Strontium là gì? Các nghiên cứu khoa học về Strontium

Strontium là gì?

Strontium là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm kim loại kiềm thổ trong bảng tuần hoàn, ký hiệu Sr, số nguyên tử 38. Được phát hiện lần đầu tiên vào cuối thế kỷ 18, Strontium ngày nay đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, từ công nghệ cao cho tới y tế. Với tính chất phản ứng cao, Strontium thường được tìm thấy dưới dạng hợp chất thay vì ở dạng nguyên chất trong tự nhiên.

Lịch sử phát hiện và tên gọi

Strontium được phát hiện năm 1790 bởi Adair Crawford, khi ông nghiên cứu một khoáng vật lấy từ Strontian, Scotland. Ban đầu, nguyên tố mới được gọi là "strontianite" dựa theo tên mỏ khoáng. Đến năm 1808, nhà hóa học nổi tiếng Humphry Davy đã tách được kim loại nguyên chất bằng phương pháp điện phân strontium chloride (SrCl₂).

Đặc điểm vật lý và hóa học

Strontium là một kim loại mềm, màu bạc sáng khi mới cắt, nhưng nhanh chóng chuyển màu vàng do phản ứng với oxy trong không khí. Một số đặc tính vật lý và hóa học chính bao gồm:

• Điểm nóng chảy: 777 °C
• Điểm sôi: 1382 °C
• Mật độ: khoảng 2,64 g/cm³ ở 20 °C
• Độ dẫn điện: Tương đối cao so với nhiều kim loại khác

Về hóa học, Strontium phản ứng mãnh liệt với nước theo phương trình:

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

Strontium còn dễ dàng phản ứng với oxy, lưu huỳnh và halogen để tạo thành oxit, sulfide và halide tương ứng.

Ứng dụng của Strontium trong thực tế

1. Ngành công nghiệp giải trí: Strontium carbonate và Strontium nitrate là hai hợp chất chính được sử dụng để tạo màu đỏ rực rỡ trong pháo hoa và tín hiệu cứu hộ. Theo Chemicool, Strontium tạo ra dải màu sắc rất ổn định, vượt trội so với nhiều nguyên tố khác khi tiếp xúc nhiệt độ cao.

2. Y học và dược phẩm: Strontium ranelate được sử dụng trong điều trị loãng xương ở người cao tuổi, vì nó vừa kích thích tạo xương mới vừa ức chế quá trình tiêu xương. Bên cạnh đó, đồng vị phóng xạ Strontium-89 được sử dụng trong điều trị giảm đau cho bệnh nhân ung thư xương, như mô tả trong tài liệu từ NCBI.

3. Công nghệ điện tử: Hợp chất Strontium titanate (SrTiO₃) được sử dụng trong sản xuất tụ điện có hằng số điện môi cao, cũng như trong các thiết bị siêu dẫn, pin nhiên liệu và linh kiện bán dẫn hiện đại.

4. Công nghiệp thủy tinh: Strontium được dùng để chế tạo kính màu cho màn hình CRT (cathode ray tube) trước đây, nhằm ngăn ngừa phát xạ tia X có hại.

Sự hiện diện trong tự nhiên

Strontium là nguyên tố tương đối phổ biến, đứng thứ 15 về tỷ lệ khối lượng trong lớp vỏ Trái Đất. Hai khoáng vật chính chứa strontium là:

• Celestite (SrSO₄): Strontium sulfate
• Strontianite (SrCO₃): Strontium carbonate

Hiện nay, các mỏ strontium lớn tập trung tại Tây Ban Nha, Trung Quốc và Mexico, theo số liệu từ U.S. Geological Survey.

Đồng vị và phóng xạ của Strontium

Strontium tự nhiên bao gồm bốn đồng vị ổn định:

• ⁸⁴Sr (0,56%)
• ⁸⁶Sr (9,86%)
• ⁸⁷Sr (7,00%)
• ⁸⁸Sr (82,58%)

⁸⁷Sr được hình thành từ sự phân rã phóng xạ của ⁸⁷Rb (rubidium), một quá trình rất chậm với chu kỳ bán rã khoảng 48,8 tỷ năm. Phương trình phân rã:

$^{87}Rb \rightarrow ^{87}Sr + e^- + \bar{\nu}_e$

Đáng chú ý, đồng vị nhân tạo Strontium-90 là một sản phẩm phụ nguy hiểm của phản ứng phân hạch hạt nhân trong các lò phản ứng hoặc vũ khí hạt nhân. Strontium-90 có chu kỳ bán rã khoảng 28,8 năm và có thể gây ung thư xương nếu tích tụ trong cơ thể người, theo thông tin từ U.S. Environmental Protection Agency (EPA).

Ảnh hưởng sinh học và độc tính

Ở nồng độ tự nhiên, Strontium tương đối an toàn và đóng vai trò hỗ trợ cấu trúc xương bằng cách thay thế một phần canxi. Tuy nhiên, việc hấp thụ lượng lớn Strontium-90 sẽ dẫn đến nguy cơ tổn thương mô xương và tăng tỷ lệ mắc các bệnh ung thư. Vì tính chất hóa học của Strontium rất giống với canxi, cơ thể người khó phân biệt giữa hai nguyên tố này trong quá trình trao đổi chất.

Do đó, trong trường hợp nhiễm xạ, biện pháp sử dụng các nguồn canxi ổn định sẽ giúp hạn chế sự hấp thu Strontium-90 vào xương.

Vai trò trong nghiên cứu khoa học

Đồng vị Sr-87/Sr-86 được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu địa chất và cổ sinh học để truy vết nguồn gốc và tuổi của mẫu đá, trầm tích, hoặc mẫu hóa thạch. Phân tích tỷ lệ Sr-87/Sr-86 cung cấp thông tin quan trọng về lịch sử hình thành và tiến hóa của lớp vỏ Trái Đất.

Trong lĩnh vực nghiên cứu vật lý nguyên tử, đồng vị Sr cũng được dùng trong các thí nghiệm đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao, nhằm cải thiện công nghệ định vị toàn cầu (GPS) và hệ thống viễn thông.

Kết luận

Strontium là một nguyên tố có ý nghĩa quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp, y học cho đến nghiên cứu khoa học. Khả năng phản ứng cao, sự đa dạng về đồng vị và các ứng dụng thực tiễn khiến Strontium trở thành một nguyên tố cần thiết cho sự phát triển công nghệ hiện đại. Tuy nhiên, do các nguy cơ phóng xạ liên quan tới Strontium-90, việc sử dụng và kiểm soát nguyên tố này cần được thực hiện cẩn trọng và tuân thủ nghiêm ngặt các quy chuẩn an toàn.