스트론튬

3. 특성

스트론튬은 은백색의 무른 알칼리 토금속으로 칼슘보다 무르고 반응성이 크다. 물 속에서 격렬하게 반응하여 수산화 스트론튬(Sr(OH)₂)과 수소 기체(H₂)를 발생시키며, 공기 중에서는 연소하여 산화스트론튬과 질화스트론튬을 생성한다. 그러나 실온에서는 오직 산화물만 생성되며 380 °C 이상이 되어야 질소와 반응한다.^[7] 스트론튬 금속은 공기 중에서 연소되어 산화스트론튬과 질화스트론튬을 모두 생성하지만, 380 °C 이하에서는 질소와 반응하지 않으므로 상온에서는 산화물만 자발적으로 생성된다. 단순한 산화물 SrO 외에도, 고압의 산소 하에서 스트론튬 금속을 직접 산화시켜 과산화물 SrO₂를 만들 수 있으며, 노란색 초과산화물 Sr(O₂)₂에 대한 증거도 일부 있다.^[8]

결정 구조는 온도와 압력 조건에 따라 세 가지 종류를 가질 수 있다. 상온, 상압에서 안정적인 것은 면심입방격자구조(FCC, α-Sr), 213℃~621℃ 사이에서는 육방최밀충전구조(HCP, β-Sr), 621℃~769℃ 사이에서는 체심입방격자(BCC, γ-Sr)가 각각 가장 안정적이다. 금속 스트론튬은 세 가지의 동소체가 존재하며, 전이점은 235 °C와 540 °C이다.

반응성이 매우 크기 때문에 자연에서는 다양한 원소들과 결합한 화합물로 존재한다. 공기 중에서는 산소와 빠르게 반응하여 밝은 노란색 산화물을 생성하므로 광물유 등 액체 탄화수소를 포함한 물질 속에 보관한다. 산화를 방지하기 위해 광유 또는 등유와 같은 액체 탄화수소 아래에 보관한다. 입자가 고운 스트론튬 분말은 실온에서도 스스로 발화하며, 휘발성의 스트론튬 화합물은 연소할 때 밝은 빨간색 빛을 방출하므로 불꽃놀이 폭죽이나 섬광탄 등의 제조에 이용된다. 휘발성 스트론튬 염은 불꽃에 밝은 붉은색을 부여하며, 이러한 염은 화약류 및 조명탄 생산에 사용된다.^[7] 염색반응에서 적색을 띤다.

대부분의 스트론튬 화합물은 무색투명하며, 칼슘과 바륨의 중간 정도의 성질을 가지고 있다. 스트론튬은 옅은 노란색을 띤 은백색의 2가 금속으로, 그 성질은 대부분 주기율표 이웃 원소인 칼슘과 바륨의 중간 정도이며 이들과 유사하다.^[6] 칼슘보다 무르고 바륨보다 단단하다. Sr²⁺/Sr 쌍의 표준 전극 전위는 −2.89 V이며, Ca²⁺/Ca (−2.84 V)와 Ba²⁺/Ba (−2.92 V) 쌍의 중간 정도이고, 이웃한 알칼리 금속과도 가깝다.^[71] 수산화스트론튬(Sr(OH)₂)은 강염기이지만, 바륨이나 알칼리 금속의 수산화물만큼 강하지는 않다.^[9] 스트론튬의 네 가지 이할로겐화물이 모두 알려져 있다.^[10]

스트론튬을 포함한 무거운 s-블록 원소의 크기가 크기 때문에 SrCd₁₁ 및 SrZn₁₃에서 2, 3 또는 4부터 22 또는 24까지 광범위한 배위수가 알려져 있다. Sr²⁺ 이온은 매우 크기 때문에 높은 배위수가 일반적이다.^[11] 스트론튬과 바륨의 큰 크기는 다좌 대고리 리간드(예: 크라운 에테르)를 사용한 스트론튬 착물을 안정화하는 데 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 18-크라운-6은 칼슘과 알칼리 금속과는 비교적 약한 착물을 형성하지만, 스트론튬과 바륨 착물은 훨씬 강하다.^[12]

유기스트론튬 화합물은 하나 이상의 스트론튬-탄소 결합을 포함한다. 이들은 바르비에형 반응의 중간체로 보고되었다.^[13][14][15] 유기스트론튬 화합물은 제조가 더 어렵고 반응성이 더 크기 때문에, 같은 족에 있는 마그네슘으로 만든 유기마그네슘 화합물처럼 널리 사용되지는 않는다. 유기스트론튬 화합물은 이들 원소의 유사한 이온 반지름(Sr²⁺ 118 pm; Eu²⁺ 117 pm; Sm²⁺ 122 pm) 때문에 유기유로피움 또는 유기사마륨 화합물과 더 유사한 경향이 있다. 이러한 화합물의 대부분은 저온에서만 제조할 수 있으며, 부피가 큰 리간드는 안정성을 향상시키는 경향이 있다. 예를 들어, 스트론튬 디시클로펜타디에닐(Sr(C₅H₅)₂)은 스트론튬 금속을 머큐로센 또는 시클로펜타디엔 자체와 직접 반응시켜 만들어야 하지만, 반면에 C₅H₅ 리간드를 더 부피가 큰 C₅(CH₃)₅ 리간드로 치환하면 화합물의 용해도, 휘발성 및 운동 안정성이 증가한다.^[16]

산화스트론튬의 알루미늄에 의한 환원 및 염화스트론튬 등의 용융염전해에 의해 금속 단체가 제조되고, 증류에 의해 정제된다.

: 4SrO + 2 Al -> 3Sr + SrAl2O4

4. 동위 원소

스트론튬은 자연에서 4가지 안정된 동위 원소의 혼합물로 존재한다. ⁸⁴Sr, ⁸⁶Sr, ⁸⁷Sr, ⁸⁸Sr이 그것이며, 이 중 ⁸⁸Sr이 가장 풍부하여 전체 천연 스트론튬의 약 82.6%를 차지한다.^{[7] 87}Sr은 다른 안정 동위 원소와 함께 생성되기도 하지만, ⁸⁷루비듐이 4.88×10¹⁰년의 반감기를 거쳐 붕괴하면서 생성되기도 한다.^{[17] 86}Sr과 ⁸⁷Sr의 비율은 광물이나 암석에 따라 큰 차이를 보인다.

인공적으로 만들어진 방사성 동위 원소 중 가장 반감기가 긴 것은 ⁹⁰Sr(반감기 28.78년)이다. ⁹⁰Sr은 핵분열의 부산물로 생성되며, 뼈에서 칼슘을 대체하고 체외로 잘 배출되지 않아 암을 유발할 수 있다. 그러나 고에너지의 베타 입자를 방출하는 핵종들 중 반감기가 긴 편에 속하므로 가볍고 수명이 긴 핵에너지원으로 사용되기도 한다. 소비에트 연방은 북부 해안의 등대와 기상 관측소에 이러한 RTG 약 1000개를 설치하여 동력원으로 사용하였다.^[76][77]

반감기가 짧은 인공 방사성 동위 원소인 ⁸⁹Sr(반감기 50.6일)은 뼈암 치료에 사용된다.^[18][19]

4. 1. 동위 원소의 이용

5. 존재

스트론튬은 지각 속에 약 360ppm 정도 포함되어 있으며, 지각에서 15번째로 풍부한 원소이다.^[42] 주로 스트론티아나이트(SrCO₃)와 천청석(SrSO₄)에서 산출된다.^[43] 해수 속에는 약 8ppm 정도 들어 있다.^[45][46]

2024년 1월 기준으로 셀레스틴(천청석) 형태의 스트론튬 주요 생산국은 다음과 같다.^[49]

2007년 기준으로 주 생산국은 전체 생산량의 2/3을 생산한 중국이며, 이외에 스페인, 멕시코, 터키, 아르헨티나, 이란 등에서도 상당량 생산되었다.^[42] 미국에도 스트론튬 광상이 널리 분포하지만, 1959년 이후 채굴되지 않고 있다.^[49]

6. 용도

컬러 TV 음극선관 유리에 사용되어 X선을 차단하는 역할을 했으나,^[139] 현재는 LCD, LED 등의 디스플레이 장치로 대체되어 사용이 감소하고 있다. 탄산 스트론튬(SrCO₃)이나 기타 스트론튬 화합물은 연소하면서 붉은 빛을 내므로 불꽃놀이 폭죽이나 섬광탄 제조에 사용된다. ⁹⁰Sr은 방사성 동위원소 열전 발전기(RTG)의 동력원으로 사용되어 왔으며, 소비에트 연방은 북부 해안의 등대와 기상 관측소에 약 1000개의 RTG를 배치했다.^[76][77] 광격자시계에 사용되어 시간 측정의 정확성을 높이며, 알루민산스트론튬은 야광 장난감에 자주 사용된다.^[65] 그 외에도 광학, 자석, 합금, 형광 물질, 세라믹, 홀로그램 스크린 개발 등 다양한 분야에서 연구 중이다.

6. 1. 한국에서의 용도

7. 생물학적 역할 및 영향

방산충 중 비교적 큰 그룹인 방산충류는 스트론튬 설페이트로 구성된 복잡한 미네랄 골격을 생성한다.^[79] 생물학적 시스템에서 칼슘은 소량의 스트론튬으로 치환된다.^[80] 인체에서 흡수된 스트론튬의 대부분은 뼈에 침착된다. 인체 뼈에서 스트론튬과 칼슘의 비율은 1:1000에서 1:2000 사이이며, 혈청과 거의 같은 범위이다.^[81]

인체는 스트론튬을 칼슘처럼 흡수한다. 이들 원소는 화학적으로 매우 유사하기 때문에 안정적인 스트론튬 동위원소는 건강에 큰 위협이 되지 않는다. 평균적으로 사람은 하루에 약 2밀리그램의 스트론튬을 섭취한다.^[82] 성인의 경우 섭취된 스트론튬은 뼈 표면에만 달라붙는 경향이 있지만, 어린이의 경우 스트론튬이 성장하는 뼈의 무기질에서 칼슘을 대체하여 뼈 성장 문제를 일으킬 수 있다.^[83]

인체 내 스트론튬의 생물학적 반감기는 14일에서 600일,^[84][85] 1,000일,^[86] 18년,^[87] 30년^[88]에서 최대 49년^[89]까지 다양하게 보고되었다. 이는 신체 내 스트론튬의 복잡한 신진대사 때문이다. 모든 배설 경로의 평균을 고려하면 전체적인 생물학적 반감기는 약 18년으로 추정된다.^[90] 스트론튬의 배설률은 뼈 신진대사의 차이로 인해 연령과 성별에 따라 크게 영향을 받는다.^[91]

스트론튬 라넬레이트는 뼈 성장을 돕고, 골밀도를 증가시키며, 척추, 말초 및 고관절 골절 발생률을 감소시키는 약물이다.^[92][93] 그러나 정맥혈전색전증, 폐색전증 및 심근경색을 포함한 심각한 심혈관 질환의 위험을 증가시키기 때문에 현재 사용이 제한된다.^[94] 골밀도 증가가 스트론튬이 대체하는 칼슘보다 스트론튬의 밀도 증가에 의해 부분적으로 발생하기 때문에 그 유익한 효과도 의문시된다. 스트론튬은 체내에 생물축적된다.^[95] 스트론튬 라넬레이트 사용 제한에도 불구하고, 스트론튬은 일부 보충제에 여전히 포함되어 있다.^[96][97] 경구 섭취 시 염화 스트론튬의 위험에 대한 과학적 증거는 많지 않으며, 혈액 응고 장애가 있는 사람은 스트론튬을 피하는 것이 좋다.^[96][97]

스트론튬은 피부에 국소적으로 적용될 때 감각 자극을 억제하고,^[98][99] 표피 투과성 장벽(피부 장벽)의 회복 속도를 가속화하는 것으로 나타났다.^[100]

우라늄의 핵분열 생성물 등, 인공적으로 만들어지는 대표적인 방사성 동위원소로 요오드-131, 세슘-137과 함께 스트론튬-90(⁹⁰Sr)이 있다. 스트론튬-90은 반감기가 28.8년으로 베타 붕괴를 일으켜 이트륨-90으로 변하며, 원자력 전지의 방사선 에너지원으로 사용된다. 스트론튬-90은 뼈에 축적되어 생물학적 반감기가 길어지기 때문에 베타선을 방출하는 방사성 물질 중에서도 인체에 대한 위험이 크다고 여겨진다.^[111] 체내에 들어가면 뼈 속의 칼슘과 치환되어 장기간에 걸쳐 방사선을 방출하기 때문에 매우 위험하다.^[111] 원전 사고에서 방출되는 양은 세슘-137에 비해 적다.

지질학에서는 루비듐-87이 β붕괴를 통해 반감기 4.9×10¹⁰년으로 스트론튬-87이 생성되는 것을 이용하여 주로 수천만 년 이전의 암석의 연대 측정에 사용된다. (Rb-Sr 연대 측정법)^[107]

다른 방사성 동위원소인 스트론튬-89는 골종양 치료에 사용된다. 스트론튬-89의 반감기는 50.52일로 짧아 비교적 단기간에 붕괴하기 때문에, 단기간에 강력한 방사선을 환부에 직접 조사할 수 있다.

자연계에서 발견되는 것과 거의 같은 비율로 4가지 안정 동위원소가 뼈에 흡수된다. 동위원소의 분포 비율은 지리적 위치에 따라 다른 경향이 있어,^[108][109] 고대 인류의 이동이나, 전쟁터 매장지에 혼재하는 인류의 기원을 특정하는 데 도움이 된다.^[110]

7. 1. 한국인의 건강 영향

8. 스트론튬 화합물

• 산화 스트론튬(SrO): 염기성 산화물이다.
• 수산화 스트론튬(Sr(OH)₂): 강염기이다.
• 티탄산 스트론튬(SrTiO₃): 강유전체이다.
• 크롬산 스트론튬(SrCrO₄): 황색 안료인 스트론튬 옐로우의 주성분이다.
• 스트론티아나이트(SrCO₃): 주성분은 탄산 스트론튬이다.
• 셀레스타이트(SrSO₄): 주성분은 황산 스트론튬이다.
• 질산 스트론튬(Sr(NO₃)₂)
• 염화 스트론튬(SrCl₂)
• 수소화 스트론튬(SrH₂)
• 인산수소 스트론튬(SrHPO₄): 형광체이다.
• 젖산 스트론튬(C₆H₁₀O₆Sr)

9. 핵 폐기물

⁹⁰Sr은 원자력 발전소의 원자로에서 생성되는 방사성 핵분열 생성물로, 핵 폐기물과 사용후핵연료의 고준위 방사능의 주요 구성 요소이다. 반감기는 29년으로, 북극 등대의 동력원으로 사용될 만큼 짧지만, 안전한 수준으로 붕괴되려면 수백 년이 걸릴 만큼 길다. 오염된 물과 음식을 통해 섭취하면 백혈병, 골암^[101], 일차성 부갑상선 기능항진증^[102]의 위험을 높일 수 있다.

우라늄의 핵분열 생성물 등, 인공적으로 만들어지는 대표적인 방사성 동위원소로는 요오드-131, 세슘-137, ⁹⁰Sr이 있다. 스트론튬-90은 반감기가 28.8년이며 베타 붕괴를 통해 이트륨-90으로 변한다. 뼈 속의 칼슘과 치환되어 체내에 축적, 장기간 방사선을 방출하므로 매우 위험하다.^[111]

9. 1. 방사성 스트론튬의 체외 배출

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_[119] 논문 Account of a mineral from Strontian and of a particular species of earth which it contains https://books.google[...] 1798
_[120] 논문 Elementary Scots: The Discovery of Strontium 1993
_[121] 웹사이트 Thomas Charles Hope, MD, FRSE, FRS (1766–1844) http://www.chem.ed.a[...] The University of Edinburgh 2020-03
_[122] 논문 Account of a mineral from Strontian and of a particular species of earth which it contains https://books.google[...] 1794
_[123] 논문 Electro-chemical researches on the decomposition of the earths; with observations on the metals obtained from the alkaline earths, and on the amalgam procured from ammonia https://books.google[...] 1808
_[124] 뉴스 Strontian gets set for anniversary http://www.lochaber-[...] Lochaber News 2020-03
_[125] 논문 The discovery of the elements: X. The alkaline earth metals and magnesium and cadmium 1932
_[126] 논문 The early history of strontium 1942
_[127] 논문 The early history of strontium. Part II 1951
_[128] 논문 Experiments on a new earth found near Stronthian in Scotland 1794
_[129] 서적 Metalle in der Elektrochemie https://books.google[...] 2005
_[130] 서적 Manufacture of Sugar from the Cane and Beet 2008
_[131] 웹사이트 Der Strontianitbergbau im Münsterland http://www.lwl.org/L[...] LWL 2010-11-09
_[132] 논문 Genesis and evolution of strontium deposits of the granada basin (Southeastern Spain): Evidence of diagenetic replacement of a stromatolite belt 1984
_[133] 웹사이트 Chain Fission Yields http://www-nds.iaea.[...] iaea.org 2020-03
_[134] 논문 Strontium Comes of Age 1968
_[135] 웹사이트 Mineral Commodity Summaries 2015: Strontium http://minerals.usgs[...] United States Geological Survey 2016-03-26
_[136] 서적 Production of SrCO₃ by black ash process: Determination of reductive roasting parameters https://books.google[...] 1996
_[137] 서적 Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry Wiley-VCH, Weinheim
_[138] 서적 Greenwood and Earnshaw
_[139] 뉴스 조달청, 비축 희소금속 상시 방출 시작 https://n.news.naver[...] 2021-04-15