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Strontium

Strontium ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Sr und der Ordnungszahl 38. Im Periodensystem steht es in der 5. Periode sowie der 2. Hauptgruppe, bzw. der 2. IUPAC-Gruppe und gehört damit zu den Erdalkalimetallen. Es ist ein weiches (Mohshärte: 1,5) und sehr reaktionsfreudiges Metall.

Das Element wurde 1790 von Adair Crawford entdeckt und nach seinem ersten Fundort Strontian in Schottland benannt. Elementar, allerdings noch durch Fremdbeimengungen verunreinigt, konnte es 1808 mittels Elektrolyse durch Humphry Davy dargestellt werden. Robert Bunsen gelang 1855 auch die Darstellung reinen Strontiums. Das Element wird nur in geringen Mengen, vor allem für Kathodenstrahlröhren, Pyrotechnik (rote Flammenfarbe), Dauermagnete und in der Aluminiumverhüttung verwendet.

Strontium kommt in geringen Mengen im menschlichen Körper vor, hat jedoch keine bekannte biologische Bedeutung und ist nicht essentiell. Da Strontium chemisch dem Calcium sehr ähnlich ist, wird es in Knochen „eingebaut“ und hat daher eine hohe biologische Halbwertszeit – dies ist sowohl Basis der gezielten Nutzung radioaktiver Isotope von Strontium in der Krebstherapie als auch Basis der Schädlichkeit radioaktiver Strontiumisotope für gesunde Menschen. Strontiumranelat ist ein Arzneistoff zur Behandlung der Osteoporose.

Strontiumisotope / Isotopenanalyse

Es sind insgesamt 34 Isotope und weitere neun Kernisomere bekannt. Von diesen kommen vier, ⁸⁴Sr, ⁸⁶Sr, ⁸⁷Sr und ⁸⁸Sr, natürlich vor. In der natürlichen Isotopenzusammensetzung überwiegt dabei das Isotop ⁸⁸Sr mit einem Anteil von 82,58 %. ⁸⁶Sr mit 9,86 % und ⁸⁷Sr mit 7,0 %, sowie ⁸⁴Sr mit einem Anteil von 0,56 % sind seltener.

Die Strontiumisotopenanalyse dient unter anderem zur Analyse von (prä)historischem Migrationsverhalten von Menschen und Tieren. Strontium wird abhängig vom geographischen Ort in unterschiedlichen Isotopenverhältnissen mit der Nahrung aufgenommen und in Knochen und Zähnen eingelagert. Die Archäologie bedient sich seit einigen Jahren zunehmend dieser neuen Methode. Die ersten Projekte gingen von den USA und Großbritannien aus und betrafen zunächst Nord- und Mittelamerika. Aktuelle Anwendungen beschäftigen sich zum Beispiel mit dem Migrationsverhalten im Jungpaläolithikum, dem Neolithikum oder der Eisenzeit in Mitteleuropa.

Neuere Anwendung nutzen den Effekt der geographisch-variierenden Sr-Isotopenzusammensetzung auch zur Lebensmittelherkunfts- bzw. -echtheitsbestimmung. Da beispielsweise bestimmte Regionen durch eine charakteristische Sr-Isotopensignatur geprägt sind, wird diese Signatur unter anderem auch in verschiedenen landwirtschaftlichen Produkten reflektiert. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass es durch den Eintrag von Dünger und Niederschlag zu einer vom geologischen Untergrund abweichenden Sr-Isotopensignatur kommen kann. Man spricht hierbei auch von der „mobilen Sr-Fraktion“. Weitere Anwendungen der Sr-Isotopenanalyse finden sich beispielsweise auch in der Forensischen Medizin.

Der radioaktive Rubidium-Strontium-Zerfall eignet sich für die Datierung von Gestein aus dem Präkambrium.

Bedeutung in der Geothermie

Durch den Zerfall von ⁸⁷Rb zu ⁸⁷Sr steigt der Anteil dieses Isotops im Meerwasser im Verhältnis zu ⁸⁶Sr mit der Zeit stetig an (Durch die hohe Verweilzeit des Elements im Verhältnis zur Durchmischung ist der Gehalt des Seewassers zu jedem Zeitpunkt global fast homogen). Dadurch kann das Verhältnis dieser Isotope zur Datierung mariner Sedimente verwendet werden. Verwendet werden vor allem biogene Minerale wie Calcit und Apatit sowie Kalk- und Dolomit-Gesteine, in die Strontium als geringe Beimengung im Austausch für Calcium regelmäßig eingelagert wird. Bei der Datierung ist zu beachten, dass das Verhältnis der Isotope nur über relativ kurze Zeitperioden linear ist. Über geologische Epochen betrachtet, schwanken die Werte stark zyklisch mit einer Periode von etwas mehr als 60 Millionen Jahren^[9]; deshalb muss bei Verwendung zur Datierung eine Eichkurve zugrunde gelegt werden.

Neben der absoluten Datierung kann das Verhältnis der Strontium-Isotope für weitere interessante Anwendungen herangezogen werden. Durch fraktionelle Kristallisierung ist die Kontinentale Erdkruste gegenüber dem Erdmantel an Strontium und Rubidium angereichert. Dadurch ist in Verwitterungsprodukten der Kontinente, und im kontinentalen Abfluss der Anteil von ⁸⁷Sr höher als in den (aus dem Mantel gespeisten) mittelozeanischen Rücken. Das Verhältnis von ⁸⁷Sr zu ⁸⁶Sr kann daher als indirekter Indikator für den Eintrag kontinentaler Verwitterungsprodukte in die Weltmeere verwendet werden, oder zur Unterscheidung mariner und fluviatiler Sedimente dienen^[8]. Die Verwitterungsrate und damit das Isotopenverhältnis wird zum Beispiel durch Eiszeitalter verändert; dies kann zur indirekten Datierung von globalen Eiszeiten, etwa im Präkambrium, dienen. Zahlreiche weitere Anwendungen werden erprobt. So können plötzliche Knicke in der Kurve der Isotopenverhältnisse in Paketen mariner Sedimente zur Analyse der Ablagerungsgeschwindigkeit dienen. Unterschiedliche Verhältnisse innerhalb eines Gesteins, zum Beispiel der Kristalle und Matrix eines Sedimentgesteins, klären auf ob beide gleiches Alter besitzen.

Strintiumisotope können in der Hydrologie auch als Tracer eingesetzt werden.

Literatur

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Probst, A., A. El Gh’mari, D. Aubert, B. Fritz, R. McNutt: Strontium as a tracer of weathering processes in a silicate catchment polluted by acid atmospheric inputs, Strengbach, France: In: Chem. Geol. Nummer 170 (2000), S. 203-219, https://doi.org/10.1016/S0009-2541(99)00248-X.

Semhi, K., O. Abdalla, R. Al Abri, T. Al Hosni, I.D. Clark: Strontium isotopes as a tool for estimation of groundwater recharge and aquifer connectivity: In: Groundw. Sustain. Dev. Nummer 4 (2017), S. 1-11, https://doi.org/10.1016/j.gsd.2016.11.001.