Хром (Cr) — химические и физические свойства, формула, применение

Что представляет собой

Хром – это металл, элемент таблицы Менделеева №24.

Международное обозначение и формула – Chromium, Cr.

Серебристо-голубоватое блестящее вещество – одно из самых твердых (5,5 по Моосу) и тугоплавких металлов, но хрупко. Относится к чёрным металлам.

Структура, свойства роднят его с железом, марганцем, титаном, никелем. Эти элементы объединены в одно семейство.

Уникальная особенность элемента – ярко-радужная окраска соединений: голубизна, фиолет, зелень до изумрудности, желтизна, оранж, пурпур. Они обусловили название, благодаря им легко отличить хром от других металлов.

По-древнегречески χρῶμα (хрома) – краска, цвет.

Загрязнение окружающей среды тяжёлыми металлами

Элементами биосферы, подвергающимся загрязнению тяжёлыми металлами, являются почва и вода. Чаще всего виновниками этого выступают металлургические предприятия, перерабатывающие лёгкие и тяжёлые цветные металлы. Список загрязняющих агентов также пополняют предприятия по сжиганию мусора, автомобильные выхлопы, котельные, химико-производственные, типографические компании и даже электростанции.

Чаще всего токсинами являются: свинец (автомобильное производство), ртуть (пример распространения: разбитые в быту градусники и люминесцентные осветительные приборы), кадмий (образуется в результате сжигания мусора). Кроме этого, большинство заводов в производстве используют тот или иной элемент, который может быть охарактеризован как тяжёлый. Металл группы, список которой был приведен выше, в виде отходов поступает чаще всего в водоёмы и далее по трофической цепи доходит до человека.

Кроме техногенных факторов загрязнения природы тяжёлыми металлами, существуют также природные – это извержения вулканов, в лаве которых обнаружено повышенное содержание кадмия.

Физико-химические характеристики

Физические и химические свойства хрома типичны для металлов:

• Химически малоактивен. В обычных условиях не взаимодействует с водой, растворами щелочей. Реакция запускается при +600°С.
• Кислород создает на его поверхности защитную оксидную пленку.
• В соединениях проявляет три степени: +2, +3, +6. Самые устойчивые – трехвалентные.

Применение хрома затрудняют недостатки:

• Явное ухудшение характеристик примесями в составе.
• Необходимость дополнительной обработки сверхтвердого металла для получения пластичности.

Однако они компенсируются достоинствами металла: тугоплавкостью, твердостью (пятый среди металлов), стойкостью к коррозии.

Соединения хрома

Cr образует много разных соединений, в том числе оксидов, которые проявляют общее кислотно-основное поведение. Их список выглядит так:

• Оксид хрома (II). Его формула — CrO, и он является основным оксидом. Окись хрома используется в форме нерастворимого чёрного порошка.
• Оксид хрома (III). Cr2O3 является основным оксидом. Он амфотерный и, хотя и нерастворим в воде, способен растворяться в кислоте. Cr2O3 встречается в природе в виде редкого минерала эсколаита. Используется в качестве пигмента, производящего тёмно-зелёный цвет.
• Диоксид хрома или оксид хрома (IV) с формулой CrO2, в своём естественном состоянии выглядит как чёрные кристаллы. Он проявляет ферромагнитные свойства и когда-то широко использовался в качестве синтетического магнита в магнитных лентах данных, таких как аудиокассеты. Он считался одним из самых совершенных магнитных пигментов для записи лент благодаря своим тонким, длинным стеклянным стержням, похожим на кристаллы. Это аморфное твёрдое вещество может быть образовано в результате термического разложения дихроматных комплексов.
• Триоксид хромаТриоксид хрома или оксид хрома (VI), с формулой CrO3 представляет собой кислый оксид или кислотный ангидрид хромовой кислоты. Он будет реагировать с водой с образованием хромовой кислоты и реагировать с основанием с образованием соли хрома. В твёрдой форме это тёмный красно-оранжевый зернистый комплекс. Он используется в хромировании в качестве сильного окислителя, однако, является чрезвычайно токсичным.
• Гидроксид хрома II. Сг (ОН)2 жёлтого цвета, не растворяется в воде, обладает свойствами основания, является восстановителем, получается в результате действия щёлочи на хлорид хрома CrСl2, получаемого при взаимодействии Cr c НСl.
• Гидроксид хрома III. Cr (OH)3 — зелёный полимер. Он не растворим в воде, но способен растворяться в кислотах и в щелочах и вступает в реакции с кислотами с образованием солей Cr (III) и с щелочами, при этом образуются гидроксохромиты — растворы сине-фиолетового цвета.
• Сульфат хрома. Его формула Cr 2 (SO 4) 3. Он является умеренно растворимым в воде и кислоте источником Cr для применений, совместимых с сульфатами. Сульфатные соединения представляют собой соли или сложные эфиры серной кислоты, образующиеся при замене одного или обоих атомов водорода металлом.
• Сульфид хрома (III). Он представляет собой неорганическое соединение с формулой Cr2S3. Это коричнево-чёрное твёрдое вещество. Сульфиды хрома обычно представляют собой нестехиометрические соединения с формулами в диапазоне от CrS до Cr0,67S (что соответствует Cr2S3). Cr2S3 подвергается необратимому гидролизу.
• Хромат и Дихромат. Хромат, CrO42-, является солью хромовой кислоты. Эта соль ассоциируется с жёлтым цветом в обычных условиях, например, в виде хромата калия. Дихромат Cr2O72- представляет собой соль дихромовой кислоты. Эта соль ассоциируется с сильным оранжевым цветом в кислых условиях, например, дихромат калия. Однако соединения хромата или дихромата с тяжёлыми металлами обычно имеют красный цвет. Дихромат является сильным окислителем, но он плохо осаждается. Хромат, с другой стороны, используется в качестве осаждающего агента, но он является плохим окислителем. Химическое равновесие отображается, когда любой анион находится в водном растворе.

В кислотном растворе прямая реакция является предпочтительной. В основном растворе предпочтительной является обратная реакция.

Дихромат калия является мощным окислителем и является предпочтительным соединением для очистки лабораторной посуды от любых возможных органических веществ. Зелёный хром — это зелёный оксид хрома, Cr2O3, используемый для окраски эмали и окрашивания стекла. Хром жёлтый — это блестящий жёлтый пигмент PbCrO4, используемый художниками.

Хромовая кислота имеет гипотетическую структуру H2CrO4. Ни хромовая, ни дихромовая кислота не обнаружены в природе, но их анионы обнаружены в различных соединениях. Триоксид хрома, CrO3, ангидрид хромовой кислоты, продаётся в промышленности как «хромовая кислота».

Нахождение в природе

В природе отмечено два десятка хромовых минералов. Основные – хромит и крокоит.

Изверженные породы содержат разную концентрацию элемента (г/т):

• ультраосновные – 2000;
• базальты, другие основные – 200.

Каждая тонна земной коры содержит в среднем 83 г хрома.

Промышленный интерес представляет один класс – хромшпинелиды.

Металл содержат драгоценные камни – хромтурмалин, уваровит (хромовый гранат), другие.

Добыча и производство

Элемент производят из хромита (FeCr2O4). Примерно половина этой руды в мире добывается в Южной Африке. Кроме того, Казахстан, Индия и Турция являются его крупными производителями. Разведанных месторождений хромита достаточно, но географически они сконцентрированы в Казахстане и на юге Африки.

Залежи самородного металлического хрома встречаются редко, но они есть. Например, его добывают на шахте «Удачная» в России. Она является кимберлитовой трубкой, богатой алмазами, и восстановительная среда помогла образоваться чистому хрому и алмазам.

Для промышленного производства металла хромитовые руды обрабатывают расплавленной щелочью (едким натром, NaOH). При этом образуется хромат натрия (Na2CrO4), который восстанавливается углеродом до оксида Сг2O3. Металл получают при нагревании окисла в присутствии алюминия или кремния.

В 2000 году было добыто около 15 млн т хромитовой руды, которая была переработана в 4 млн т феррохрома, на 70% состоящего из сплава хрома с железом, приблизительная рыночная стоимость которых составила 2,5 млрд долларов США.

Технология получения

Традиционное сырье для получения хрома – хромшпинелиды.

Главные способы получения металла – обогащение руды методом электролиза либо восстановлением.

Для повышения степени чистоты конечного продукта сырье сплавляют в электропечи с содой, добавляя кислород.

Производство металлического хрома почти абсолютной чистоты ведется методом электролиза концентрированных хромовых растворов либо восстановлением оксида хрома алюминием в вакуумных печах (при 1500°C).

Удельная теплоемкость многокомпонентных специальных сплавов

Удельная (массовая) теплоемкость многокомпонентных специальных сплавов приведена в таблице при температуре от 0 до 1300ºС. Размерность теплоемкости кал/(г·град). Теплоемкость специальных сплавов: алюмель, белл-металл, сплав Вуда, инвар, липовица сплав, манганин, монель, сплав Розе, фосфористая бронза, хромель, сплав Na-K, сплав Pb — Bi, Pb — Bi — Sn, Zn — Sn — Ni — Fe — Mn.

Где используется

Металл используется по двум направлениям: как лигатура к другим металлам и как покрытие.

Металлургия

Отрасль, забирающая три четверти объемов металла. Хромом легируют стали для улучшения кондиций.

Получают продукт:

• нержавеющий;
• износостойкий;
• жаропрочный.

Такие достоинства сталей обусловили их применение как материала стволов артиллерии, корпусов субмарин, сейфов, металлорежущего, медицинского, химического инструментария. Из них выполнены двигатели космических кораблей, начинка плазмотронов.

Даже незначительное количество хрома в составе кратно улучшает механические свойства материала.

Самые известные хромсодержащие сплавы – с никелем (нихром) и железом (фехраль). Это прецизионные материалы с повышенным электрическим сопротивлением. Используются для работы при экстремальных температурах.

Другие отрасли промышленности

Продукция из металла и сплавов с ним выпускается для разных сегментов рынка:

• Кирпичи – корпус металлургических печей.
• Нагревательные элементы (сплав с никелем).
• Хирургический инструментарий (сплав с никелем, молибденом, кобальтом).
• Соединения хрома пригождаются при производстве спичек, обуви, одежды (знаменитая блестяще-прочная хромовая кожа), окраске текстиля, обработке мебельной древесины.
• Зеленую хромовую краску наносят на керамику перед покрытием глазурью и обжигом.

Краски из перетертых хромовых руд применяли еще иконописцы Древней Руси.

• Трехвалентный оксид металла – исходник при выращивании синтетических рубинов для лазеров.
• Зеленые огни салюта – заслуга хрома.

Хром закупают фармацевтические гиганты, производители биодобавок, препаратов для похудения.

Декор

Хромированное покрытие корпуса часов либо деталей авто – не только маркер статусности. Такая обработка защищает от износа, коррозии, механических повреждений.

Толщина покрытия металлом зависит от назначения изделия: от 2 мкм (декоративный ассортимент) до 0,1 мм (детали байков, велосипедов, авто).

Процесс покрытия хромом называется хромированием. Он технологически прост и недорог.

Коэффициенты теплопроводности сплавов

В таблице даны значения теплопроводности сплавов в интервале температуры от 20 до 200ºС. Сплавы: алюминиевая бронза, бронза, бронза фосфористая, инвар, константан, манганин, магниевые сплавы, медные сплавы, сплав Розе, сплав Вуда, никелевые сплавы, никелевое серебро, платиноиридий, сплав электрон, платинородий.

Значение для человека

Хром присутствует в организме человека изначально.

Здоровье

Он – участник ряда биологических процессов:

1. Липидный, углеродный обмен.
2. Выведение «плохого» холестерина
3. Баланс сахара в крови.
4. Укрепление костной ткани.
5. Активация действия инсулина.
6. Способность замещать йод.
7. Стимуляция регенерации тканей.

Достаточное содержание хрома в организме критично важно для людей с лишним весом, диабетом, заболеваниями щитовидной железы, сердца, сосудов.

Питание

Хромом богаты продукты всех основных групп:

• Мясо – курятина, говядина (и печень);
• Рыба – скумбрия, тунец, сельдь.
• Крупы – манная, перловая.
• Овощи – помидоры, редис, зеленый лук.

Металлом насыщены сыры, бобовые, кукурузное масло, фрукты, хлеб из муки крупного помола, пивные дрожжи.

Дозировка

Ежесуточная потребность в хроме (мкг):

• Дети – 12-34 (в зависимости от возраста).
• Женщины – 55-68.
• Мужчины – 59-79.

При беременности у женщин, активном образе жизни, физических нагрузках у мужчин потребность удваивается.

Изотопы

Изотопы хрома обладают атомным весом от 43 до 67. Обычно данный химический элемент состоит из трех стабильных форм: 52Cr, 53Cr и 54Cr. Из них наиболее распространен 52Cr (83,8% всего природного хрома). Кроме того, описаны 19 радиоизотопов, из которых наиболее стабильным является 50Cr с периодом полураспада, превышающим 1,8×1017 лет. У 51Cr период полураспада – 27,7 дней, а у всех остальных радиоактивных изотопов он не превышает 24 ч, причем у большинства из них он длится менее одной минуты. Элемент также имеет два метасостояния.

Изотопы хрома в земной коре, как правило, сопутствуют изотопам марганца, что находит применение в геологии. 53Cr образуется при радиоактивном распаде 53Mn. Соотношение изотопов Mn/Cr подкрепляет другие сведения о ранней истории Солнечной системы. Изменения в соотношениях 53Cr/52Cr и Mn/Cr из разных метеоритов доказывает то, что новых атомные ядра были созданы непосредственно перед формированием Солнечной системы.

Меры предосторожности

Металлический хром и соединения Cr (III), как правило, не считаются опасными для здоровья, но вещества, содержащие Cr (VI), могут быть токсичными, если их принимать внутрь или вдыхать. Большинство таких веществ оказывают раздражающее действие на глаза, кожу и слизистые оболочки. При постоянном воздействии соединения хрома (VI) могут вызвать повреждение глаз, если их не лечить должным образом. Кроме того, это признанный канцероген. Смертельная доза данного химического элемента – около половины чайной ложки. Согласно рекомендациям Всемирной организации здравоохранения, предельно допустимая концентрация Cr (VI) в питьевой воде составляет 0,05 мг на литр.

Так как соединения хрома используются в красителях и для дубления кожи, они часто встречаются в почве и грунтовых водах заброшенных промышленных объектов, требующих экологической очистки и восстановления. Грунтовка, содержащая Cr (VI), до сих пор широко применяется в аэрокосмической промышленности и автомобилестроении.

Бихромат калия

K2Cr2O7 является мощным окислителем и ему отдается предпочтение в качестве средства для очистки лабораторной посуды от органики. Для этого используется его насыщенный раствор в концентрированной серной кислоте. Иногда, однако, его заменяют бихроматом натрия, исходя из более высокой растворимости последнего. Кроме того, он может регулировать процесс окисления органических соединений, преобразуя первичный спирт в альдегид, а затем в углекислоту.

Бихромат калия способен вызвать хромовый дерматит. Хром, вероятно, является причиной сенсибилизации, ведущей к развитию дерматита, особенно рук и предплечий, который носит хронический характер и трудно излечим. Как и другие соединения Cr (VI), бихромат калия канцерогенен. С ним нужно обращаться в перчатках и соответствующими средствами защиты.