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

Хром — это блестящий твёрдый металлический элемент серо-стального цвета, устойчивый к потускнению и коррозии. Его название исходит от слова chroma, которое в переводе с греческого означает цвет. Он используется при закалке стальных сплавов и производстве нержавеющей стали, в антикоррозийных декоративных покрытиях и в качестве красителя для стекла.

История обнаружения и происхождение Cr

В 1761 году Иоганн Готтлоб Леманн обнаружил на Урале красно-оранжевый минерал, который он назвал сибирским красным свинцом. Несмотря на то что находка по ошибке была отнесена к соединению свинца с компонентами селена и железа, в действительности это был хромат свинца (PbCrO4).

В 1797 году Николя-Луи Воклен получил образцы крокоитовой руды. Он смог произвести оксид хрома (CrO3), смешав крокоит с HCl. В 1798 году Воклен обнаружил, что он может изолировать металлический Cr, нагревая оксид в печи на угле.

Руда, из которой происходит получение всех соединений хрома, является хромитом, или хромовой железной рудой (FeCr2O4). Элемент также встречается в небольших количествах во многих других минералах, особенно в крокоите (хромате свинца PbCrO4), в котором этот минерал был впервые обнаружен. Хром добывается в виде хромовой руды (FeCr2O4). Практически вся хромовая руда перерабатывается путём превращения в дихромат натрия, и практически все соединения и материалы на основе хрома готовятся из этой соли.

Cr получается в промышленности путём нагревания руды в присутствии алюминия или кремния. Около ½ объёма хромовой руды в мире добывается в Южной Африке.

Хотя месторождения самородного элемента редки, был обнаружен некоторый металл самородного хрома. Шахта Удачная в России производит образцы такого металла. Эта шахта представляет собой кимберлитовую трубу, богатую алмазами, а восстановительная среда помогает добывать как элементарный Cr, так и алмаз.

Изобилие Cr в разных средах:

• во Вселенной — 0,0015%;
• на солнце — 0,002%;
• в метеоритах — 0,3%;
• в земной коре — 0,014%;
• в океанах — 6 x 10−8%;
• в организме человека — 3 x 10−6%.

Основные характеристики элемента

Cr не тускнеет на воздухе, при нагревании он образует зелёный оксид. Наиболее распространённые степени окисления хрома составляют +2, +3 и +6, причём наиболее стабильным является +3, +4 и +5 относительно редки.

С увеличением валентности Сг в оксидах и гидроксидах их основный характер ослабевает, а кислотный — усиливается. Точно так же происходит и замена восстановительной активности на окислительную. Соединения Cr с валентностью 6 являются мощными окислителями.

• Символ Элемента: Cr.
• Атомный номер: 24.
• Молярная масса: 51,9961 г/моль.
• Температура плавления: 1857,0°С.
• Температура кипения: 2672,0°C.
• Количество протонов / электронов: 24.
• Количество нейтронов: 28.
• Электронная конфигурация (схема): 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 3 d5 4 s1
• Кристаллическая структура: кубический.
• Валентность: +2, +3, +6.
• Плотность: 7,19 г / см3.
• Цвет: стальной, серый.

Классификация и свойства

Элементы могут быть классифицированы на основе их физических состояний (состояний материи), например, газообразный, твёрдый или жидкий. Cr является твёрдым элементом. Он классифицируется в химии как «переходный металл», который находится в группах 3−12 Периодической таблицы Менделеева. Элементы, классифицируемые как переходные металлы, обычно описываются как пластичные и способные проводить электричество и тепло.

Химические свойства — это характеристики, которые становятся очевидными, когда материал подвергается химической реакции или химическим изменениям. Фактическая структура материала должна быть изменена, чтобы можно было наблюдать химические свойства.

• Взаимодействие с неметаллами. При нагревании выше 600 °C Cr сгорает в кислороде. С F реакция наступает при 350 °C, с Cl — при 300 °C, с Br — при t красного каления, образуя галогениды хрома (III).С N — при t выше 1000 °C с образованием нитридов.
• Взаимодействие с кислотами. В NCl и HCl в высокой концентрации Cr может растворяться только при сильном нагревании, образуя соли Cr (III) и продукты восстановления кислоты. При взаимодействии солей металла Cr и азотной кислоты образуется нитрат хрома Cr (NO3)3.

Это серо-голубой металл, который можно отполировать, чтобы добиться высокого блеска. Он очень блестящий, и хотя хром относительно твёрдый, он также и очень хрупкий. Это довольно активный металл. Хотя он не реагирует с водой, но он способен реагировать с большинством кислот, а также с кислородом при комнатной температуре. Одним из наиболее важных свойств Cr является его пассивация. Несмотря на то что он стабилен на воздухе, он тем не менее окисляется, образуя тонкий слой, который действует как защитное покрытие для предотвращения дальнейшей коррозии.

Cr в элементарной форме проявляет парамагнитные свойства. Недавно было обнаружено, что этот элемент может проявлять различные магнитные свойства в зависимости от его нагрева и охлаждения, а это, в свою очередь, влияет на ориентацию вращения электронов. Соединения элемента, такие как диоксид хрома, считаются ферромагнитными. Ферромагнитные свойства этих соединений позволяют использовать их в ленте данных, как способе хранения информации.

Cr можно добавлять к другим соединениям, сохраняя его магнитные свойства. Это зависит от количества других элементов в соединении.

Например, некоторые соединения из нержавеющей стали являются магнитными в зависимости от количества хрома, который они содержат.

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».

Биологическая роль и использование

Cr является важным микроэлементом для человека, потому что он помогает перерабатывать глюкозу. Тем не менее в избытке этот элемент ядовит. Человек принимаем около 1 миллиграмма хрома в день. Такие продукты, как пивные дрожжи, зародыши пшеницы, печень и свёкла, богаты этим элементом.

Трёхвалентный хром является важным микроэлементом и необходим для правильного метаболизма сахара у людей. Дефицит элемента может влиять на эффективность инсулина в регулировании баланса сахара. В отличие от других важных микроэлементов, хром не обнаружен в металлопротеине с биологической активностью. Поэтому функциональная основа для его наличия в рационе остаётся необъяснимой

В металлургии для придания коррозионной стойкости и блестящей отделки, в качестве компонента сплава, например, из нержавеющей стали, в хромировании. В качестве катализатора.

Хромит используется для изготовления форм для обжига кирпича.

Соли Cr делают цвет стекла изумрудно-зелёным. Они используются также при дублении кожи. Около 90% всей кожи подвергается дублению с использованием Cr. Однако жидкие отходы токсичны, поэтому изучаются альтернативные варианты.

Он позволяет достичь рубиново-красный цвет, и поэтому используется в производстве синтетических рубинов.

Хроматы и оксиды используются в красителях и красках.

Диоксид хрома (CrO2) используется для производства магнитной ленты, где его более высокая коэрцитивная сила, чем у лент из оксида железа, даёт лучшие характеристики.

Хромирование может использоваться для придания полированной зеркальной отделке стали. Хромированные части автомобилей и грузовиков, такие как бамперы, когда-то были очень распространены.

Меры предосторожности

Соединения Cr и Cr (III) обычно не считаются опасными для здоровья, но соединения Cr (VI) могут быть токсичными при пероральном использовании. Смертельная доза ядовитых соединений Cr (VI) составляет около половины чайной ложки материала. Большинство соединений этого типа раздражают глаза, кожу и слизистые оболочки. Его хроническое воздействие может привести к необратимому повреждению глаз. Cr (VI) является признанным канцерогеном для человека.

В 1958 году Всемирная организация здравоохранения рекомендовала максимально допустимую концентрацию 0,05 мг / литр в питьевой воде для Cr (VI) исходя из соображений здоровья. Эта рекомендация была пересмотрена несколько раз, и за это время это значение не изменилось.

Поскольку соединения Cr используются в красителях и красках, а также для дубления кожи, эти соединения часто обнаруживаются в почве и грунтовых водах на (заброшенных) промышленных объектах, которые в настоящее время нуждаются в очистке и восстановлении окружающей среды.