Stronti là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Stronti là gì?

Stronti (Strontium, ký hiệu hóa học: Sr) là một nguyên tố kim loại thuộc nhóm kiềm thổ (nhóm IIA) trong bảng tuần hoàn, có số hiệu nguyên tử là 38. Dưới điều kiện tiêu chuẩn, stronti tồn tại dưới dạng kim loại màu bạc nhạt, mềm, dễ cắt và dễ phản ứng với không khí hoặc nước. Nguyên tố này có tính khử mạnh và phản ứng với oxy để tạo thành lớp oxit stronti (SrO) bảo vệ mỏng bên ngoài, tuy nhiên lớp bảo vệ này không đủ bền để ngăn sự oxy hóa tiếp tục.

Tên gọi "strontium" bắt nguồn từ Strontian – một thị trấn nhỏ ở Scotland, nơi khoáng vật chứa stronti (strontianite) được phát hiện lần đầu vào cuối thế kỷ 18. Năm 1790, nhà hóa học Adair Crawford đã mô tả một "đất kiềm mới" trong strontianite mà sau này được xác định là stronti. Stronti là nguyên tố phổ biến thứ 15 trong vỏ Trái Đất, chiếm khoảng 0,034% theo khối lượng.

Trong tự nhiên, stronti có ba đồng vị ổn định chính: ⁸⁴Sr, ⁸⁶Sr và ⁸⁸Sr, trong đó ⁸⁸Sr là phổ biến nhất, chiếm khoảng 82,6%. Ngoài ra, stronti còn có đồng vị phóng xạ ⁹⁰Sr – sản phẩm phân rã của uranium và plutonium trong lò phản ứng hạt nhân – có ảnh hưởng sinh học đáng kể do khả năng tích lũy trong xương.

Thuộc tính vật lý và hóa học

Stronti là kim loại mềm, có màu trắng bạc nhưng nhanh chóng chuyển sang màu xám khi tiếp xúc với không khí do hình thành lớp oxit SrO. Nó có khối lượng nguyên tử là 87,62 u, mật độ khoảng 2,64 g/cm³, điểm nóng chảy ở 777°C và điểm sôi là 1377°C. Stronti có cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt (FCC) ở nhiệt độ phòng, chuyển sang dạng lập phương tâm khối (BCC) ở nhiệt độ cao hơn.

Về mặt hóa học, stronti có tính khử mạnh, dễ dàng mất hai electron lớp ngoài cùng để tạo thành ion Sr²⁺. Nó phản ứng mãnh liệt với nước, tạo thành stronti hydroxit và giải phóng hydro khí. Phản ứng này xảy ra nhanh hơn so với canxi nhưng chậm hơn so với bari:

$\text{Sr} + 2H_2O \rightarrow \text{Sr(OH)}_2 + H_2\uparrow$

Khi cháy, stronti tạo ra ngọn lửa màu đỏ tươi đặc trưng, thường được sử dụng để nhận biết nguyên tố này trong phân tích ngọn lửa. Tính chất này cũng khiến stronti là thành phần chính trong pháo hoa và đèn cảnh báo.

So sánh với các nguyên tố cùng nhóm:

Nguyên tố	Màu ngọn lửa	Tốc độ phản ứng với nước	Tính độc
Canxi (Ca)	Cam đỏ	Chậm	Thấp
Stronti (Sr)	Đỏ tươi	Trung bình	Trung bình
Bari (Ba)	Xanh lục	Rất nhanh	Cao

Phân bố và trữ lượng trong tự nhiên

Stronti không xuất hiện ở dạng kim loại tự do trong tự nhiên do hoạt tính hóa học cao mà tồn tại chủ yếu dưới dạng hợp chất khoáng. Hai dạng khoáng phổ biến nhất là:

• Celestite (SrSO₄): là nguồn stronti thương mại chính, có thể tinh chế để tạo ra SrCO₃ hoặc SrCl₂.
• Strontianite (SrCO₃): hiếm hơn nhưng có giá trị cao vì chứa stronti ở dạng cacbonat dễ xử lý.

Các quốc gia có trữ lượng lớn celestite gồm:

• Trung Quốc (nhà sản xuất lớn nhất thế giới)
• Tây Ban Nha (khoáng sản chất lượng cao)
• Mexico, Argentina, Iran, Pakistan

Theo báo cáo năm 2023 của Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS), sản lượng celestite khai thác toàn cầu đạt khoảng 360.000 tấn mỗi năm. Mức độ phân bố khá đều, song chất lượng và độ tinh khiết khác nhau tùy khu vực.

Phương pháp khai thác và tinh chế

Quy trình sản xuất stronti kim loại bắt đầu từ việc khai thác quặng celestite hoặc strontianite. Tùy theo loại quặng, các bước xử lý có thể khác nhau, nhưng phổ biến là chuyển hóa thành SrCl₂ hoặc SrCO₃, sau đó điện phân hoặc phản ứng nhiệt luyện để thu được kim loại nguyên chất.

Một quy trình điển hình:

1. Nung celestite (SrSO₄) với than để tạo SrS.
2. Hòa tan SrS vào nước để kết tủa SrCO₃.
3. Chuyển SrCO₃ thành SrCl₂ bằng axit clohidric.
4. Điện phân SrCl₂ nóng chảy hoặc khử bằng nhôm:

$\text{SrCl}_2 + 2Al \rightarrow \text{Sr} + 2AlCl_3$

Toàn bộ quá trình đòi hỏi kiểm soát nhiệt độ, độ tinh khiết và môi trường khử oxy nghiêm ngặt để thu được stronti kim loại đạt chuẩn công nghiệp. Do chi phí và độ khó cao, stronti kim loại chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt.

Ứng dụng công nghiệp và thương mại

Stronti có nhiều ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp nhờ các tính chất đặc biệt như màu ngọn lửa đỏ đặc trưng, khả năng tạo hợp kim, và tương tác điện tử tốt. Một trong những ứng dụng phổ biến nhất là làm chất tạo màu đỏ trong pháo hoa và pháo hiệu. Stronti nitrat (Sr(NO₃)₂) và stronti cacbonat (SrCO₃) thường được sử dụng trong các hỗn hợp cháy tạo hiệu ứng ánh sáng mạnh và bền màu.

Trong ngành vật liệu, stronti được dùng để cải thiện tính chất của kính và gốm sứ. Các hợp chất như SrO được thêm vào thủy tinh CRT (cathode ray tube) để hấp thụ tia X phát ra từ ống tia điện tử. Mặc dù CRT đã lỗi thời, một số ứng dụng tương tự vẫn tồn tại trong thiết bị quang học, kính lọc tia UV, hoặc kính hấp thụ nhiệt. Trong men gốm, SrO đóng vai trò như một chất trợ chảy giúp nâng cao độ bền hóa học và tăng tính ổn định màu men.

Các ứng dụng chính của stronti trong công nghiệp:

• Chất tạo màu đỏ trong pháo hoa, đèn tín hiệu
• Chất ổn định tia X trong kính CRT và kính quang học
• Phụ gia hợp kim nhôm và magiê
• Thành phần trong gốm sứ kỹ thuật cao

Stronti trong sinh học và y học

Mặc dù không được coi là nguyên tố thiết yếu đối với con người, stronti lại có ảnh hưởng sinh học đáng kể vì nó có thể thay thế canxi trong mô xương do có cùng điện tích và kích thước ion gần tương đương. Một số hợp chất stronti như stronti ranelate đã được sử dụng trong điều trị loãng xương để kích thích tạo xương và ức chế quá trình tiêu xương.

Stronti ranelate từng được cấp phép tại châu Âu cho bệnh nhân có nguy cơ gãy xương cao, nhưng sau đó bị hạn chế do liên quan đến biến chứng tim mạch. Tuy nhiên, các dạng muối khác như stronti clorua (SrCl₂) vẫn được sử dụng trong kem đánh răng dành cho người răng nhạy cảm, do khả năng giảm dẫn truyền thần kinh tại ngà răng.

Ứng dụng trong y học:

Hợp chất	Ứng dụng	Trạng thái pháp lý
Stronti ranelate	Điều trị loãng xương	Hạn chế sử dụng ở EU
Stronti clorua	Giảm ê buốt răng	Được phép dùng trong nha khoa

Đồng vị phóng xạ Stronti-90 và vai trò trong năng lượng hạt nhân

Đồng vị phóng xạ ⁹⁰Sr là một sản phẩm phân rã của uranium và plutonium trong các lò phản ứng hạt nhân và vũ khí hạt nhân. Nó phát ra tia beta có năng lượng cao với chu kỳ bán rã khoảng 28,8 năm. Do có đặc tính sinh học tương tự canxi, ⁹⁰Sr dễ tích lũy trong xương người và động vật, gây tổn thương mô và tăng nguy cơ ung thư xương, tủy xương.

Tuy nhiên, nhờ khả năng phát nhiệt ổn định, ⁹⁰Sr được sử dụng trong các máy phát điện nhiệt điện đồng vị phóng xạ (RTG), cung cấp năng lượng cho tàu vũ trụ, phao hàng hải và thiết bị từ xa. Một số thiết bị đo công nghiệp và cảm biến phóng xạ cũng sử dụng nguồn ⁹⁰Sr.

Ứng dụng và rủi ro của Sr-90:

• Nguồn điện RTG cho thiết bị không người lái
• Thiết bị đo độ dày vật liệu trong sản xuất thép và giấy
• Chất gây ô nhiễm nguy hiểm sau tai nạn hạt nhân

Do độc tính cao, việc quản lý Sr-90 được quy định nghiêm ngặt bởi các tổ chức như IAEA và EPA Hoa Kỳ.

Ảnh hưởng môi trường và sức khỏe

Stronti ổn định không gây nguy hiểm sinh học trong liều lượng nhỏ, và cơ thể con người vẫn có thể chứa lượng nhỏ Sr tự nhiên trong xương mà không ảnh hưởng xấu. Tuy nhiên, stronti phóng xạ là mối lo ngại nghiêm trọng, đặc biệt trong các sự cố hạt nhân như Chernobyl hoặc Fukushima, khi Sr-90 lan truyền qua nước và thực phẩm.

Sr-90 tích lũy trong đất, thực vật và động vật qua chuỗi thức ăn, và không thể loại bỏ dễ dàng khỏi cơ thể. Các phương pháp khử nhiễm bao gồm cô lập đất nhiễm, rửa hóa học và sử dụng vật liệu hấp phụ như zeolite.

EPA quy định mức giới hạn Sr-90 trong nước uống là 8 picocurie/lít (pCi/L). Việc giám sát mức độ Sr trong môi trường cần phân tích chính xác bằng máy đo phổ tia beta và thiết bị phân tích đồng vị chuyên dụng.

Phân biệt với các nguyên tố liên quan

Stronti thường bị nhầm lẫn với các nguyên tố thuộc nhóm kim loại kiềm thổ khác như canxi và bari. Tuy có cùng cấu trúc electron lớp ngoài, nhưng mỗi nguyên tố có đặc trưng hóa học và sinh học khác nhau, đặc biệt là về mức độ độc tính và khả năng phản ứng.

Bảng phân biệt các nguyên tố cùng nhóm:

Nguyên tố	Ký hiệu	Trạng thái sinh học	Ứng dụng đặc trưng
Canxi	Ca	Thiết yếu	Thành phần chính trong xương, răng
Stronti	Sr	Không thiết yếu	Pháo hoa, kính, y học
Bari	Ba	Độc tính cao	Chất cản quang trong X-quang ruột

Tài liệu tham khảo

1. Greenwood, N. N., & Earnshaw, A. (2012). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann.
2. US Geological Survey (2023). Mineral Commodity Summaries: Strontium. usgs.gov
3. International Atomic Energy Agency (IAEA). Radioactive Waste Management
4. Environmental Protection Agency (EPA). Radionuclide Basics: Strontium-90
5. Lide, D. R. (2004). CRC Handbook of Chemistry and Physics (85th ed.). CRC Press.
6. European Medicines Agency. Assessment report: Strontium ranelate. ema.europa.eu