Strontium(Sr),38-스트론튬

 

많은 사람들은 원자번호 38번 원소인 스트론튬에 대해 ‘위험한 방사성 원소’라고 생각할 것이다. 그러나 천연 상태의 스트론튬은 방사성 원소가 아니며, 칼슘보다 반응성이 크기는 하나 크게 위험하지 않다. 스트론튬에 대한 일반인의 인상은 우라늄과 플루토늄의 핵 분열에서 생성되며, 대기권 핵 실험이나 원자력 발전소 사고 때 넓은 지역으로 퍼지는 방사성 동위원소 스트론튬-90(90Sr) 때문일 것이다. 90Sr은 반감기가 28.9년으로 에너지가 큰 베타(β)선을 방출하며, 체내로 들어오면 뼈에 축적되어 골수 암, 백혈병 등을 일으킨다. 스트론튬은 지각에 15번째로 많이 존재하고, 인체에도 뼈와 치아의 칼슘을 대체하여 상당량 들어있다. 스트론튬은 뼈 성장을 촉진하고 골밀도를 증가시키므로, 스트론튬 화합물들이 식품 보조제와 골다공증 치료제로 사용되기도 한다. 또한 스트론튬 화합물은 사탕무에서 설탕을 정제하는 데 사용되기도 하였다. 근래에는 컬러 TV나 컴퓨터 모니터의 앞 유리에 첨가되어 X-선 방출을 막는 데 사용되며, 자석의 구성 성분이기도 하고, 불꽃 놀이, 신호탄, 조명탄 등에서 진한 붉은색 불꽃을 내는 데도 사용된다. 스트론튬에 대해 보다 자세하게 알아보기로 하자.     원자번호 38번, 스트론튬 스트론튬(Strontium)은 원자번호 38번의 원소로, 원소기호는 Sr이다. 주기율표에서 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 라듐(Ra)과 함께 2족(2A족)인 알칼리 토금속 족에 속하는 원소이다. 무른 원소이며, 순수한 상태에서는 은백색을 띠나, 공기에 노출되면 산소와 결합하여 얇은 산화물 막을 형성하고 노란색을 띤다. 칼슘보다 반응성이 약간 크며, 가루 형태는 공기 중에서 불이 붙는다. 가열하면 수소(H2)나 질소(N2)와도 반응하고, 물이나 산과는 낮은 온도에서도 반응하여 수소 기체를 발생시킨다. 따라서 금속 스트론튬은 석유와 같은 광물성 기름에 보관해야 한다. 화합물에서의 산화 상태는 주로 +2이며, 불꽃 반응에서는 진한 붉은색을 낸다.

 

 

원자번호 38번, 스트론튬. <출처: (CC)AngMoKio at Wikipedia.org>

스트론튬의 원소 정보.

 

 

 

 

스트론튬은 반응성이 크기 때문에 천연 상태에서는 화합물로만 존재한다. 지각에서의 존재 비는 약 370ppm(0.037%)로, 15번째로 풍부한 원소인데, 존재 비는 황(S)이나 바륨(Ba)과 비슷하다. 바닷물 1 L에는 7.8mg이 녹아있으며, 모든 화성암에 평균 0.035% 정도 들어있다. 천청석(celestite, SrSO4)과 스트론티아나이트(strontianite, SrCO3)가 주된 스트론튬 광물인데, 주로 매장량이 월등히 많은 천청석에서 탄산 스트론튬(SrCO3) 형태로 생산된다. 금속 스트론튬은 염화 스트론튬(SrCl2)을 전기분해시키거나, 산화 스트론튬(SrO)을 진공에서 알루미늄으로 환원시켜 얻는다. 스트론튬은 칼슘(Ca)과 전자배치나 크기가 비슷하므로, 광물이나 생체(특히 뼈와 치아)에서 Ca을 쉽게 대체해 들어간다.   금속 스트론튬 자체는 쓰이는 용도가 많지 않으나, 몇몇 스트론튬 화합물들이 중요하게 사용된다. 가장 큰 용도는 컬러 TV나 컴퓨터 모니터의 음극관 유리를 만드는 것인데, 최근에는 LCD와 같은 평면 디스플레이의 등장으로 이에 대한 수요가 줄고 있다. 이외에 페라이트 세라믹 자석, 불꽃 놀이와 신호용 조명탄, 안료와 플라스틱 첨가제, 아연 생산 등에 사용된다.   천연상태의 스트론튬은 질량수가 84, 86, 87, 88인 4가지 안정한 동위원소가 있다. 스트론튬-90(90Sr)은 반감기가 28.9년인 방사성 동위원소로 핵 연료의 분열로 생성되어 방사능 낙진에 들어있는데, 이것이 뼈나 치아에 있는 Ca을 대체하여 축적되고, 여기서 나오는 방사능 때문에 암 발병 등 여러 가지 심각한 건강상의 문제를 일으킨다. 국제적으로 대기권 핵 실험을 중단시킨 주된 이유가 바로 이러한 90Sr 낙진 때문이다. 그러나 다른 한편으로 90Sr은 방사성 동위원소 열전기 발전과 방사성 치료에 이용되기도 한다.

 

 

 

스트론튬의 발견과 역사

 

1790년 영국의 의사이면서 화학자인 크로퍼드(Adair Crawford, 1748~1795)는 스코틀랜드의 스트론티안(Strontian) 마을 인근의 납 광산에서 채취한 한 광석이 다른 광석과는 다른 성질을 보이는 것을 알아내고는 여기에 새로운 원소가 있을 것으로 결론지었다. 다음 해에 호프(Thomas Charles Hope, 1766~1844)가 이 광석의 불꽃이 칼슘의 주홍색이나 바륨의 황록색과는 달리 붉은색을 낸다는 사실로부터 크로퍼드의 새로운 원소 발견을 확인하였다. 그는 1793년에 이 새로운 광물을 채취한 마을의 이름을 따서 스트론티아나이트(strontianite)로, 그리고 이를 구워 얻은 산화물(SrO)을 스트론타이츠(strontites)라 명명하고, 스트론타이츠의 여러 성질들을 조사하여 발표하였다.   원소 자체는 데이비(Humphry Davy, 1778~1829)가 1808년에 염화 스트론튬(SrCl2)과 산화 수은(II)(HgO)의 혼합물을 전기분해시켜 얻었다. 그는 다른 알칼리 토금속 원소들의 이름과 보조를 맞추기 위해 이 새로운 원소 이름을 스트론튬(strontium)으로 정하였다.   1849년에 수산화 스트론튬(Sr(OH)2)을 써서 사탕무에서 설탕을 결정으로 분리·정제하는 방법이 처음 특허화 되었다. 1870년대 초반에 이 방법이 개량되면서 독일에서 수산화 스트론튬이 대량으로 사용되었는데, 세계 제1차 대전 이전의 독일 제당 업계가 사용한 양이 연간 10만~15만 톤에 이르렀을 정도였다. 1970년 이후에는 스트론튬 화합물이 주로 컬러 TV 음극관(CRT)이나 컴퓨터 모니터에서 X-선 방출을 차단하는 유리 제조에 사용되었다.

스트론튬이 처음 발견된 스코틀랜드의 스트론티안 마을에서 산출된 스트론티아나이트 광석. 화학적으로 탄산 스트론튬이다. <출처: (CC)Rob Lavinsky at Wikipedia.org>

 

 

 

 

물리적 성질 스트론튬은 칼슘보다 무르며, 순수한 상태에서는 은백색을 띠나, 공기에 노출되면 표면에 얇은 산화물(SrO) 피막이 형성되어 노란색을 띤다. α-Sr, β-Sr, β’-Sr(Sr-II)의 3가지 동소체가 알려져 있으며, 전이 온도는 각각 235oC와 540oC이다. 결정은 면심입방구조(fcc)를 갖는다. 녹는점은 777oC이고, 끓는점은 1382oC이다. 20oC에서의 밀도는 2.64g/cm3이고, 녹는점에서의 액체 밀도는 2.375g/cm3이다.

 

 

아르곤 보호 기체로 채워진 앰플에 보관된 스트론튬 결정. <출처: (CC)Alchemist-hp at wikipedia.org>

 

 

 

동위원소 스트론튬은 천연상태에서 안정한 4가지 동위원소 84Sr(0.56%), 86Sr(9.86%), 87Sr(7.0%), 88Sr(82.58%)를 갖는다. 이중 87Sr 은 반감기가 488억년인 루비듐-87(87Rb)의 β- 붕괴로 생성되며, 원시 핵합성 과정에서도 생성된 것으로 여겨진다. 따라서 광물이나 암석에 포함된 87Rb과 Sr 동위원소들의 양을 측정하여 이들 광물과 암석의 형성 연대를 결정할 수 있는데, 이를 루비듐-스트론튬 연대측정법(Rubidium Strontium Dating)이라 부른다. 이에는 87Rb/86Sr과 87Sr/86Sr 비를 주로 사용한다. 고고학, 범죄 수사 등에서는 뼈, 조개 껍데기, 토기의 87Sr/86Sr 비를 주변의 비와 비교하면 이들의 이동 여부를 알아낼 수도 있다.   31가지의 방사성 스트론튬 동위원소들이 존재하는 것으로 알려져 있다. 이 중 반감기가 긴 것은 90Sr(반감기 28.9년), 85Sr(반감기 65.853일), 89Sr(반감기 50.57일)이다. 85Sr은 전자 포획으로 루비듐-85(85Rb)이 되며, 89Sr와 90Sr은 각각 β- 붕괴를 하여 이트륨-89(89Y)와 이트륨-90(90Y)이 된다. 90Y는 2.5일의 반감기를 갖는데, β- 붕괴를 하고 안정한 지르코늄-90(90Zr)이 된다.   89Sr → 89Y + e- (β 입자) 90Sr → 90Y + e- (β 입자)   89Sr는 인공적으로 합성되어 뼈 암의 치료에 사용되는데, 방사성 의약품 메타스트론(Metastron)의 활성 성분이다. 89Sr은 아래에서 언급되는 90Sr과 마찬가지로, 방사능에 의한 여러 건강상의 문제를 야기할 수 있으나, 반감기가 짧아 그 위험성은 크지 않다. 90Sr은 우라늄(U)이나 플루토늄(Pu)의 핵분열에서 생성되며, 원자력 발전소 사고나 대기권 핵실험 때 넓은 지역으로 퍼져 지상으로 떨어진다. 이는 식물에 의해 흡수되고, 이들 식물을 먹은 동물의 체내로 들어오며, 이들 오염된 채소와 육류 섭취를 통해 사람에게 들어온다. 이렇게 사람의 몸에 들어오면 뼈에서 Ca을 대체하여 90Sr이 축적되고, 이의 방사선에 의해 골수 암이나 백혈병 등에 걸릴 위험이 커진다. 90Sr은 이처럼 인체에 위험한 원소이지만 산업이나 의학적으로 이용되기도 한다.

 

 

 

화학적 성질

 

스트론튬의 바닥상태 전자배치. <출처: (CC)Pumbaa at Wikipedia.org>

스트론튬은 다른 알칼리 토금속 원소들과 마찬가지로 최외각 전자 껍질에 2개의 전자를 갖고 있어, 쉽게 이들을 잃고 Sr2+가 된다. 화학 반응성은 Ca보다 커서 공기에 노출되면 표면이 쉽게 산화되어 노란색을 띠며, 가루 형태는 공기 중에서 스스로 불이 붙는다. 질소(N2)와는 380oC 이하에서는 반응하지 않으나, 이보다 높은 온도에서는 질화 스트론튬(Sr3N2)이 된다. 가열하면 수소(H2)와도 반응하여 수소화 스트론튬(SrH2)을 만든다. 물과는 낮은 온도에서도 반응하여 수소 기체를 발생시키고 Sr(OH)2가 된다. 스트론튬은 이처럼 공기나 물과 잘 반응하므로 석유와 같은 액체 탄화수소에 담가 보관하여야 한다. 액체 암모니아(NH3)에 녹아 검푸른 용액이 되며, NH3를 증발시키면 구리 빛이 나는 Sr(NH3)6 고체가 얻어지는데 이는 점차적으로 아마이드(amide) 화합물로 분해한다.   Sr(NH3)6 (s) → Sr(NH2)2(s) + 4NH3(g) + H2(g)   수용액에서 Sr2+의 표준 환원전위는 -2.89V로, Ca2+ (Eo = -2.84V) 보다 약간 더 음의 값이고, Ba2+(Eo = -2.92V) 보다는 약간 덜 음의 값이다.   Sr2+ (aq) + 2e-  Sr(s)      Eo = -2.89 V

 

 

 

 

스트론튬의 생산 스트론튬이 들어있는 주된 광석은 천청석(celestite, SrSO4)과 스트론티아나이트(strontianite, SrCO3)이며, 이들은 주로 퇴적 광상에 들어있다. 스트론튬은 금속 자체의 용도가 많지 않아, 주로 화합물 형태로 얻는다. 두 광석 중 매장량이 월등히 많은 천청석이 주로 사용되는데, 천청석에 들어있는 황산 스트론튬(SrSO4)을 그 상태로 얻어내는 것이 아주 어려워 광석에 있는 SrSO4를 SrCO3로 전환시켜 분리·정제한다.   천청석 광석 가루를 염산(HCl)으로 처리하면 불순물이 녹아 나오고 고품위의 SrSO4 광석이 남게 되는데, 여기에 들어있는 SrSO4를 SrCO3로 전환시키는 방법에는 흑재법(black ash method)과 소다법(soda method)의 두 가지가 있다. 흑재법은 SrSO4 광석 가루를 석탄 가루와 혼합하고 1,100oC로 가열하여 SrSO4를 수용성인 황화 스트론튬(SrS)으로 전환시킨 후, 이를 물로 추출해서 얻은 용액에 이산화 탄소(CO2)나 탄산 소듐(Na2CO3)을 처리하여 SrCO3를 침전으로 얻는 방법이다.   SrSO4 + 2C → SrS + 2CO2 SrS + Na2CO3 (또는 CO2 + H2O) → SrCO3 + Na2S (또는 H2S)   소다법에서는 SrSO4광석을 Na2CO3와 혼합하여 증기로 1~3시간 처리하면 SrSO4가 보다 용해도가 낮은 SrCO3로 변환되면서 침전으로 얻어진다. 소다법이 공정은 간단하나 순도가 낮은 SrCO3가 얻어지는 반면에, 흑재법은 공정이 복잡하기는 하나 순도가 98% 이상인 SrCO3가 얻어지므로 이 방법이 주로 이용된다. SrCO3를 써서 여러 다른 스트론튬 화합물들을 얻을 수 있는데, 고온으로 구우면 SrO가, HCl로 처리하면 SrCl2가, 질산(HNO3)으로 처리하면 Sr(NO3)2가 얻어진다.   금속 스트론튬은 산화스트론튬(SrO)을 높은 온도의 진공에서 알루미늄(Al)으로 환원시킨 후 증류하여 얻는다. 또한 소규모로는 염화스트론튬(SrCl2), 또는 이와 염화포타슘(KCl)의 혼합물을 용융 전기분해시켜 얻기도 한다.   3SrO + 2Al → 3Sr + Al2O3   미국 지질조사국 자료에 따르면, 2008년도 전세계 스트론튬 생산량은 천청석(Sr 함량 43.88%) 환산으로 51.1만 톤이며, 중국과 스페인이 각각 20만 톤, 멕시코가 9.7만 톤, 아르헨티나와 터키가 각각 5000톤을 생산하였다. 전세계 광석 매장량은 10억 톤이 넘는 것으로 추정된다. 광석 평균 가격은 톤당 미화 64$(2008년)이며, 현재 한 업체가 매겨놓은 금속 스트론튬 가격은 98% 순도의 20g 주괴(ingot)가 52$이고, 밀폐된 유리 용기에 든 5g의 값이 17$이다.

 

 

 

 

스트론튬의 용도 금속 스트론튬 자체는 진공관에 극미량 남아있는 공기를 제거하는 게터(getter)로 소량 사용되는 등, 일부 용도가 있기는 하나, 대부분은 화합물로 사용된다.   Sr(OH)2는 세계 제1차 대전 이전의 독일에서 사탕무에서 설탕 결정을 얻는 데 많은 양이 사용되었으나, 지금은 이 용도로는 거의 사용되지 않는다. 1970년 이후의 스트론튬 화합물의 가장 큰 용도는 컬러 TV나 컴퓨터 모니터에 쓰이는 음극관(CRT) 유리 제조인데, 여기에는 산화 스트론튬(SrO)으로 열 분해되는 SrCO3가 주로 사용된다. 음극관에서 나오는 X-선을 차단하는 데 흔히 사용되는 납 유리는 X-선에 의해 검게 되므로 앞면 유리에는 사용할 수 없고, 여기에는 보통 약 8% SrO와 10% BaO이 들어있는 유리를 사용한다. 미국의 경우, 2001년에 사용된 스트론튬 화합물 총량의 약 75%가 이 목적으로 사용되었다. 그러나 현재는 많은 나라에서 음극관이 점차 액정 디스플레이(LCD)와 같은 평판 디스플레이로 대체되고 있어, 여기에 사용되는 스트론튬 화합물의 양도 현저히 줄 것으로 예상된다.

 

 

 

1970년대 이후 스트론튬의 주된 용도는 컬러 TV와 컴퓨터 모니터로 쓰이는 음극관의 유리이다. 새로운 디스플레이의 출현으로 이 용도에서의 사용은 점차 사라질 것이다. <출처: (CC)Blue tooth7 at Wikipedia.org>

페라이트 세라믹 자석 중 가장 많이 사용되는 것이 스트론튬 페라이트인데, 이는 변압기 코어로도 사용된다. <출처: (CC)Glogger at Wikipedia.org>

 

 

 

 

최근 미국에서의 스트론튬 화합물의 최종 용도는 약 30%가 불꽃 제조와 관련되며, 또 다른 30%는 페라이트 세라믹 자석 제조이다. 이외에 전기분해 방법에 의한 아연 생산, 안료와 충진제, 스트론튬 모합금(master alloy) 제조, 기타 용도에 각각 10%씩 사용된다.   스트론튬이 진하고 밝은 붉은색 불꽃을 내기 때문에, 질산 스트론튬(Sr(NO3)2), SrCO3, SrSO4 등 여러 스트론튬 화합물들이 불꽃 놀이는 물론 야간 조명탄과 신호탄으로 이용된다. 페라이트(ferrite)라는 세라믹 자석은 산화 철(III)(Fe2O3)이 주성분인 자석으로 영구자석, 변압기 코어(core), 확성기 코어, 문틀 자석 등에 널리 사용되는데, 가장 많이 사용되는 것이 화학적으로 SrFe12O19(SrO·6Fe2O3)인 스트론튬 페라이트이다.

 

 

 

크롬산 스트론튬(SrCrO4)은 알루미늄의 부식 방지를 위한 페인트로 사용되며, 알루미늄산 스트론튬(SrAl2O4)에 유로퓸(Eu)이 첨가된 것은 오랜 시간 동안 밝은 인광을 내는 물질로, 시계, 야간 표시판 등에 사용된다. 또한 여러 스트론튬 화합물이 분사식 페인트에 안료로 들어가는데, 이것이 일반인이 스트론튬에 노출되는 주요 요인이다. 모합금은 목표 합금보다 함량이 높은 합금으로, 합금을 만들 때 적은 양을 첨가하여 균일한 조성의 합금을 만드는데 사용된다. 스트론튬 모합금은 주로 Sr-Al과 Sr-Mg 합금이 사용되는데, Sr-Al 합금은 Al-Si 주조용 합금의 성질을 변화시키는 데 사용되며, Sr-Mg 합금은 내마모성 내열성 마그네슘 합금을 얻는 데 사용된다. 이들 합금은 자동차 엔진 등의 제조에 사용된다. 이들 Sr 모합금은 금속 Sr을 직접 사용해서 얻을 수도 있으나 보통 SrO를 사용하는데, 이는 합금 제조 과정에서 SrO이 Al 또는 Mg에 의해 환원되어 Sr로 전환되기 때문이다.   이들 외에도 여러 스트론튬 화합물들이 다양한 용도로 사용된다. 염화 스트론튬(SrCl2)은 일부 과민성 치아용 치약에 10%까지 들어가기도 하고, 아이오딘화 스트론튬(SrI2)은 의학적으로 아이오딘화 포타슘(KI)의 대체 물질로 사용되며, 라넬산 스트론튬(strontium ranelate)은 골다공증 치료제로 사용된다. 또한 인공 방사성 동위원소인 89Sr의 화합물은 뼈 전이 암 환자의 통증 완화제로 사용되며, 또 다른 방사성 동위원소인 90Sr은 여러 산업적 및 의학적 용도로 사용된다.

알루미늄산 스트론튬에 유로퓸이 첨가된 것은 오랜 시간 동안 밝은 인광을 내는 물질로, 시계, 야간 표시판 등에 사용된다.

 

 

 

 

스트론튬 화합물의 제조와 특성 앞의 ‘스트론튬의 용도‘에서 보았듯이 여러 스트론튬 화합물들이 다양한 용도로 유용하게 사용된다. 이들은 대부분 천연 광물에 들어있는 황산 스트론튬(SrSO4)을 전환시켜 얻은 탄산 스트론튬(SrCO3)에서 얻는데, 여기서는 SrSO4, SrCO3, SrO를 중점적으로 소개한다.   황산 스트론튬(SrSO4)은 이의 광물 이름인 셀레스타이트(Celestite) 또는 셀레스틴(Celestine)이라 부르기도 하는데, 25oC 물 100mL에 0.0135 g만이 녹을 정도로 용해도가 낮으며, 25oC에서 용해도곱 상수는 3.2x10-7이다. 염산(HCl)이나 질산(HNO3)에는 약간 녹는다. 녹는점은 1,606oC이다. 불꽃 제조 등에 직접 사용되기도 하나, 대부분은 탄산 스트론튬(SrCO3) 제조에 사용된다.   탄산 스트론튬(SrCO3)은 가장 흔히 사용되는 스트론튬 화합물로, 천연에서 광물로 존재하기도 하나 주로 SrSO4 광물인 천청석(celestite)에서 생산된다. 물에 대한 용해도는 SrSO4의 약 1/10 (18oC 물 100mL에 0.0011g)정도로 아주 낮고, 25oC에서 용해도곱 상수는 1.6x10-9이다. 묽은 산에는 잘 녹으며, 이에서 여러 다른 스트론튬 화합물이 만들어진다. 실험실적으로는 수용성 스트론튬 염 용액에 탄산염을 가하면 얻을 수 있다. 1,100oC 부근에서 SrO와 CO2로 분해된다. 음극관용 유리나 스트론튬 페라이트 자석 등 스트론튬이 들어간 여러 물질들을 제조할 때 원료 물질로 사용된다. 요업에서는 유약의 성분으로 사용되며, 붉은 불꽃 제조에도 흔히 사용된다.   산화 스트론튬(SrO)은 금속 스트론튬과 산소와의 반응에서 생성되기는 하나, 주로 SrCO3의 열분해로 얻는다. 물에 녹아 수산화 스트론튬(Sr(OH)2)이 되며, 알코올에 약간 녹으나 아세톤과 에테르에는 녹지 않는다. 음극관의 앞 유리에는 SrO가 약 8% 들어있는데, 음극관의 다른 유리에는 SrO대신에 보다 값싼 산화 납(PbO)이 첨가된다. 알루미늄(Al)으로 환원시켜 금속 스트론튬을 얻는 데도 사용된다.

 

 

 

스트론튬-90의 위험과 이용

 

원자력 발전소 사고나 대기 중 핵 실험에서 방사성 동위원소인 스트론튬-90이 많은 양 방출되고, 이는 뼈에 축적되어 우리의 건강을 위협한다.

‘위험한 방사성 원소’인 90Sr은 우라늄(U)과 플루토늄(Pu)의 핵 분열 생성물이다. 오늘날 핵 발전소에서 이용하는 열 중성자 핵 분열에서 90Sr의 생성 수율은 235U에서는 5.8%, 233U에서는 6.8%, 그리고 239Pu에서는 2.1%이다. 90Sr은 반감기가 28.9년으로 β- 붕괴를 하고 90Y이 되며 이 때 나오는 에너지는 0.546MeV이다. 생성물인 90Y도 방사성 원소인데 2.5일의 반감기로 β- 붕괴를 하고 안정한 지르코늄-90(90Zr)이 되며, 이 때 나오는 에너지는 2.38 MeV이다. 원자력 발전 과정에서 생기는 90Sr은 폐 핵연료와 핵 폐기물에 들어있는데, 이들은 잘 저장·처리하면 다른 지역으로 확산될 우려가 거의 없는 반면에, 1986년의 체르노빌사고나 2011년의 후쿠시마 사고처럼 원자력 발전소 사고가 나거나 대기 중 핵 실험을 하는 경우에는 90Sr가 대기로 유출되고 대기 이동에 따라 넓은 지역으로 퍼져 지상으로 떨어진다. 이는 식물에 의해 흡수되고, 이들 식물을 먹은 동물의 체내로 들어오며, 이들 오염된 채소와 육류 섭취를 통해 사람에게 들어온다.   스트론튬은 동물에서 뼈와 치아를 구성하는 칼슘의 일부를 대체한다. 체내에서 칼슘을 대체해 들어온 90Sr과 이의 핵 붕괴 산물인 90Y에서 나오는 β 선은 높은 에너지로 생명 세포를 죽이거나 손상을 입히고, 암 세포로 변환시켜 골수 암과 백혈병에 걸릴 위험을 크게 하며, 여러 뼈 질환의 원인이 된다. 이러한 위험성 때문에 세계 각국이 대기권 핵 실험 대신에 지하 핵실험을 실시하게 되었고, 1980년대에는 미국과 소련을 비롯한 여러 나라가 핵 실험을 전면적으로 중단하는 데 합의하게 되었다.

 

 

 

한편, 90Sr는 산업적으로나 의학적으로 이용되기도 한다. 1g의 90Sr는 약 0.93와트(W)의 열을 방출하는데, 이를 이용하여 연료의 추가 공급없이 장기간 작동하는 방사성 동위원소 열전기 발전기(Radioisotope Thermoelectric Generator: RTG)를 제작할 수 있다. 이를 이용한 원자력 보조 동력 장치는 우주선, 원거리 기상 관측소, 등대 및 부표 등의 동력원으로 유용하게 사용된다. 미국 항공우주국(NASA)은 이를 우주 탐사용 로봇에 사용하며, (구)소련은 북부 해안에 등대와 기상 관측소 전원으로 1000대나 설치하였다. 90Sr는 또한 암 치료에도 사용되는데, 이의 긴 반감기와 β 선의 투과 길이(뼈에서는 3.5mm, 조직에서는 6.5mm)는 표면 방사선 요법제로 이상적인 특성들이다. 90Sr 화합물은 뼈 암을 앓는 환자에게 주사하여 통증을 완화시키는 데도 사용되며, 여러 안 질환을 치료하는 데도 사용된다. 또한 시료의 두께, 비단이나 담배 생산품의 밀도를 측정하는 데도 사용되는데, 이는 90Sr에서 나오는 방사선의 투과 정도를 측정하는 것으로 이루어진다.

 

 

 

생물학적 작용과 의학적 이용

 

스트론튬은 주기율표에서 같은 족의 바로 위에 있는 칼슘과 전자배치와 크기가 비슷하다. 이에 따라 생물들이 스트론튬을 칼슘과 잘 구분하지 못하고, 스트론튬을 흡수한다. 동물에서는 뼈와 치아를 구성하는 칼슘의 일부를 대체하는데, 인체에는 약 320mg(체중 70kg기준)의 스트론튬이 들어있으며, 뼈에는 36~140ppm 농도로 들어있다.   대부분의 스트론튬 화합물은 생물에 해가 없으나, SrCl2와 SrI2는 약간의 독성을 나타내는 것으로 여겨진다. 1950년대부터 인체 건강에 대한 스트론튬의 유익성이 많이 연구되고, 여러 스트론튬 화합물이 식품보조제로 사용되었다. 라넬산 스트론튬은 골 형성을 촉진하고, 골 밀도를 높이며, 골절을 줄이는 효과가 있어 골 다공증 치료제로 사용되는데, 상품명은 프로텔로스(Protelos) 또는 프로토스(Protos)이다. 방사성 의약품 메타스트론(Metastron)은 89Sr의 염화물 (89SrCl2)로 암의 뼈 전이로 인한 통증 억제 및 전이암의 치료에 쓰인다.

골 다공증 치료제로 사용되는 라넬산 스트론튬의 분자 구조.

 

 

 

1. 수치로 보는 스트론튬
   스트론튬의 표준원자량은 87.62g/mol이고, 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶5s² ([kr]5s²)이며, 화합물에서 주된 산화 수는 +2이다. 지각에서의 존재 비는 약 370 ppm(0.037%)로, 15번째로 풍부한 원소이다. 바닷물 1 L에는 7.8mg이 녹아있다. 모든 화성암에 평균 0.035%로 들어있다. 연간 전세계 생산량은 천청석(SrSO₄: Sr 함량 43.88%) 환산으로 51.1만 톤으로 추정되며, 주로 SrCO₃로 생산된다. 1기압에서 녹는점은 777^oC이고 끓는점은 1382^oC이며, 20^oC에서의 밀도는 2.64g/cm³이고 녹는점에서의 액체 밀도는 2.375g/cm³이다. 녹음열은 7.43kJ/mol이고 증발열은 136.9kJ/mol이다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 549.5, 1064.2, 4137kJ/mol 이며, 폴링의 전기 음성도는 0.95이다. 원자 반경은 215pm (비교: Ca, 197pm; Ba, 222pm)이며, 6 배위체의 이온 반경은 118pm (비교: Ca²⁺, 100 pm; Ba²⁺, 135 pm)이다. 천연상태에서는 안정한 4가지 동위원소 ⁸⁴Sr(0.56%), ⁸⁶Sr(9.86%), ⁸⁷Sr(7.0%), ⁸⁸Sr(82.58%)로 존재한다. 원자핵 분열로 생성되는 ⁹⁰Sr은 반감기가 28.9년으로 β 붕괴를 하고 ⁹⁰Y이 된다.

2. 용해도곱 상수
   어떤 고체가 용액에서 이들이 해리되어 생성되는 이온들과 평형을 이룰 때의 평형 상수로 보통 K_sp로 표시한다.  예로, SrSO₄(s)  Sr²⁺ + SO₄^2- 평형에서는 K_sp = [Sr²⁺][SO₄^2-]이다. 농도는 몰 농도(몰/L)를 사용하나, 엄밀하게는 농도대신 활동도를 사용하여야 한다.

 

 

 

글 박준우 / 이화여대 명예교수(화학)

서울대학교 화학과를 졸업하고 템플대학교에서 박사학위를 받았다. 오랫동안 이화여대에서 화학을 연구하고 가르쳤다. 저서로 [인간과 사회와 함께한 과학기술 발전의 발자취]와 [아나스타스가 들려주는 녹색화학 이야기] 등이 있고, 역서로 [젊은 과학도에 드리는 조언] 등이 있다.

발행일  2012.05.16

 

Strontium Atomic Weight   87.62 Density   2.63 g/cm3 Melting Point   777 °C Boiling Point   1382 °C Full technical data Strontium is often thought of as radioactive, because Sr-90 is a component of nuclear fallout. In fact normal strontium is not radioactive and is used in household products such as safe glow-in-the-dark paint. Scroll down to see examples of Strontium.