムのもう一つの重要な鉱物形態である天青石（またはセレスタイト）を発見しました。これは、空色のストロンチウム硫酸塩（SrSO₄）で、後にストロンチウムの主要な工業原料となりました。この発見により、ストロンチウムはさまざまな産業用途に商業的に利用されるようになりました。

構造と基本的な性質

ストロンチウム（記号 Sr、原子番号 38）は、周期表の2族に属するアルカリ土類金属です。その原子は38個の陽子、通常50個の中性子（最も豊富な同位体 \(\,^{88}\mathrm{Sr}\) の場合）、および38個の電子を持ち、電子配置は [Kr] 5s² です。

ストロンチウムは、新しく切断されたときには柔らかく、銀白色で光沢のある金属です。その密度は2.64 g/cm³で、カルシウム（1.55 g/cm³）とバリウム（3.51 g/cm³）の中間に位置し、2族における位置を反映しています。ストロンチウムはナイフで切断できるほど柔らかいですが、カルシウムよりはわずかに硬いです。

ストロンチウムは室温で面心立方構造（fcc）で結晶します。約215 °Cで、六方最密充填構造（hcp）への相転移を起こします。この相転移は、電気伝導率や熱伝導率などの物理的性質に影響を与えます。

ストロンチウムは 777 °C (1050 K) で融解し、1382 °C (1655 K) で沸騰します。空気中では、ストロンチウム金属は急速に酸化され、黄色がかった酸化物と窒化物の層を形成します。この保護層はさらなる酸化を遅らせますが、金属の徐々な腐食を防ぐことはできません。このため、金属ストロンチウムは鉱油中または不活性アルゴンガス中で保存する必要があります。

ストロンチウムの融点：1050 K (777 °C)。
ストロンチウムの沸点：1655 K (1382 °C)。
ストロンチウムの電気伝導率は銅の約7.9%です。

ストロンチウムの同位体表

ストロンチウムの同位体（基本的な物理的性質）
同位体 / 記号	陽子 (Z)	中性子 (N)	原子質量 (u)	天然存在比	半減期 / 安定性	崩壊 / 備考
ストロンチウム-84 — \(\,^{84}\mathrm{Sr}\,\)	38	46	83.913425 u	≈ 0.56%	安定	天然ストロンチウムの中で最も軽く、最も希少な安定同位体。
ストロンチウム-86 — \(\,^{86}\mathrm{Sr}\,\)	38	48	85.909260 u	≈ 9.86%	安定	2番目に希少な安定同位体で、地球化学でのトレーサーとして使用される。
ストロンチウム-87 — \(\,^{87}\mathrm{Sr}\,\)	38	49	86.908877 u	≈ 7.00%	安定	ルビジウム-87の崩壊によって生成される放射性同位体。Rb-Sr年代測定や地質学的トレーサーとして使用される。
ストロンチウム-88 — \(\,^{88}\mathrm{Sr}\,\)	38	50	87.905612 u	≈ 82.58%	安定	天然ストロンチウムの中で最も豊富な同位体で、全体の4/5以上を占める。
ストロンチウム-89 — \(\,^{89}\mathrm{Sr}\,\)	38	51	88.907451 u	合成	≈ 50.6日	放射性 (β⁻)。核分裂生成物。核医学で痛みを伴う骨転移の治療に使用される。
ストロンチウム-90 — \(\,^{90}\mathrm{Sr}\,\)	38	52	89.907474 u	合成	≈ 28.8年	放射性 (β⁻)。主要な核分裂生成物で、骨に蓄積するため非常に危険。重要な放射性汚染物質。
ストロンチウム-85 — \(\,^{85}\mathrm{Sr}\,\)	38	47	84.912933 u	合成	≈ 64.8日	放射性 (電子捕獲)。ガンマ線放出体で、医学や水文学でのトレーサーとして使用される。

ストロンチウムの電子配置と電子殻

注記：
電子殻：電子が原子核の周りにどのように配置されているか。

ストロンチウムは38個の電子を持ち、これらは5つの電子殻に分布しています。完全な電子配置は 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 5s² で、簡略化すると [Kr] 5s² となります。この配置は K(2) L(8) M(18) N(8) O(2) と表すこともできます。

電子殻の詳細な構造

K殻 (n=1)：1s軌道に2個の電子を含む。この内殻は完全で非常に安定している。
L殻 (n=2)：2s² 2p⁶に8個の電子を含む。この殻も完全で、ネオンの貴ガス配置を形成する。
M殻 (n=3)：3s² 3p⁶ 3d¹⁰に18個の電子を含む。この完全な殻は、価電子を保護する電子シールドに寄与する。
N殻 (n=4)：4s² 4p⁶に8個の電子を含み、クリプトンの貴ガス配置を形成する。
O殻 (n=5)：5s軌道に2個の電子を含む。これらの2個の電子がストロンチウムの価電子である。

価電子と酸化状態

最外殻（5s²）の2個の電子は、ストロンチウムの価電子です。これらの電子は、核からの距離が大きく、内殻の完全な電子殻による遮蔽効果のため、核との結合が比較的弱いです。この低いイオン化エネルギーにより、ストロンチウムはアルカリ土類金属に特徴的な高い化学反応性を持ちます。

ストロンチウムの酸化状態は、すべての安定な化合物において+2です。ストロンチウムは容易に2個の価電子を失い、クリプトンの安定な電子配置 [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ を持つ Sr²⁺ イオンを形成します。この完全なオクテット配置は、36個の電子を持ち、ストロンチウムイオンを特に安定にします。

Sr²⁺ のイオン半径（118 pm）は、Ca²⁺（100 pm）よりも大きく、Ba²⁺（135 pm）よりも小さいです。これは、ストロンチウムが2族の中で中間的な位置にあることを反映しています。この中間的なサイズは、生化学や地球化学において重要な意味を持ち、ストロンチウムイオンが多くの結晶構造や生物学的プロセスでカルシウムイオンに置き換わることができます。

ストロンチウムの電気陰性度は中程度（パウリングスケールで0.95）で、化学結合が主にイオン性であることを示しています。ストロンチウムは、ハロゲン、酸素、硫黄、および炭酸塩、硫酸塩、硝酸塩などのアニオン基と、ほとんどすべての非金属とイオン化合物を形成します。ストロンチウムの強い金属性は、最も電気陽性な元素の一つとして分類されます。

化学的反応性

ストロンチウムは非常に反応性の高い金属ですが、カルシウムよりはわずかに反応性が低いです。室温で水と激しく反応し、水酸化ストロンチウムと水素ガスを生成します：Sr + 2H₂O → Sr(OH)₂ + H₂。この反応は発熱反応で、放出された水素を点火するのに十分な熱を生成し、気化したストロンチウムによる特徴的な深紅色の炎を生じます。

空気中では、ストロンチウムは急速に酸化され、まず酸化ストロンチウム（SrO）の層を形成し、その後大気中の窒素と反応して窒化ストロンチウム（Sr₃N₂）を生成します：2Sr + O₂ → 2SrO および 3Sr + N₂ → Sr₃N₂。金属の表面は、光沢のある銀白色から数分でくすんだ黄色に変化します。高温（300 °C以上）では、ストロンチウムは空気中で特徴的な鮮やかな赤い炎を上げて燃焼します。

ハロゲンとの反応では、ストロンチウムはエネルギーを持ってストロンチウムハロゲン化物を形成します：Sr + Cl₂ → SrCl₂。ストロンチウムハロゲン化物（SrF₂, SrCl₂, SrBr₂, SrI₂）は、白色のイオン性固体で、非常に安定し吸湿性があります。塩化ストロンチウム（SrCl₂）は特に、強烈な赤い炎を生成するために花火で使用されます。

ストロンチウムは、希釈された酸とも反応してストロンチウム塩を形成し、水素を放出します：Sr + 2HCl → SrCl₂ + H₂。希硫酸との反応は、生成された硫酸ストロンチウム（SrSO₄）が難溶性で金属表面を保護層で覆うため、急速に遅くなります。

ストロンチウムは、高温（約200-500 °C）で水素と直接反応し、水素化ストロンチウム（SrH₂）を形成します。これは灰色のイオン化合物で、水素源や還元剤として使用されます。高温で炭素と反応すると、炭化ストロンチウム（SrC₂）を形成し、これは水と反応してアセチレンを生成します。

ストロンチウムは酸素と重要な化合物を形成します：酸化物 SrO、過酸化物 SrO₂、およびスーパーオキシド Sr(O₂)₂。水酸化ストロンチウム Sr(OH)₂ は強い可溶性塩基で、腐食性のアルカリ溶液を形成します。炭酸ストロンチウム（SrCO₃）は天然にストロンチアナイトとして存在し、水に難溶性で、高温で酸化物に分解します。

ストロンチウムの産業および技術的応用

花火や照明弾で鮮やかな赤い炎を生成するため（硝酸ストロンチウムおよび塩化ストロンチウム）；
カラーテレビのブラウン管の製造（X線を吸収するストロンチウムガラス）；
電気モーターやスピーカー用のストロンチウムフェライト（SrFe₁₂O₁₉）永久磁石；
核医学（ストロンチウム-89）で痛みを伴う骨転移の緩和治療；
アルミニウム合金の添加剤として、流動性を改善し結晶粒を微細化；
発光塗料やコーティング（ドープされたストロンチウムアルミネート）；
実験用放射性同位体熱電発電機（ストロンチウム-90、現在は廃止）；
地質学および海洋学における同位体トレーサー（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比）で岩石の起源を研究；
特殊ガラスや技術セラミックスの製造；
知覚過敏用歯磨き粉の添加剤（塩化ストロンチウムおよび酢酸ストロンチウム）；
ガラスや金属の研磨ペーストの製造（炭酸ストロンチウム）；
ビート糖の精製；
電子工学における特定のセラミックコンデンサー；
水文学および環境研究におけるトレーサー；
特殊な顔料や染料の製造；
新世代の光学原子時計（超低温ストロンチウム）；
量子物理学および原子光学の基礎研究。

ストロンチウム-90と放射性汚染

ストロンチウム-90は、核反応や原子爆弾の爆発によって生成される最も危険な核分裂生成物の一つです。半減期は28.8年で、数世紀にわたって放射性を保ちます（約10半減期、つまり約300年）。ストロンチウム-90は、ウラン-235とプルトニウム-239の核分裂によって生成され、核分裂収率は約5〜6%です。

ストロンチウム-90の特異な危険性は、カルシウムとの化学的類似性に由来します。摂取または吸入されると、ストロンチウム-90は骨や歯に集まり、ヒドロキシアパタイト中のカルシウムに置き換わります。骨格に取り込まれると、長年にわたって骨組織や骨髄をベータ線で連続的に照射し、骨がん、白血病、およびその他の血液疾患のリスクを大幅に高めます。

環境中のストロンチウム-90汚染の主な原因は、1945年から1980年の間に行われた大気圏内核実験です。これにより、大量のストロンチウム-90が地球の大気中に拡散され、放射性降下物が農業用土壌に沈着し、作物を汚染し、食物連鎖、特に乳製品を通じて人間に影響を与えました。

チェルノブイリ（1986年）や福島（2011年）などの大規模な原子力事故でも、環境中に大量のストロンチウム-90が放出されました。チェルノブイリでは、原子炉内のストロンチウム-90の約10%が放出され、原子炉周辺数十キロメートルの範囲に持続的な汚染地域が形成されました。

ストロンチウム-90の環境モニタリングは、公衆衛生上の重要な課題です。大気圏内核実験の終了以来、環境中のレベルは大幅に低下しましたが、ストロンチウム-90は依然として土壌、堆積物、および一部の食品、特に歴史的な放射性降下物や原子力事故の影響を受けた地域で検出されています。

天体物理学と宇宙論における役割

ストロンチウムは、恒星内で複数の恒星核合成プロセスによって合成されます。ストロンチウムの安定同位体（\(\,^{84}\mathrm{Sr}\), \(\,^{86}\mathrm{Sr}\), \(\,^{87}\mathrm{Sr}\), \(\,^{88}\mathrm{Sr}\)）は、主に漸近巨星分枝（AGB）星でのsプロセス（遅い中性子捕獲）によって生成され、超新星や中性子星の合体時のrプロセス（速い中性子捕獲）からの寄与もあります。

ストロンチウム-87同位体は特別な位置を占めています。これは、恒星核合成によって形成される原始的な同位体であると同時に、ルビジウム-87の崩壊によって生成される放射性同位体でもあります。岩石や隕石中の⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比は、放射性ストロンチウム-87の蓄積により時間とともに増加します。この比率は、基本的な地質年代学および地球化学的ツールです。

ストロンチウムの宇宙存在度は、水素の原子数に対して約2.3×10⁻⁹です。この比較的控えめな存在度は、核安定性曲線における鉄のピークを超えた位置を反映しており、核合成プロセスが効率的にならない領域です。

⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比率は、太陽系内の物質の起源と進化を追跡するために使用されます。始原的な隕石であるコンドライトは、約0.699の均一な初期⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比率を示し、これは初期の太陽系の組成を反映しています。地球上のさまざまな岩石や隕石で観察される変動は、惑星体の熱的および地球化学的な歴史を再構築することを可能にします。

中性ストロンチウム（Sr I）およびイオン化ストロンチウム（Sr II）のスペクトル線は、分光天体物理学において特に重要です。Sr IIの407.8 nmの線は強い共鳴線であり、恒星スペクトルで容易に観測できます。この線および他のストロンチウム線の分析により、さまざまなタイプや年齢の恒星におけるストロンチウムの存在度を決定し、銀河の化学的進化を追跡することができます。

ストロンチウムの顕著な過剰が、バリウム星や炭素星などの化学的に特異な恒星で観察されています。これらの星は、AGB星の伴星からの質量移動によってsプロセス元素で豊富になっています。これらの観測は、連星系における核合成と恒星進化の理解を確認するものです。

注記：
ストロンチウムは地殻中に約0.036%の質量濃度（360 ppm）で存在し、地殻中で15番目に豊富な元素です。炭素、硫黄、塩素よりも豊富です。ストロンチウムは単体では存在せず、常に鉱物中で化合物として存在します。

ストロンチウムの主要な2つの鉱石は、天青石（またはセレスタイト、硫酸ストロンチウム、SrSO₄）とストロンチアナイト（炭酸ストロンチウム、SrCO₃）です。天青石は最も豊富で主要な商業原料であり、空色から無色の結晶として産出します。主な天青石の鉱床は、スペイン、メキシコ、トルコ、イラン、アルゼンチンにあります。

世界のストロンチウム化合物（主に炭酸塩および硝酸塩）の生産量は年間約35万トンです。スペイン、中国、メキシコ、アルゼンチンが主要な生産国です。純粋な金属ストロンチウムは、はるかに少ない量で生産され、主に真空中で高温でアルミニウムを用いて酸化ストロンチウムを還元することによって製造されます。

ストロンチウム市場は過去数十年間で大きく変化しました。かつて主要な用途であったテレビのブラウン管への需要は、フラットパネルディスプレイの登場によりほとんど消滅しました。現在、需要はフェライト磁石、花火、セラミックスや冶金の特殊用途によって支配されています。炭酸ストロンチウムの価格は、純度や市場条件によって1トンあたり300〜800ユーロの範囲です。

ストロンチウムは、精密量子技術においてますます重要な役割を果たしています。2000年代から開発されているストロンチウム光学原子時計は、これまでに作られた中で最も精密な時間測定装置の一つです。これらの時計は、レーザー冷却されたストロンチウム原子の超狭い電子遷移を利用し、10⁻¹⁸の精度を達成します。これは、150億年に1秒しか狂わない精度であり、宇宙の年齢よりも長い時間です。これらの装置は、時間測定を革命的に変え、測地学、ナビゲーション、基礎物理学のテストにおける新しい応用を可能にする可能性があります。