El estroncio es un elemento químico de símbolo Sr y número atómico 38. El estroncio es un metal alcalinotérreo , un elemento metálico blando de color blanco plateado amarillento 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 . Se encuentra de forma natural principalmente en los minerales celestina y estroncianita , y se extrae principalmente de estos.
Tanto el estroncio como la estroncianita deben su nombre a Strontian , un pueblo de Escocia cerca del cual Adair Crawford y William Cruickshank descubrieron el mineral en 1790 ; fue identificado como un nuevo elemento al año siguiente por su color rojo carmesí en la prueba de llama . El estroncio fue aislado por primera vez como metal en 1808 por Humphry Davy utilizando el entonces recién descubierto proceso de electrólisis . Durante el siglo XIX, el estroncio se utilizó principalmente en la producción de azúcar a partir de remolacha azucarera (véase proceso estronciano ). En el pico de producción de tubos de rayos catódicos de televisión , hasta el 75% del consumo de estroncio en los Estados Unidos se utilizó para el vidrio de la placa frontal. [9] Con la sustitución de los tubos de rayos catódicos por otros métodos de visualización, el consumo de estroncio ha disminuido drásticamente. [9]
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 natural estable, por otro lado, no es peligroso para la salud.
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 . [10] Es más blando que el calcio y más duro que el bario. Sus puntos de fusión (777 °C) y ebullición (1377 °C) son más bajos que 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 3 ) es igualmente intermedia entre las del calcio (1,54 g/cm 3 ) y el bario (3,594 g/cm 3 ). [11] Existen tres alótropos del estroncio metálico, con puntos de transición a 235 y 540 °C. [ cita requerida ]
El potencial de electrodo estándar para el par Sr 2+ /Sr es −2,89 V, aproximadamente a medio camino entre los de los pares Ca 2+ /Ca (−2,84 V) y Ba 2+ /Ba (−2,92 V), y cerca de los de los metales alcalinos vecinos . [12] El estroncio es intermedio entre el calcio y el bario en su reactividad hacia el agua, con la que reacciona al contacto para producir hidróxido de estroncio y gas hidrógeno . El estroncio metálico se quema en el aire para producir óxido de estroncio y nitruro de estroncio , pero como no reacciona con el nitrógeno por debajo de los 380 °C, a temperatura ambiente solo forma el óxido espontáneamente. [11] Además del óxido simple SrO, el peróxido SrO 2 se puede formar por oxidación directa del estroncio metálico bajo una alta presión de oxígeno, y hay alguna evidencia de un superóxido amarillo Sr(O 2 ) 2 . [13] El hidróxido de estroncio , Sr(OH) 2 , es una base fuerte, aunque no es tan fuerte como los hidróxidos de bario o los metales alcalinos. [14] Se conocen los cuatro dihaluros de estroncio. [15]
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 2+ es bastante grande, por lo que los números de coordinación altos son la regla. [16] 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 mucho más fuertes. [17]
Los compuestos de organoestroncio contienen uno o más enlaces estroncio-carbono. Se han reportado como intermediarios en reacciones de tipo Barbier . [18] [19] [20] Aunque el estroncio está en el mismo grupo que el magnesio, y los compuestos de organomagnesio se usan muy comúnmente en toda la química, los compuestos de organoestroncio no están igualmente extendidos porque son más difíciles de hacer y más reactivos. Los compuestos de organoestroncio tienden a ser más similares a los compuestos de organoeuropio u organosamario debido a los radios iónicos similares de estos elementos (Sr 2+ 118 pm; Eu 2+ 117 pm; Sm 2+ 122 pm). La mayoría de estos compuestos solo se pueden preparar a bajas temperaturas; los ligandos voluminosos tienden a favorecer la estabilidad. Por ejemplo, el diciclopentadienilo de estroncio , Sr(C 5 H 5 ) 2 , debe fabricarse haciendo reaccionar directamente el metal de estroncio con el mercuroceno o el ciclopentadieno en sí; Por otro lado, reemplazar el ligando C 5 H 5 con el ligando C 5 (CH 3 ) 5 más voluminoso aumenta la solubilidad, la volatilidad y la estabilidad cinética del compuesto. [21]
Debido a su extrema reactividad con el oxígeno y el agua, el estroncio se presenta de forma natural sólo 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 volátiles de estroncio imparten un color rojo brillante a las llamas, y estas sales se utilizan en pirotecnia y en la producción de bengalas . [11] 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. [10]
El estroncio natural es una mezcla de cuatro isótopos estables : 84 Sr, 86 Sr, 87 Sr y 88 Sr. [11] De estos isótopos, 88 Sr es el más abundante, representa aproximadamente el 82,6 % de todo el estroncio natural, aunque la abundancia varía debido a la producción de 87 Sr radiogénico como hijo del 87 Rb de larga vida en desintegración beta . [22] Esta es la base de la datación rubidio-estroncio . De los isótopos inestables, el modo de desintegración primario de los isótopos más ligeros que 85 Sr es la captura de electrones o emisión de positrones a isótopos de rubidio, y el de los isótopos más pesados que 88 Sr es la emisión de electrones a isótopos de itrio . De especial interés son 89 Sr y 90 Sr. El primero tiene una vida media de 50,6 días y se utiliza para tratar el cáncer de huesos debido a la similitud química del estroncio y, por lo tanto, a su capacidad para reemplazar al calcio. [23] [24] Si bien el 90 Sr (vida media de 28,90 años) se ha utilizado de manera similar, también es un isótopo preocupante en la lluvia radiactiva de armas nucleares y 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 . [25] El accidente nuclear de Chernóbil de 1986 contaminó alrededor de 30 000 km2 con más de 10 kBq/m2 con 90 Sr , lo que representa aproximadamente el 5 % del 90 Sr que había en el núcleo del reactor. [26]
El estroncio debe su nombre al pueblo escocés de Strontian ( gaélico escocés : Sròn an t-Sìthein ), donde fue descubierto en los minerales de las minas de plomo. [27]
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 "espatos pesados". [28] Esto permitió a Crawford concluir en la página 355 "... es probable de hecho, 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 llamó estroncianita. También llegó a la conclusión de que era distinto de la witherita y contenía una nueva tierra (neue Grunderde). [29] En 1793 Thomas Charles Hope , un profesor de química en la Universidad de Glasgow estudió el mineral [30] [31] y propuso el nombre de estrontitas . [32] [33] [34] 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 fue encontrada; un modo de derivación en mi opinión, tan apropiado como cualquier cualidad que pueda poseer, que es la moda actual". El elemento fue finalmente aislado por Sir Humphry Davy en 1808 mediante la electrólisis de una mezcla que contenía cloruro de estroncio y óxido de mercurio , y anunciado por él en una conferencia a la Royal Society el 30 de junio de 1808. [35] En consonancia con la denominación de las otras tierras alcalinas, cambió el nombre a estroncio . [36] [37] [38] [39] [40]
La primera aplicación a gran escala del estroncio fue en la producción de azúcar a partir de remolacha azucarera . Aunque Augustin-Pierre Dubrunfaut patentó un proceso de cristalización que utilizaba hidróxido de estroncio en 1849 [41], 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 utilizaba entre 100.000 y 150.000 toneladas de hidróxido de estroncio para este proceso al año. [42] El hidróxido de estroncio se reciclaba en el proceso, pero la demanda para sustituir las pérdidas durante la producción era lo suficientemente alta como para crear una demanda significativa que inició la minería de estroncianita en Münsterland . La minería de estroncianita en Alemania terminó cuando comenzó la minería de los depósitos de celestina en Gloucestershire . [43] Estas minas suministraron la mayor parte del suministro mundial de estroncio entre 1884 y 1941. Aunque los depósitos de celestina en la cuenca de Granada se conocían desde hacía algún tiempo, la extracción a gran escala no comenzó antes de la década de 1950. [44]
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 pudiera enriquecerse en los huesos hicieron que la investigación sobre el metabolismo del estroncio fuera un tema importante. [45] [46]
El estroncio se encuentra comúnmente en la naturaleza, siendo el 15.º elemento más abundante en la Tierra (su congénere más pesado, el bario, es el 14.º), se estima que tiene un promedio de aproximadamente 360 partes por millón en la corteza terrestre [47] y se encuentra principalmente como el mineral de sulfato celestina (SrSO 4 ) y el carbonato estroncianita (SrCO 3 ). De los dos, la celestina se encuentra con mucha más frecuencia en depósitos de tamaño suficiente para la minería. Debido a que el estroncio se utiliza 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. [48] 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 las aguas subterráneas, el estroncio se comporta químicamente de forma muy similar al calcio. A un pH intermedio a ácido, el Sr 2+ es la especie de estroncio dominante. En presencia de iones de calcio, el estroncio forma comúnmente coprecipitados con minerales de calcio como la calcita y la anhidrita a un pH elevado. A un pH intermedio a ácido, el estroncio disuelto se une a las partículas del suelo mediante intercambio de cationes . [49]
El contenido medio de estroncio en el agua del océano es de 8 mg/L. [50] [51] En 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. [52] [53] Sin embargo, es mucho mayor que la del bario, 13 μg/L. [11]
Los tres principales productores de estroncio en forma de celestina en 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 más pequeños. Aunque los depósitos de estroncio se encuentran ampliamente distribuidos en los Estados Unidos, no se han extraído desde 1959. [54]
Una gran proporción de la celestina extraída (SrSO 4 ) se convierte en carbonato mediante dos procesos. La celestina se lixivia directamente con una solución de carbonato de sodio o se tuesta con carbón para formar el sulfuro. La segunda etapa produce un material de color oscuro que contiene principalmente sulfuro de estroncio . Esta denominada "ceniza negra" se disuelve en agua y se filtra. El carbonato de estroncio se precipita a partir de la solución de sulfuro de estroncio mediante la introducción de dióxido de carbono . [55] El sulfato se reduce al sulfuro mediante la reducción carbotérmica :
De esta manera se procesan anualmente unas 300.000 toneladas. [56]
El metal se produce comercialmente reduciendo el óxido de estroncio con aluminio . El estroncio se destila de la mezcla. [56] El estroncio metálico también se puede preparar a pequeña escala mediante la electrólisis de una solución de cloruro de estroncio en cloruro de potasio fundido : [12]
El estroncio, que representa el 75% de la producción, se utiliza principalmente en vidrio para tubos de rayos catódicos de televisión en color [56] , donde evita la emisión de rayos X. [57] [58] Esta aplicación del estroncio ha ido disminuyendo debido a que los CRT están siendo reemplazados por otros métodos de visualización. Esta disminución tiene una influencia significativa en la minería y el refinado del estroncio. [48] Todas las partes del CRT deben absorber rayos X. En el cuello y el embudo del tubo se utiliza vidrio de plomo para este propósito, pero este tipo de vidrio muestra un efecto de oscurecimiento 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 promedio para la mezcla de vidrio determinados para un estudio de reciclaje en 2005 son 8,5% de óxido de estroncio y 10% de óxido de bario . [59]
El estroncio es tan similar al calcio que se incorpora al hueso. Los cuatro isótopos estables se incorporan en proporciones aproximadamente iguales a las 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 la que proviene. [60] [61] Este enfoque ayuda a identificar los patrones de migración antiguos y el origen de los restos humanos mezclados en los sitios de enterramiento de los campos de batalla. [62]
Las proporciones 87 Sr/ 86 Sr se utilizan comúnmente para determinar las posibles áreas de procedencia de sedimentos en sistemas naturales, especialmente en ambientes marinos y fluviales . Dasch (1969) demostró que los sedimentos superficiales del Atlántico mostraban proporciones 87 Sr/ 86 Sr que podrían considerarse como promedios a granel de las proporciones 87 Sr/ 86 Sr de terrenos geológicos de masas de tierra adyacentes. [63] Un buen ejemplo de un sistema fluvial-marino en el que se han empleado con éxito estudios de procedencia de isótopos de Sr es el sistema del río Nilo-Mediterráneo. [64] Debido a las diferentes edades de las rocas que constituyen la mayoría del Nilo Azul y el Nilo 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. Dichos cambios están controlados climáticamente en el Cuaternario Tardío . [64]
Más recientemente, las proporciones 87 Sr/ 86 Sr también se han utilizado para determinar la fuente de materiales arqueológicos antiguos, como madera y maíz en Chaco Canyon, Nuevo México . [65] [66] Las proporciones 87 Sr/ 86 Sr en los dientes también se pueden utilizar para rastrear migraciones animales . [67] [68]
El aluminato de estroncio se utiliza con frecuencia en juguetes que brillan en la oscuridad , ya que es química y biológicamente inerte. [69]
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El carbonato de estroncio y otras sales de estroncio se añaden a los fuegos artificiales para darles un color rojo intenso. [70] Este mismo efecto identifica los cationes de estroncio en la prueba de la llama . Los fuegos artificiales consumen alrededor del 5% de la producción mundial. [56] El carbonato de estroncio se utiliza en la fabricación de imanes de ferrita dura. [71] [72]
El cloruro de estroncio se utiliza a veces en pastas dentales para dientes sensibles. Una marca popular incluye un 10% de cloruro de estroncio hexahidratado total en peso. [73] Se utilizan pequeñas cantidades en el refinado de zinc para eliminar pequeñas cantidades de impurezas de plomo. [11] El metal en sí tiene un uso limitado como absorbente , para eliminar gases no deseados en el vacío al reaccionar con ellos, aunque el bario también se puede utilizar para este propósito. [12]
La transición óptica ultraestrecha entre el estado fundamental electrónico [Kr]5s 2 1 S 0 y el estado excitado metaestable [Kr]5s5p 3 P 0 de 87 Sr es uno de los principales candidatos para la futura redefinición del segundo en términos de una transición óptica en oposición a la definición actual derivada de una transición de microondas entre diferentes estados fundamentales hiperfinos de 133 Cs. [74] Los relojes atómicos ópticos actuales que operan en esta transición ya superan la precisión y exactitud de la definición actual del segundo. [75]
El 89 Sr es el ingrediente activo de Metastron , [76] 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 sitios de mayor osteogénesis . Esta localización centra la exposición a la radiación en la lesión cancerosa. [24]
El 90 Sr se ha utilizado como fuente de energía para generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG). El 90 Sr produce aproximadamente 0,93 vatios de calor por gramo (es menor para la forma de 90 Sr utilizada en RTG, que es fluoruro de estroncio ). [77] Sin embargo, el 90 Sr tiene un tercio de la vida útil y una densidad menor que el 238 Pu , otro combustible RTG. La principal ventaja del 90 Sr es que es significativamente más barato que el 238 Pu y se encuentra en los residuos nucleares . Este último debe prepararse irradiando 237 Np con neutrones y luego separando las modestas cantidades de 238 Pu. La principal desventaja del 90 Sr es que las partículas beta de alta energía producen Bremsstrahlung cuando encuentran núcleos de otros átomos pesados cercanos, como el estroncio adyacente. Esto ocurre principalmente en el rango de los rayos X. Por lo tanto, los emisores beta fuertes también emiten rayos X secundarios significativos en la mayoría de los casos. Esto requiere importantes medidas de protección que complican el diseño de RTG que utilizan 90 Sr. La Unión Soviética desplegó casi 1000 de estos RTG en su costa norte como fuente de energía para faros y estaciones meteorológicas. [78] [79]
Acantharea , un grupo relativamente grande de protozoos radiolarios marinos , produce intrincados esqueletos minerales compuestos de sulfato de estroncio . [81] En los sistemas biológicos, el calcio es sustituido en pequeña medida por estroncio. [82] 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 es de entre 1:1000 y 1:2000, aproximadamente en el mismo rango que en el suero sanguíneo. [83]
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 del estroncio no representan una amenaza significativa para la salud. El ser humano promedio tiene una ingesta de aproximadamente dos miligramos de estroncio al día. [84] En los adultos, el estroncio consumido tiende a adherirse solo a la superficie de los huesos, pero en los niños, el estroncio puede reemplazar al calcio en el mineral de los huesos en crecimiento y, por lo tanto, provocar problemas de crecimiento óseo. [85]
La vida media biológica del estroncio en humanos se ha reportado de diversas maneras: de 14 a 600 días, [86] [87] 1000 días, [88] 18 años, [89] 30 años [90] y, como límite superior, 49 años. [91] Las cifras de vida media biológica publicadas de amplio alcance se explican por el complejo metabolismo del estroncio dentro del cuerpo. Sin embargo, al promediar todas las vías de excreción, se estima que la vida media biológica general es de aproximadamente 18 años. [92] La tasa de eliminación del estroncio se ve fuertemente afectada por la edad y el sexo, debido a las diferencias en el metabolismo óseo . [93]
El ranelato de estroncio favorece el crecimiento óseo , aumenta la densidad ósea y reduce la incidencia de fracturas vertebrales, periféricas y de cadera . [94] [95] Sin embargo, el ranelato de estroncio también aumenta el riesgo de tromboembolia venosa, embolia pulmonar y trastornos cardiovasculares graves, incluido el infarto de miocardio. Por lo tanto, su uso está restringido en la actualidad. [96] 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. [97] A pesar de las restricciones sobre el ranelato de estroncio , el estroncio todavía se encuentra en algunos suplementos. [98] [99] No hay mucha evidencia científica sobre los riesgos del cloruro de estroncio cuando se toma por vía oral. Se recomienda a las personas con antecedentes personales o familiares de trastornos de la coagulación sanguínea que eviten el estroncio. [98] [99]
Se ha demostrado que el estroncio inhibe la irritación sensorial cuando se aplica tópicamente sobre la piel. [100] [101] Se ha demostrado que el estroncio aplicado tópicamente acelera la tasa de recuperación de la barrera de permeabilidad epidérmica (barrera cutánea). [102]
El estroncio-90 es un producto radiactivo de fisión producido por los reactores nucleares utilizados en la energía nuclear . Es un componente importante de la radiactividad de alto nivel de los desechos nucleares y del combustible nuclear gastado . Su vida media de 29 años es lo suficientemente corta como para que su calor de desintegración se haya utilizado para alimentar faros del Ártico, pero lo suficientemente larga como para que pueda tardar cientos de años en desintegrarse a niveles seguros. La exposición a agua y alimentos contaminados puede aumentar el riesgo de leucemia , cáncer de huesos [103] e hiperparatiroidismo primario [104] .
Las algas han demostrado selectividad por el estroncio en estudios, donde la mayoría de las plantas utilizadas en biorremediación no han mostrado selectividad entre calcio y estroncio, saturándose a menudo con calcio, que es mayor en cantidad y también está presente en los desechos nucleares. [103]
Los investigadores han estudiado la bioacumulación de estroncio por parte de Scenedesmus spinosus ( alga ) en aguas residuales simuladas. El estudio afirma que S. spinosus posee una capacidad de biosorción altamente selectiva para el estroncio , lo que sugiere que podría ser adecuado para su uso en el tratamiento de aguas residuales nucleares. [105]
Un estudio del alga de estanque Closterium moniliferum utilizando estroncio no radiactivo descubrió que variar la proporción de bario a estroncio en el agua mejoraba la selectividad del estroncio. [103]
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