Хром

Хром – это элемент побочной подгруппы 6-й группы 4-го периода периодической таблицы Менделеева, 24 – атомный номер, обозначение – Cr.

  • Внешний вид вещества – твердый металл голубоватого-белого цвета.
  • Температура плавления – 2130 К.
  • Температура кипения – 2945 К.
  • Структура решетки – кубическая объемно-центрированная.

Хром – это слегка голубоватый серебристо-белый металл. Название происходит от греческого слова chroma и означает цвет (из-за разнообразной окраски соединений хрома). Благодаря своей высокой коррозионной стойкости, является популярным материалом для защиты материалов от воздействия внешней среды.

Хром с железом, марганцем, никелем, титаном, ванадием составляют одно геохимическое семейство. Хром является важным компонентом сплава для нержавеющих жаропрочных сталей. Соединения хрома (VI) крайне токсичны.

Хром устойчив к атмосферной среде, потому что, как и алюминий, он покрыт оксидным слоем, который защищает его от дальнейших реакций. Реагирует с кислотами с образованием соответствующих солей и водорода. При нагревании реагирует с неметаллами, например, с хлором, серой, углеродом и кремнием.

Ионы хрома (часто в сочетании с кислородом) имеют типичные цвета:

  • хромат-ион: желтый; 
  • дихромат-ион: оранжевый; 
  • полихромат-ион: темно-красный; 
  • пероксохромат-ион: синий. 

История открытия

Эта история началась в 1766 году, когда в окрестностях Екатеринбурга обнаружили новый минерал. Из-за своих особенностей окраски он получил название “сибирский красный свинец”, PbCrO4, по-современному «крокоит». А в 1797 году химик из Франции Л. Н. Воклен смог выделить из него тугоплавкий металл. Скорее всего, это был карбид хрома.

Месторождения

Первое место в мире занимает ЮАР. Здесь находятся самые большие месторождения хрома. По разведанным запасам хрома второе место в мире занимает Казахстан –  более 350 миллионов тонн. Главные месторождения России находятся на Урале – Донские и Сарановские. Также месторождения существуют  в Турции, Армении, Бразилии, Индии, на Филиппинах.

Физические свойства

Хром является одним из тугоплавких металлов. Температура плавления – 1900 С выше, чем у платины (1772 С). Плотность близка к плотности железа и ниобия. Модуль упругости хрома является самым низким по сравнению с молибденом и вольфрамом.

Теплофизические свойства

Для тугоплавких металлов линейный коэффициент теплового расширения обычно низкий, а теплопроводность высокая. Тем не менее, хром не показывает типичное поведение молибдена или вольфрама. 

Коэффициент его теплового расширения относительно высок. При температуре 38 С и выше происходит переход от антиферромагнетизма к парамагнетизму и коэффициент теплового расширения очень резко возрастает. Эта температура перехода (температура Неля) является фазовым переходом первого порядка и показывает значительный скачок объема, который сильно влияет на линейный коэффициент теплового расширения.

Механические свойства

Хром как объемно-центрированный кубический металл, такой как молибден и вольфрам, показывает температуру перехода от хрупкого к пластичному от -50 C до 350 C. Наибольшее влияние на температуру хрупко-пластичного перехода оказывает чистота элемента, в частности содержание азота и кислорода. Однако другие легирующие элементы, микроструктура и степень деформации также оказывают существенное влияние на температуру перехода.

Полностью рекристаллизованный хром абсолютно не проявляет пластичности при комнатной температуре, но если хром деформируется или отжигается, материал становится пластичным. 

Прочность хрома увеличивается с увеличением деформации и может быть дополнительно увеличена с помощью различных легирующих элементов. 

Хром имеет относительно низкую температуру плавления 1900 С по сравнению с другими тугоплавкими металлами – молибденом и вольфрамом. Модуль упругости также является относительно низким. По сравнению с танталом и ниобием – оба имеют более высокую температуру плавления – хром обладает гораздо более высоким модулем упругости.

Химические свойства

Хром известен большинству людей как легирующий элемент из нержавеющей стали и как защитный слой в различных изделиях. Хром образует тонкий прозрачный пассивный слой (Cr2O3) при контакте с любыми агрессивными средами, такими как кислород. Этот защитный слой абсолютно стабилен в нормальной атмосфере и в водной среде. Поэтому использование хрома в качестве декоративного и антикоррозийного слоя очень распространено. 

Cr2O3 также надежно защищает хром от агрессивных кислот, таких как серная или азотная кислоты. В двигателях внутреннего сгорания, таких как газовые турбины или дизельные двигатели, хром устойчив к горячим газам при температуре до 1000 С. 

Получение

Элемент хром относительно распространен на земле. Наиболее важной рудой является хром железо (хромит) – FeCr2O4. Большие количества хромита добываются в Южной Африке, России, Индии, Бразилии, Финляндии и Турции. Элементарный хром может содержаться в железных метеоритах. 

Наиболее важным минералом для промышленного производства хрома является хромит (FeCr2O4). Более половины добываемого в мире хромита поступает из Южной Африки. Двумя наиболее важными продуктами переработки хромита являются феррохром и металлический хром. Крупнейшим потребителем феррохрома является сталелитейная промышленность, которая использует хром для производства нержавеющих сталей.

Металл извлекается промышленным способом из хромитовой руды. Минерал смешивают с содой и известью. Затем он окисляется во вращающейся печи с подачей воздуха. Это приводит к образованию хромата натрия (Na2CrO4), который превращается в дихромат натрия (Na2Cr2O7) с концентрированной серной кислотой. После кристаллизации он реагирует с углеродом (коксом) и серой. Образующийся оксид восстанавливается до хрома с помощью алюминия. 

Из него можно получить феррохром, применяющийся для изготовления легированных сталей. Для получения чистого хрома проводят следующие реакции:

  1. На воздухе производят сплавление карбоната натрия с хромитом железа,
  2. Полученный хромат натрия отделяют от оксида железа;
  3. Затем из выкристализованного дихромата натрия получают чистый оксид хрома путем восстановления его углем.

Металлический хром получают с помощью алюминотермиии. Но все большее значение сейчас приобретает процесс силикотермии (процесс Перена).

Применение хрома

Металлический хром производится во всем мире в количестве около 20 000 тонн в год. Нержавеющая сталь содержит около 12-15% хрома. 

Элементарный хром используется для производства железных сплавов, например, нержавеющая сталь – хром с железом. В зависимости от состава стали называют хромистой сталью, хромоникелевой сталью, молибденовой сталью или вольфрамовой сталью. Хром также необходим для производства металлокерамических материалов.

Хром также используются в качестве катализаторов при пропитке древесины, при производстве аудио- и видеокассет, а также в лазерах. Хром также является исходным материалом для различных огнеупорных материалов и химикатов. Соединения хрома используются в качестве цветных пигментов и для дубления кожи.

  • оксид хрома (III) (Cr2O3 – катализатор для органических синтезов);
  • пигменты хрома (цвета хрома: например, желтый хром, оранжевый хром, красный хром, зеленый хром и т.д.); 
  • соли хрома (используются для дубления кожи, однако из-за их сильной токсичности предпринимаются попытки найти другие дубильные вещества; 
  • для производства хромовых покрытий. 

Воздействие хрома на здоровье

В организме человека содержится хром в концентрации около 0,03 промилле. Однако суточная доза сильно зависит от диеты и обычно составляет около 15-200 мкг. Поглощение хрома составляет около 0,5-1% от общего объема. Орган, в котором был обнаружен самый высокий уровень хрома – плацента.

Трехвалентный хром – незаменимый микроэлемент для человека. Вместе с инсулином он обеспечивает вывод глюкозы из кровотока и способствует метаболизму липидов. Симптомы диабета могут усугубляться недостатком хрома. Он также содержится в РНК. Однако дефицит хрома – очень редкое явление.

Хром может всасываться через дыхательные пути, пищу и питьевую воду, а также при контакте с кожей. Содержание хрома в воздухе и воде обычно низкое. Хром является важным питательным веществом для человека и его недостаток может вызвать сердечные заболевания, нарушения обмена веществ и диабет. Однако слишком много хрома крайне вредно для здоровья.

Хром (VI) представляет опасность для здоровья человека, особенно для людей, которые работают в сталелитейной и текстильной промышленности и постоянно подвергаются воздействию этого химического вещества. Негативные эффекты хрома (VI) на здоровье:

  • расстройство желудка и язвы;
  • заболевания дыхательных путей;
  • ослабление иммунной системы;
  • повреждение печени и почек;
  • изменения генетического материала;
  • рак легких;
  • смерть.

Воздействие хрома на окружающую среду

Существуют разные типы хрома, которые различаются по своему влиянию на организмы. Хром в форме (III) и (VI) попадает в воздух, почву и воду в результате естественных процессов и деятельности человека. Деятельность человека, которая в наибольшей степени увеличивает уровень хрома (III) – это производство стали, кожи и текстиля. 

Хром (VI) в основном используется на химических, кожевенных и текстильных фабриках, а также для покрытия электронных устройств, что увеличивает концентрацию хрома (VI) в воде из-за выброса сточных вод. Хром попадает в воздух при сжигании угля и из-за плохой утилизации отходов. Хром из воздуха возвращается в почву и воду через атмосферные осадки. В почве хром прочно прикреплен к частицам почвы и поэтому не может попасть в грунтовые воды. 

Хром (III) – важное вещество для всех организмов. Если суточная доза слишком мала, это может нарушить метаболизм сахара и привести к проблемам с сердцем. Напротив, хром (VI) очень токсичен и может изменять генетический материал и вызывать рак. 

Зерновые имеют систему, с помощью которой они могут регулировать абсорбцию хрома таким образом, чтобы не причинить вред. Но если концентрация металла в почве очень высока, этот механизм может выйти из строя, и содержание хрома в зерне возрастет. Подкисление почвы также может влиять на поглощение хрома зерном. Обычно растения поглощают только хром (III), но если концентрация хрома превышает определенное значение, это также приводит к негативным последствиям.

Хром обычно не накапливается в организме рыб, но его высокие уровни, чаще всего в результате попадания металлических изделий в поверхностные воды, могут повредить жабры рыб. У животных хром также может вызывать респираторные заболевания,

Хром (Cr) и вода

Содержание хрома в морской воде сильно колеблется и составляет около 0,2-0,6 частей на миллиард. Речная вода обычно содержит около 1 части на миллиард этого элемента, хотя могут иметь место значительно повышенные концентрации. В фитопланктоне концентрации около 4 частей на миллион в морской рыбе 0,03–2 частей на миллион и около 0,7 частей на миллион в тканях устриц (все значения основаны на сухом веществе). 

В растворенном состоянии хром находится либо в неионогенной форме в виде трехвалентного Cr (OH) 3, либо в виде шестивалентного CrO 4. 

Как и в каких соединениях хром реагирует с водой?

Элементарный хром не реагирует с водой при комнатной температуре.

Растворимость хрома и / или его соединений в воде

Многие соединения хрома плохо или совсем не растворимы в воде. Соединения хрома (III) не только плохо растворимы, но также в значительной степени связаны с взвешенными веществами. Оксид хрома (III) и гидроксид хрома (III) не растворимы в воде.

Оксид хрома (VI), с другой стороны, является примером водорастворимого соединения.

Как хром попадает в воду?

Хром в свободной форме не встречается в природе. Самый важный минерал, содержащий хром – хромит. Как уже упоминалось, соединения хрома в природе встречаются только в небольших количествах в воде. Однако этот элемент и его соединения могут попадать в поверхностные воды через промышленные сточные воды. 

Хром из металлургической промышленности попадает в воду в основном в трехвалентной форме. С другой стороны, шестивалентная форма в промышленных сточных водах в основном поступает в результате кожевенного производства и крашения. 

Какие экологические проблемы могут привести к загрязнению воды хромом?

Хром жизненно необходим для некоторых организмов. Однако речь идет только о трехвалентном хроме. В шестивалентной форме он считается очень ядовитым для флоры и фауны. Ионы Cr 3+ практически не присутствуют в воде при значениях pH выше 5, поскольку гидратированный оксид Cr (OH) 3 очень плохо растворяется в воде.

Соединения хрома (VI) стабильны в аэробных условиях, но восстанавливаются до соединений хрома (III) в анаэробных условиях. Обратный процесс также возможен в окислительной среде. Кроме того, большая часть хрома в воде связана с взвешенными веществами.

Соединения хрома (VI) обычно классифицируются как очень опасные для воды. Фитотоксичность хрома до сих пор не выяснена. 

Как правило, воздушно-сухие почвы содержат в среднем 2-100 частей на миллион хрома. Растворимость хрома в почве ниже, чем у других потенциально токсичных металлов. Вот почему растения потребляют его относительно мало. Растения обычно содержат около 0,02–1 частей на миллион хрома в пересчете на сухое вещество, при этом значения могут увеличиваться до 14 частей на миллион. Например, во мхах и лишайниках часто обнаруживается относительно высокое содержание хрома.

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

3 × 1 =

Пролистать наверх