#夜幕上最耀眼的紅和默默無聞的鹼土

2021-02-07 猛猛嗅薔薇


各位2021年好啊~不知不覺，2020這最糟糕的一年已經離我們而去，2021也以嶄新的姿態陪伴著我們走過了一周。回望2020，似乎一整年都沒有正常生活過了，時刻籠罩在COVID-19的陰影之下，世界各地的焰火表演紛紛取消，花火大會也閉門謝客。然而在跨年夜，上海迪士尼的煙花表演依舊照常，七彩斑斕的焰火劃破夜空，有如白晝。

圖源見水印。

初中時我們提到過，焰火的實質是不同元素的焰色反應，也是焰色反應的最普遍的應用。突擊：請寫出以下四種元素的焰色。1.鈉；2.鉀；3.鈣；4.銅。

2019大阪澱川花火大會。

當你填出了這四個空，你一定會感到疑惑：這圖片裡的焰火顏色好像跟上面哪個都不一樣啊？那便對了。這種呈洋紅色的火焰是另一種元素的焰色：38號元素鍶 Sr；用於焰火中的主要是它的硝酸鹽Sr(NO3)2。沒有聽聞過？沒關係，畢竟鹼土金屬中其它元素的名聲太大了：有初中就信手拈來的鎂、鈣、鋇，有大名鼎鼎的鐳，還有劇毒的鈹，鍶就顯得默默無聞了。

左數第二個為鍶的焰色。圖源：騰訊網（讓許幻山放不下的藍色煙花，究竟有多難生產？）。

鍶的故事，讓我們從自然界最主要的含鍶礦物，天青石SrSO4開始講起——

天青石礦物。圖源：中國地質大學博物館。


要說天青石可能有些陌生，但是青金石這種大名鼎鼎的寶石與顏料你一定多少有些耳聞。這種這種古老的巖石是多種礦物的聚晶，構成青金石的三種主要礦物是天青石、黃鐵礦和方解石，青金石天藍至藍紫色的主要色澤就是由天青石為其上色的。


青金石。圖源：GIA.edu。

話說不知是否有人對於我的微信名有過疑惑——天(てん)青(せい)石(せき)，這其實是天青石的日語假名寫法，我也是為天青石的美貌所俘虜的人類之一啊~

天青石首飾。圖源：Bing。

這種有玻璃光澤、呈半透明淺藍灰色的礦物，主要出產於英格蘭北部與蘇格蘭的廣大地區，在我國江蘇溧水、西南多地和西班牙、墨西哥也有分布，常常伴生有同族的硫酸鋇和硫酸鈣，成為鋇天青石和鈣天青石；而硫、鐵等非鹼土元素的存在會使得天青石發黑（硫真是走到哪禍害到哪……但是這句話非常沒有科學素養各位不要學我！！！）。


很可惜，如此美麗的天青石並不是人類發現鍶元素的載體，而是另外一種被稱為菱鍶礦的礦產。還記得初中時提到的碳酸亞鐵礦物，菱鐵礦嗎？菱鍶礦指的是碳酸鍶礦物，雖然兩者只是俗稱相似，晶體結構實際上並不相同，只是外觀都有菱形的特點罷了。這種礦物最早也開採於蘇格蘭，在18世紀80年代中後葉由蘇格蘭開採出樣品並送往歐洲各地。

菱鍶礦。圖源：Bing。

開始，人們誤以為它是螢石 CaF2。但是肉眼可見地，他們長得不太一樣。1790年英國醫生克勞福德Clowford（不是Brooklyn Net的Clowford）將這種菱鍶礦樣品溶於鹽酸，產生大量氣泡並製得一種氯化物，這即排除了它是螢石的可能。

突擊：請寫出上述反應的化學方程式。


螢石。圖源：Bing。

而他發現這種氯化物的溶解度大於氯化鋇，結晶後的晶體形態也與氯化鋇有著較大差異，這又排除了對於這種礦物是毒重石 BaCO3的猜想，所以他提出這種礦石含有一種新的元素，但是克勞福德自始至終都沒有新的進展了。

圖源：金屬百科。

1793年9月，德國化學家馬丁•海因裡希•克拉普羅特 Martin Heinrich Klaproth 進行同樣的研究，成功製取出了鍶土 SrO。同年11月，愛丁堡大學的化學教授託馬斯•查爾斯•霍普Thomas Charles Hope對其做了更全面的研究，並且發現這個新元素可以使蠟燭的火焰由黃變紅，這進一步證明了這是一個新的元素。然而他還是沒有得到這種活潑鹼土金屬的單質。

圖源：金屬百科。

於是一個近乎傳奇的人物——漢弗萊·戴維又雙叒叕上場了。還記得戴維製備鈣與鎂單質的實驗方法嗎？這與鍶單質的分離方法如出一轍，利用氧化汞還原氯化鍶得到了金屬鍶。又是這個電解裝置。圖源：北京市科協主辦（元素發現史：天天喊補鈣，你知道「鈣」讓他費盡了多少心血？）
我曾提到，戴維是一個十足的起名狂魔。由於鍶礦最早開採於蘇格蘭海岸邊的Strontian小鎮，於是戴維將它命名為Strontium，這與鎂的命名法相同。

Strontian的地理位置。

我們的目光就可以又鍶化合物轉移到鍶元素本身了——鍶是一種微量元素，在地殼中的含量約為萬分之四，在海洋中含量約為萬分之0.81，元素豐度第15位。根據2015年美國地質調查局 USGS公布的數據， 全球鍶資源量超10億噸，鍶儲量約為680萬噸。儘管有如此大的儲量，在鹼土金屬中除去最不像鹼土金屬的鹼土金屬鈹、和放射性元素鐳，鍶的儲量位於最末端（鹼土的儲量真的大到驚人，別的族如IVA的矽、VA的氧、IA的鈉都是一枝獨秀，只有它遍地開花）。

中國的鍶礦儲量巨大，是世界第二大鍶開採國，僅次於西班牙，多於墨西哥近兩倍，但是品質相較墨西哥、西班牙有劣勢，因而進口量也不小。

圖源：金屬百科。

在自然界中，鍶有四種穩定存在的同位素：鍶84、鍶86、鍶87、鍶88。含有放射性的鍶90是鈾核裂變的產物，半衰期28.1年。

圖源：Bing。

在醫學上，鍶87m由於其有放射性且半衰期極短，僅3小時，這使得人體受到的輻射極其微弱，可以被用於確認骨折的位置。此外鍶89也被用於癌症化療，利用其發射β射線殺死癌細胞來鎮痛以改善病人的生活質量，並同時緩解病情以延長病人的生命，有效率高達80%。

圖源：金屬百科。

不知道各位有沒有注意過礦泉水含量表中的鍶，這說明鍶是一種人體必需的微量元素，它可以延緩骨質疏鬆，防止心血管疾病的發生。在山川河水中鍶的含量非常高，平均河水含鍶68.5μg/L，每年隨著水流流入海水中的鍶至少有22噸之多。

某品牌的含鍶礦泉水。圖源：shibaling.com。

此外，鉻酸鍶俗稱鍶黃，是一種呈淡黃色的顏料，被用在了畫作上和現代的防鏽顏料。

莫奈《睡蓮》，鍶黃SrCrO4被用在左上部，與鋇黃BaCrO4合用。圖源：Bing。

防鏽顏料。圖源：金屬百科。


這便是活躍在焰火、顏料、制瓷業等輕工業一線的鍶。適當地在工業革命以來一次次的技術飛躍中慢下腳步，敬畏自然，規避諸如車諾比、福島的慘劇，形成可持續發展的局面，這可能是都含有38個質子的、夜空中綻放的那抹紅色與核洩漏的隱形殺手想要共同告誡我們的道理。

最後給各位留下一道思考題：已知鎂、鈣、鍶、鋇、鐳五種元素同屬第二主族，查詢硫酸鎂、硫酸鈣兩種物質的溶解度，推斷硫酸鍶的溶解度；根據初中時我們背的溶解度順口溜：「硫酸鹽中鋇不溶」，思考現在你能否擴充這一規律。資料來源：金屬百科；Gemological Institute of America；色彩重鑄：鉻酸根的顏色烙印。


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