Где используется хром. Показания и способы применения хрома, рекомендуемая суточная норма, противопоказания, пищевые источники хрома. Химические и физические свойства хрома

Хром (лат. Cromium), Cr, химический элемент VI группы периодической системы Менделеева, атомный номер 24, атомная масса 51,996; металл голубовато-стального цвета.

Природные стабильные изотопы: 50 Cr (4,31%), 52 Cr (87,76%), 53 Cr (9,55%) и 54 Cr (2,38%). Из искусственных радиоактивных изотопов наиболее важен 51 Cr (период полураспада T ½ = 27,8 суток), который применяется как изотопный индикатор.

Историческая справка. Хром открыт в 1797 году Л. Н. Вокленом в минерале крокоите - природном хромате свинца РbCrО 4 . Название Хром получил от греческого слова chroma - цвет, краска (из-за разнообразия окраски своих соединений). Независимо от Воклена Хром был открыт в крокоите в 1798 году немецким ученым М. Г. Клапротом.

Распространение Хрома в природе. Среднее содержание Хрома в земной коре (кларк) 8,3·10 -3 % . Этот элемент, вероятно, более характерен для мантии Земли, так как ультраосновные породы, которые, как полагают, ближе всего по составу к мантии Земли, обогащены Хромом (2·10 -4 %). Хром образует массивные и вкрапленные руды в ультраосновных горных породах; с ними связано образование крупнейших месторождений Хрома. В основных породах содержание Хрома достигает лишь 2·10 -2 %, в кислых - 2,5·10 -3 %, в осадочных породах (песчаниках) - 3,5·10 -3 %, глинистых сланцах - 9·10 -3 % . Хром - сравнительно слабый водный мигрант; содержание Хрома в морской воде 0,00005 мг/л.

В целом Хром - металл глубинных зон Земли; каменные метеориты (аналоги мантии) тоже обогащены Хромом (2,7·10 -1 %). Известно свыше 20 минералов Хрома. Промышленное значение имеют только хромшпинелиды (до 54% Сr); кроме того, Хром содержится в ряде других минералов, которые нередко сопровождают хромовые руды, но сами не представляют практическое ценности (уваровит, волконскоит, кемерит, фуксит).

Физические свойства Хрома. Хром - твердый, тяжелый, тугоплавкий металл. Чистый Хром пластичен. Кристаллизуется в объемноцентрированной решетке, а = 2,885Å (20 °С); при 1830 °С возможно превращение в модификацию с гранецентрированной решеткой, а = 3,69Å.

Атомный радиус 1,27 Å; ионные радиусы Cr 2+ 0,83Å, Cr 3+ 0,64Å, Cr 6+ 0,52 Å. Плотность 7,19 г/см 3 ; t пл 1890 °С; t кип 2480 °С. Удельная теплоемкость 0,461 кдж/(кг·К) (25°С); термический коэффициент линейного расширения 8,24·10 -6 (при 20 °С); коэффициент теплопроводности 67 вт/(м·К) (20 °С); удельное электросопротивление 0,414 мком·м(20 °С); термический коэффициент электросопротивления в интервале 20-600 °С составляет 3,01·10 -3 . Хром антиферромагнитен, удельная магнитная восприимчивость 3,6·10 -6 . Твердость высокочистого Хрома по Бринеллю 7-9 Мн/м 2 (70-90 кгс/см 2).

Химические свойства Хрома. Внешняя электронная конфигурация атома Хрома 3d 5 4s 1 . В соединениях обычно проявляет степени окисления +2, +3, +6, среди них наиболее устойчивы Сr 3+ ; известны отдельные соединения, в которых Хром имеет степени окисления +1, +4, +5. Хром химически малоактивен. При обычных условиях устойчив к кислороду и влаге, но соединяется с фтором, образуя CrF 3 . Выше 600 °С взаимодействует с парами воды, давая Сr 2 О 3 ; азотом - Cr 2 N, CrN; углеродом - Сr 23 С 6 , Сr 7 С 3 , Сr 3 С 2 ; серой - Cr 2 S 3 . При сплавлении с бором образует борид СrВ, с кремнием - силициды Cr 3 Si, Cr 2 Si 3 , CrSi 2 . Со многими металлами Хром дает сплавы. Взаимодействие с кислородом протекает сначала довольно активно, затем резко замедляется благодаря образованию на поверхности металла оксидной пленки. При 1200 °С пленка разрушается и окисление снова идет быстро. Хром загорается в кислороде при 2000 °С с образованием темно-зеленого оксида Хрома (III) Сr 2 О 3 . Помимо оксида (III), известны других соединения с кислородом, например CrO, СrО 3 , получаемые косвенным путем. Хром легко реагирует с разбавленными растворами соляной и серной кислот с образованием хлорида и сульфата Хрома и выделением водорода; царская водка и азотная кислота пассивируют Хром.

С увеличением степени окисления возрастают кислотные и окислительные свойства Хром Производные Сr 2+ - очень сильные восстановители. Ион Сr 2+ образуется на первой стадии растворения Хрома в кислотах или при восстановлении Сr 3+ в кислом растворе цинком. Гидрат закиси Сr(ОН) 2 при обезвоживании переходит в Сr 2 О 3 . Соединения Сr 3+ устойчивы на воздухе. Могут быть и восстановителями и окислителями. Сr 3+ можно восстановить в кислом растворе цинком до Сr 2+ или окислить в щелочном растворе до СrО 4 2- бромом и других окислителями. Гидрооксид Сr(ОН) 3 (вернее Сr 2 О 3 ·nН 2 О) - амфотерное соединение, образующее соли с катионом Сr 3+ или соли хромистой кислоты НСrО 2 - хромиты (например, КСrО 2 , NaCrO 2). Соединения Сr 6+ : хромовый ангидрид СrО 3 , хромовые кислоты и их соли, среди которых наиболее важны хроматы и дихроматы - сильные окислители. Хром образует большое число солей с кислородсодержащими кислотами. Известны комплексные соединения Хрома; особенно многочисленны комплексные соединения Сr 3+ , в которых Хром имеет координационное число 6. Существует значительное число переоксидных соединений Хрома

Получение Хрома. В зависимости от цели использования получают Хром различной степени чистоты. Сырьем обычно служат хромшпинелиды, которые подвергают обогащению, а затем сплавляют с поташом (или содой) в присутствии кислорода воздуха. Применительно к основному компоненту руд, содержащему Сr 3 +, реакция следующая:

2FeCr 2 О 4 + 4K 2 CO 3 + 3,5О 2 = 4К 2 СrО 4 + Fе 2 О 3 + 4СО 2 .

Образующийся хромат калия К 2 СrО 4 выщелачивают горячей водой и действием H 2 SO 4 превращают его в дихромат К 2 Сr 2 О 7 . Далее действием концентрированного раствора H 2 SО 4 на К 2 Сr 2 О 7 получают хромовый ангидрид С 2 О 3 или нагреванием К 2 Сr 2 О 7 с серой - оксид Хрома (III) С 2 О 3 .

Наиболее чистый Хром в промышленного условиях получают либо электролизом концентрированных водных растворов СrО 3 или Сr 2 О 3 , содержащих H 2 SO 4 , либо электролизом сульфата Хрома Cr 2 (SO 4) 3 . При этом Хром выделяется на катоде из алюминия или нержавеющей стали. Полная очистка от примесей достигается обработкой Хрома особо чистым водородом при высокой температуре (1500-1700 °С).

Возможно также получение чистого Хрома электролизом расплавов CrF 3 или СrCl 3 в смеси с фторидами натрия, калия, кальция при температуре около 900 °С в атмосфере аргона.

В небольших количествах Хром получают восстановлением Сr 2 О 3 алюминием или кремнием. При алюминотермическом способе предварительно подогретую шихту из Сr 2 О 3 и порошка или стружек Аl с добавками окислителя загружают в тигель, где реакцию возбуждают поджиганием смеси Na 2 O 2 и Аl до тех пор, пока тигель заполнится Хромом и шлаком. Силикотермически Хром выплавляют в дуговых печах. Чистота получаемого Хрома определяется содержанием примесей в Сr 2 О 3 и в Аl или Si, используемых для восстановления.

В промышленности в больших масштабах производятся сплавы Хрома - феррохром и силикохром.

Применение Хрома. Использование Хрома основано на его жаропрочности, твердости и устойчивости против коррозии. Больше всего Хрома применяют для выплавки хромистых сталей. Алюмино- и силикотермический Хром используют для выплавки нихрома, нимоника, других никелевых сплавов и стеллита.

Значительное количество Хрома идет на декоративные коррозионно-стойкие покрытия. Широкое применение получил порошковый Хром в производстве металлокерамических изделий и материалов для сварочных электродов. Хром в виде иона Cr 3+ - примесь в рубине, который используется как драгоценный камень и лазерный материал. Соединениями Хрома протравливают ткани при крашении. Некоторые соли Хрома используются как составная часть дубильных растворов в кожевенной промышленности; PbCrO 4 , ZnCrO 4 , SrCrO 4 - как художественные краски. Из смеси хромита и магнезита изготовляют хромомагнезитовые огнеупорные изделия.

Соединения Хром (особенно производные Cr 6 +) токсичны.

Хром в организме. Хром - один из биогенных элементов, постоянно входит в состав тканей растений и животных. Среднее содержание Хрома в растениях - 0,0005% (92-95% Хрома накапливается в корнях), у животных - от десятитысячных до десятимиллионных долей процента. В планктонных организмах коэффициент накопления Хрома огромен - 10 000-26 000. Высшие растения не переносят концентрации Хрома выше 3-10 -4 моль/л. В листьях он присутствует в виде низкомолекулярного комплекса, не связанного с субклеточными структурами. У животных Хром участвует в обмене липидов, белков (входит в состав фермента трипсина), углеводов (структурный компонент глюкозоустойчивого фактора). Основной источник поступления Хрома в организм животных и человека - пища. Снижение содержания Хрома в пище и крови приводит к уменьшению скорости роста, увеличению холестерина в крови и снижению чувствительности периферийных тканей к инсулину.

Отравления Хромом, и его соединениями встречаются при их производстве; в машиностроении (гальванические покрытия); металлургии (легирующие добавки, сплавы, огнеупоры); при изготовлении кож, красок и т. д. Токсичность соединений Хрома зависит от их химические структуры: дихроматы токсичнее хроматов, соединения Cr (VI) токсичнее соединений Cr(II), Cr(III). Начальные формы заболевания проявляются ощущением сухости и болью в носу, першением в горле, затруднением дыхания, кашлем и т. д.; они могут проходить при прекращении контакта с Хромом. При длительном контакте с соединениями Хрома развиваются признаки хронические отравления: головная боль, слабость, диспепсия, потеря в весе и других. Нарушаются функции желудка, печени и поджелудочной железы. Возможны бронхит, бронхиальная астма, диффузный пневмосклероз. При воздействии Хрома на кожу могут развиться дерматит, экзема. По некоторым данным, соединения Хрома, преимущественно Cr(III), обладают канцерогенным действием.

Статья посвящена элементу № 24 таблицы Менделеева — хрому, истории его открытия и распространения в природе, строению его атома, химическим свойствам и соединениям, тому, как его получает и зачем он нам нужен. Среднее содержание хрома в земной коре не велико 0,0083% . Этот элемент, вероятно, более характерен для мантии Земли.

Хром образует массивные и вкрапленные руды в ультраосновных горных породах; с ними связано образование крупнейших месторождений Хрома. В основных породах содержание Хрома достигает лишь 2·10-2%, в кислых — 2,5·10-3%, в осадочных породах (песчаниках) — 3,5·10-3%, глинистых сланцах — 9·10-3% . Хром — сравнительно слабый водный мигрант: содержание Хрома в морской воде 0,00005 мг/л, в поверхностной воде -0,0015 мг/л.
В целом хром — металл глубинных зон Земли.

Сегодня общий объем потребления чистого хрома (не менее 99% Cr) составляет около 15 тысяч тонн, из них около трети приходится на электролитический хром. Мировым лидером в производстве высокочистого хрома является английская фирма Bell Metals. Первое место по объемам потребления занимают США (50%), второе – страны Европы (25%), третье – Япония. Рынок металлического хрома довольно нестабилен, и цены на металл колеблются в широком диапазоне.

1. ХРОМ КАК ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ

Хром – (Chromium) Cr, химический элемент 6(VIb) группы Периодической системы. Атомный номер 24, атомная масса 51,996. Известно 24 изотопа хрома с 42 Cr по 66 Cr. Изотопы 52 Cr, 53 Cr, 54 Cr являются стабильными. Изотопный состав природного хрома: 50 Cr (период полураспада 1,8·10 17 лет) – 4,345%, 52 Cr – 83,489%, 53 Cr – 9,501%, 54 Cr – 2,365%. Основные степени окисления +3 и +6.

В 1761 профессор химии Петербургского университета Иоганн Готтлоб Леман (Johann Gottlob Lehmann) у восточного подножия Уральских гор на Березовском руднике обнаружил замечательный красный минерал, который при измельчении в порошок давал яркую желтую окраску. В 1766 Леман привез образцы минерала в Петербург. Обработав кристаллы соляной кислотой, он получил белый осадок, в котором обнаружил свинец. Леман назвал минерал сибирским красным свинцом (plomb rouge de Sibérie), теперь известно, что это был крокоит (от греческого «krokos» – шафран) – природный хромат свинца PbCrO 4 .

Немецкий путешественник и естествоиспытатель Петер Симон Паллас (Peter Simon Pallas) (1741–1811) возглавил экспедицию Петербургской Академии наук в центральные регионы России и в 1770 побывал на Южном и Среднем Урале, в том числе на Березовском руднике и, подобно Леману, заинтересовался крокоитом. Паллас писал: «Этот удивительный красный свинцовый минерал не встречается более ни в одном месторождении. При растирании в порошок становится желтым, и может быть использован в художественной миниатюре». Несмотря на редкость и трудность доставки крокоита с Березовского рудника в Европу (на это уходило почти два года), использование минерала в качестве красящего вещества было оценено по достоинству. В Лондоне и Париже конца 17 в. все знатные особы ездили на каретах, покрашенных мелко растертым крокоитом, кроме того, лучшие образцы сибирского красного свинца пополняли коллекции многих минералогических кабинетов Европы.

В 1796 образец крокоита попал к профессору химии Парижской минералогической школы Никола Луи Вокелену (Nicolas-Louis Vauquelin) (1763–1829), который проанализировал минерал, но не нашел в нем ничего кроме оксидов свинца, железа и алюминия. Продолжая исследования сибирского красного свинца, Вокелен прокипятил минерал с раствором поташа и после отделения белого осадка карбоната свинца получил желтый раствор неизвестной соли. При обработке его солью свинца образовывался желтый осадок, солью ртути – красный, а при добавлении хлорида олова раствор становился зеленым. Разлагая крокоит минеральными кислотами, он получил раствор «кислоты красного свинца», упаривание которой давало рубиново-красные кристаллы (сейчас понятно, что это был хромовый ангидрид). Прокалив их с углем в графитовом тигле, обнаружил после реакции множество сросшихся серых игольчатых кристаллов неизвестного до того времени металла. Вокелен констатировал высокую тугоплавкость металла и его устойчивость по отношению к кислотам.

Вокелен назвал новый элемент хромом (от греческого  – цвет, окраска) ввиду множества образуемых им разноцветных соединений. На основании своих исследований Вокелен впервые констатировал, что изумрудная окраска некоторых драгоценных камней объясняется примесью в них соединений хрома. Например, природный смарагд представляет собой окрашенный в глубокий зеленый цвет берилл, в котором алюминий частично замещен хромом.

Скорее всего, Вокеленом был получен не чистый металл, а его карбиды, о чем свидетельствует игольчатая форма полученных кристаллов, но Парижская Академия наук тем не менее зарегистрировала открытие нового элемента, и сейчас Вокелен справедливо считается первооткрывателем элемента № 24.

В 1798 Ловиц и Клапрот (Klaproth) независимо от Вокелена обнаружили хром в образце тяжелого черного минерала (это был хромит FeCr 2 O 4), найденного на Урале, но значительно севернее Березовского месторождения. В 1799 Ф.Тассерт (Tassaert) обнаружил новый элемент в том же минерале, найденном на юго-востоке Франции. Считается, что именно Тассерту впервые удалось получить относительно чистый металлический хром.

2. ХРОМ В ПРИРОДЕ И ЕГО ПРОМЫШЛЕННОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ

Хром – довольно распространенный элемент на Земле. Его кларк (среднее содержание в земной коре) коре составляет 8,3·10 –3 %. Хром никогда не встречается в свободном состоянии. В хромовых рудах практическое значение имеет только хромит FeCr 2 O 4 , относящийся к шпинелям – изоморфным минералам кубической системы с общей формулой МО·Ме 2 О 3 , где М – ион двухвалентного металла, а Ме – ион трехвалентного металла. Шпинели могут образовывать друг с другом твердые растворы, поэтому в природе отдельно или в качестве примесей к хромиту встречаются также магнохромит (Mg,Fe)Cr 2 O 4 , алюмохромит Fe(Cr,Al) 2 O 4 , хромпикотит (Mg,Fe)(Cr,Al) 2 O 4 – все они относятся к классу хромшпинелидов. Помимо шпинелидов, хром встречается во многих значительно менее распространенных минералах, например, меланохроите 3PbO·2Cr 2 O 3 , вокелените 2(Pb,Cu)CrO 4 (Pb,Cu) 3 (PO 4) 2 , тарапакаите K 2 CrO 4 , дитцеите CaIO 3 ·CaCrO 4 и других.

Хромиты окрашены в темный или почти черный цвет, имеют металлический блеск и обычно залегают в виде сплошных массивов. Месторождения хромита имеют магматическое происхождение. Его выявленные ресурсы оценены в 47 странах мира и составляют 15 миллиардов тонн. Первое место по запасам хромита занимает ЮАР (76% от разведанных мировых запасов), где наибольшее значение имеет группа Бушвельдских месторождений, содержание хромовой руды в которых составляет 1 миллиард тонн. Второе место в мире по ресурсам хромита занимает Казахстан (9% от мировых запасов), хромовые руды там очень высокого качества. Все ресурсы хромита в Казахстане сосредоточены в Актюбинской области (Кемпирсайский массив с запасами 300 млн. тонн); месторождения разрабатываются с конца 1930-х. Третье место занимает Зимбабве (6% от мировых запасов). Кроме того, значительными ресурсами хромита обладают США, Индия, Филиппины, Турция, Мадагаскар, Бразилия. В России довольно крупные залежи хромита встречаются на Урале (Сарановское, Верблюжьегорское, Алапаевское, Монетная дача, Халиловское и другие месторождения).

В начале 19 в. основным источником хромита являлись уральские месторождения, но в 1827 американец Исаак Тисон (Isaac Tyson) обнаружил крупное месторождение хромовой руды на границе Мериленда и Пенсильвании, став монополистом в области добычи на долгие годы. В 1848 залежи хромита высокого качества были найдены в Турции, неподалеку от Бурсы. После истощения запасов в Мериленде Турция являлась лидером по добыче хромитов, пока в 1906 эстафету не перехватили Индия и ЮАР.

Сейчас в мире ежегодно добывается 11–14 миллионов тонн хромитов. Ведущее место по добыче хромовой руды занимает ЮАР (около 6 млн. тонн ежегодно), за ней следует Казахстан, обеспечивая 20% мировых потребностей. Из-за большой глубины залегания хромовой руды ее обычно добывают шахтным способом (85%), но иногда практикуется и открытая (карьерная) добыча, например, в Финляндии и на Мадагаскаре. Обычно добываемые руды относятся к категории достаточно качественных и нуждаются только в механической сортировке. Часто обогащать хромиты нецелесообразно, так как при этом можно повысить только содержание Cr 2 O 3 , а отношение Fe: Cr остается без изменения. Цена хромита на мировом рынке колеблется в пределах 40–120 долларов США за тонну.

Хром – серебристый металл с плотностью 7200 кг/м 3 . Определение температуры плавления чистого хрома представляет собой чрезвычайно трудную задачу, так как малейшие примеси кислорода или азота существенно влияют на величину этой температуры. По результатам современных измерений она равняется 1907° С. Температура кипения хрома 2671° С. Совершенно чистый (без газовых примесей и углерода) хром довольно вязок, ковок и тягуч. При малейшем загрязнении углеродом, водородом, азотом и т.д. становится хрупким, ломким и твердым. При обычных температурах существует в виде a-модификации и имеет кубическую объемноцентрированную решетку. Химически хром довольно инертен вследствие образования на его поверхности прочной тонкой пленки оксида. Он не окисляется на воздухе даже в присутствии влаги, а при нагревании окисление проходит только на поверхности. Хром пассивируется разбавленной и концентрированной азотной кислотой, царской водкой, и даже при кипячении металла с этими реагентами растворяется лишь незначительно. Пассивированный азотной кислотой хром, в отличие от металла без защитного слоя, не растворяется в разбавленных серной и соляной кислотах даже при длительном кипячении в растворах этих кислот, тем не менее, в определенный момент начинается быстрое растворение, сопровождающееся вспениванием от выделяющегося водорода – из пассивной формы хром переходит в активированную, не защищенную пленкой оксида:

Cr + 2HCl = CrCl 2 + H 2

Если в процессе растворения добавить азотной кислоты, то реакция сразу прекращается – хром снова пассивируется.

При нагревании металлический хром соединяется с галогенами, серой, кремнием, бором, углеродом и некоторыми другими элементами:

Cr + 2F 2 = CrF 4 (с примесью CrF 5)

2Cr + 3Cl 2 = 2CrCl 3

2Cr + 3S = Cr 2 S 3

Cr + C = смесь Cr 23 C 6 + Cr 7 C 3 .

При нагревании хрома с расплавленной содой на воздухе, нитратами или хлоратами щелочных металлов получаются соответствующие хроматы(VI):

2Cr + 2Na 2 CO 3 + 3O 2 = 2Na 2 CrO 4 + 2CO 2 .

В зависимости от требуемой степени чистоты металла существует несколько промышленных способов получения хрома.

Возможность алюмотермического восстановления оксида хрома(III) была продемонстрирована еще Фридрихом Вёлером в 1859 однако в промышленном масштабе этот метод стал доступен, как только появилась возможность получения дешевого алюминия. Промышленное алюмотермическое получение хрома началось с работ Гольдшмидта, которому впервые удалось разработать надежный способ регулирования сильно экзотермического (а, следовательно, взрывоопасного) процесса восстановления:

Cr 2 O 3 + 2Al = 2Cr + 2Al 2 O 3 .

Предварительно смесь равномерно прогревается до 500-600° С. Восстановление можно инициировать либо смесью перекиси бария с порошком алюминия, либо запалом небольшой порции шихты с последующим добавлением остального количества смеси. Важно, чтобы выделяющейся в процессе реакции теплоты, хватило на расплавление образующегося хрома и его отделение от шлака. Хром, получающийся алюмотермическим способом, обычно содержит 0,015–0,02% С, 0,02% S и 0,25–0,40% Fe, а массовая доля основного вещества в нем составляет 99,1–99,4% Cr. Он очень хрупок и легко размалывается в порошок.

При получении высокочистого хрома используются электролитические методы, возможность этого в 1854 показал Бунзен , подвергший электролизу водный раствор хлорида хрома. Сейчас электролизу подвергают смеси хромового ангидрида или хромоаммонийных квасцов с разбавленной серной кислотой. Выделяющийся в процессе электролиза хром содержит растворенные газы в качестве примесей. Современные технологии позволяют получать в промышленном масштабе металл чистотой 99,90–99,995% с помощью высокотемпературной очистки в потоке водорода и вакуумной дегазации. Уникальные методики рафинирования электролитического хрома позволяют избавляться от кислорода, серы, азота и водорода, содержащихся в «сыром» продукте.

Есть еще несколько менее значимых способов получения металлического хрома. Силикотермическое восстановление основано на реакции:

2Cr 2 O 3 + 3Si + 3CaO = 4Cr + 3CaSiO 3 .

Восстановление кремнием, хотя и носит экзотермический характер, требует проведения процесса в дуговой печи. Добавка негашеной извести позволяет перевести тугоплавкий диоксид кремния в легкоплавкий шлак силикат кальция.

Восстановление оксида хрома(III) углем применяется для получения высокоуглеродистого хрома, предназначенного для производства специальных сплавов. Процесс также ведется в электродуговой печи.

В процессе Ван Аркеля – Кучмана – Де Бура применяется разложение иодида хрома(III) на нагретой до 1100° С проволоке с осаждением на ней чистого металла.

Хром можно также получать восстановлением Cr 2 O 3 водородом при 1500° С, восстановлением безводного CrCl 3 водородом, щелочными или щелочноземельными металлами, магнием и цинком.

3. ПРИМЕНЕНИЕ ХРОМА В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

На протяжении многих десятилетий с момента открытия металлического хрома применение находил лишь крокоит и некоторые другие его соединения в качестве пигментов при изготовлении красок. В 1820 Кохлен предложил использовать дихромат калия как протраву при крашении тканей. В 1884 началось активное использование растворимых хромовых соединений в качестве дубильных веществ в кожевенной промышленности. Впервые хромит нашел применение во Франции в 1879 как огнеупорное вещество, но основное его использование началось в 1880-х в Англии и Швеции, когда стала наращивать обороты промышленная выплавка феррохрома. В небольших количествах феррохром умели получать уже в начале 19 в., так Бертье еще в 1821 предложил восстанавливать смесь оксидов железа и хрома древесным углем в тигле. Первый патент на изготовление хромистой стали был выдан в 1865. Промышленное производство высокоуглеродистого феррохрома началось с использованием доменных печей для восстановления хромита коксом. Феррохром конца 19 в. был очень низкого качества, так как содержал обычно 7–8% хрома, и был известен под названием «тасманского чугуна» ввиду того, что исходная железо-хромовая руда ввозилась из Тасмании. Переломный момент в производстве феррохрома наступил в 1893, когда Анри Муассан впервые выплавил высокоуглеродистый феррохром, содержащий 60% Cr. Основным достижением в этой отрасли стала замена доменной печи на электродуговую, созданную Муассаном, что позволило увеличить температуру процесса, уменьшить расход энергии и значительно повысить качество выплавляемого феррохрома, который стал содержать 67–71% Cr и 4–6% С. Способ Муассана до сих пор лежит в основе современного промышленного производства феррохрома. Восстановление хромита обычно ведут в открытых электродуговых печах, и шихту загружают сверху. Дуга образуется между погруженными в шихту электродами.

Хром встречается в природе в основном в виде хромистого железняка Fe(CrO 2) 2 (хромит железа). Из него получают феррохром восстановлением в электропечах коксом (углеродом):

FeO·Cr 2 O 3 + 4C → Fe + 2Cr + 4CO

6) с помощью электролиза получают электролитический хром из раствора хромового ангидрида в воде, содержащего добавку серной кислоты . При этом на катодах совершаются в основном 3 процесса:

– восстановление шестивалентного хрома до трех валентного с переходом его в раствор;

– разряд ионов водорода с выделением газообразного водорода;

– разряд ионов, содержащих шестивалентный хром с осаждением металлического хрома;

Cr 2 O 7 2− + 14Н + + 12е − = 2Сr + 7H 2 O

В свободном виде - голубовато-белый металл с кубической объемно-центрированной решеткой, а = 0,28845 нм. При температуре 39 °C переходит из парамагнитного состояния в антиферромагнитное (точка Нееля).

Устойчив на воздухе. При 300 °C сгорает с образованием зелёного оксида хрома(III) Cr 2 O 3 , обладающего амфотерными свойствами . Сплавляя Cr 2 O 3 со щелочами получают хромиты

Несмотря на большое значение высокоуглеродистого феррохрома для получения многих сортов нержавеющих сталей, он не пригоден для выплавки некоторых высокохромистых сталей, так как наличие углерода (в виде карбида Cr 23 C 6 , кристаллизующегося по границам зерен) делает их хрупкими и легко поддающимися коррозии. Производство низкоуглеродистого феррохрома стало развиваться с началом использования промышленного алюмотермического восстановления хромитов. Сейчас алюмотермический процесс вытеснен силикотермическим процессом (процессом Перрена) и симплекс-процессом, заключающемся в смешении высокоуглеродистого феррохрома с частично окисленным порошком феррохрома, последующем брикетировании и нагревании до 1360° С в вакууме. Феррохром, приготовленный симплекс-процессом, обычно содержит всего 0,008% углерода, а брикеты из него легко растворяются в расплаве стали.

Рынок феррохрома цикличен. Мировое производство феррохрома в 2000 составило 4,8 миллиона тонн, а в 2001, из-за низкого спроса, 3,4 миллиона тонн. В 2002 спрос на феррохром вновь активизировался. Первое место в мире по выплавке феррохрома занимает южно-африканская «Большая двойка» (The «Big Two») – компании Xstrata South Africa (Pty) Ltd. (филиал Xstrata AG) и Samancor Chrome Division (филиал Samancor Ltd.). На их долю приходится до 40% мировой выплавки феррохрома. В ЮАР и Финляндии выпускается преимущественно чардж-хром (от англ. charge – загружать уголь), содержащий 52–55% Cr, а в Китае, России, Зимбабве, Казахстане феррохром, содержащий более 60% Cr. Феррохром используется в качестве легирующей добавки к низколегированным сталям. При содержании более 12% хрома сталь почти не ржавеет.

Коррозионную стойкость железных сплавов можно значительно увеличить нанесением на их поверхность тонкого слоя хрома. Такая процедура называется хромированием. Хромированные слои хорошо противостоят воздействию влажной атмосферы, морского воздуха, водопроводной воды, азотной и многих органических кислот. Все способы хромирования можно разделить на два вида – диффузионные и электролитические. Диффузионный способ Беккера – Дэвиса – Штейнберга заключается в нагревании до 1050–1100° С хромируемого изделия в атмосфере водорода, засыпанного смесью феррохрома и огнеупора, предварительно обработанных хлороводородом при 1050° С. Находящийся в порах огнеупора CrCl 2 улетучивается и хромирует изделие. В процессе электролитического хромирования металл осаждается на поверхности обрабатываемого изделия, выступающего в качестве катода. Электролит часто представляет собой соединение шестивалентного хрома (обычно CrO 3), растворенное в водной H 2 SO 4 . Хромовые покрытия бывают защитные и декоративные. Толщина защитных покрытий достигает 0,1 мм, они наносятся непосредственно на изделие и придают ему повышенную износостойкость. Декоративные покрытия имеют эстетическое значение, и наносятся на подслой другого металла (никеля или меди), выполняющего собственно защитную функцию. Толщина такого покрытия всего 0,0002–0,0005 мм.

4. БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ХРОМА

Хром – микроэлемент, необходимый для нормального развития и функционирования человеческого организма. Установлено, что в биохимических процессах принимает участие только трехвалентный хром. Важнейшая его биологическая роль состоит в регуляции углеводного обмена и уровня глюкозы в крови. Хром является составной частью низкомолекулярного комплекса – фактора толерантности к глюкозе (GTF), который облегчает взаимодействие клеточных рецепторов с инсулином, уменьшая, тем самым, потребность в нем организма. Фактор толерантности усиливает действие инсулина во всех метаболических процессах с его участием. Кроме того, хром принимает участие в регуляции обмена холестерина и является активатором некоторых ферментов.

Содержание хрома в организме человека составляет 6–12 мг. Точные сведения о физиологической потребности человека в этом элементе отсутствуют, кроме того, она сильно зависит от характера питания (например, сильно возрастает при избытке сахара в рационе). По разным оценкам норма ежедневного поступления хрома в организм составляет 20–300 мкг. Показателем обеспеченности организма хромом служит содержание его в волосах (норма 0,15–0,5 мкг/г). В отличие от многих микроэлементов, содержание хрома в тканях организма (за исключением легочной), по мере старения человека, снижается.

Концентрация элемента в растительной пище на порядок меньше его концентрации в тканях млекопитающих. Особенно высоко содержание хрома в пивных дрожжах, кроме того, в заметных количествах он есть в мясе, печени, бобовых, цельном зерне. Дефицит хрома в организме может вызвать диабетоподобное состояние, способствовать развитию атеросклероза и нарушению высшей нервной деятельности.

Уже в сравнительно небольших концентрациях (доли миллиграмма на м 3 для атмосферы) все соединения хрома оказывают токсическое действие на организм. Особенно опасны в этом отношении растворимые соединения шестивалентного хрома, обладающие аллергическим, мутагенным и канцерогенным действием.

Отравления хромом, и его соединениями встречаются при их производстве; в машиностроении (гальванические покрытия); металлургии (легирующие добавки, сплавы, огнеупоры); при изготовлении кож, красок и т. д. Токсичность соединений Хрома зависит от их химические структуры: дихроматы токсичнее хроматов, соединения Cr (VI) токсичнее соединений Cr(II), Cr(III). Начальные формы заболевания проявляются ощущением сухости и болью в носу, першением в горле, затруднением дыхания, кашлем и т. д.; они могут проходить при прекращении контакта с Хромом. При длительном контакте с соединениями Хрома развиваются признаки хронические отравления: головная боль, слабость, диспепсия, потеря в весе и других. Нарушаются функции желудка, печени и поджелудочной железы. Возможны бронхит, бронхиальная астма, диффузный пневмосклероз. При воздействии Хрома на кожу могут развиться дерматит, экзема. По некоторым данным, соединения Хрома, преимущественно Cr(III), обладают канцерогенным действием.
хромирование. Снижение содержания хрома в пище и крови приводит к уменьшению скорости роста, увеличению

Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия, т.2. – М.: Мир, 1972.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Хром - двадцать четвертый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Cr от латинского «chromium». Расположен в четвертом периоде, VIB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 24.

Хром содержится в земной коре в количестве 0,02% (масс.). В природе он встречается главным образом в виде хромистого железняка FeO×Cr 2 O 3 .

Хром представляет собой твердый блестящий металл (рис. 1), плавящийся при 1890 o С; плотность его 7,19 г/см 3 . При комнатной температуре хром стоек и к воде, и к воздуху. Разбавленные серная и соляная кислоты растворяют хром с выделением водорода. В холодной концентрированной азотной кислоте хром нерастворим и после обработки ею становится пассивным.

Рис. 1. Хром. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса хрома

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии хром существует в виде одноатомных молекул Cr, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 51,9962.

Изотопы хрома

Известно, что в природе хром может находиться в виде четырех стабильных изотопов 50 Cr, 52 Cr, 53 Cr и 54 Cr. Их массовые числа равны 50, 52, 53 и 54 соответственно. Ядро атома изотопа хрома 50 Cr содержит двадцать четыре протона и двадцать шесть нейтронов, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные изотопы хрома с массовыми числами от 42-х до 67-ми, среди которых наиболее стабильным является 59 Cr с периодом полураспада равным 42,3 минуты, а также один ядерный изотоп.

Ионы хрома

На внешнем энергетическом уровне атома хрома имеется шесть электронов, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 1 .

В результате химического взаимодействия хром отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Cr 0 -2e → Cr 2+ ;

Cr 0 -3e → Cr 3+ ;

Cr 0 -6e → Cr 6+ .

Молекула и атом хрома

В свободном состоянии хром существует в виде одноатомных молекул Cr. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу хрома:

Сплавы хрома

Металлический хром используется для хромирования, а также в качестве одного из важнейших компонентов легированных сталей. Введение хрома в сталь повышает её устойчивость против коррозии как в водных средах при обычных температурах, так и в газах при повышенных температурах. Кроме того, хромистые стали обладают повышенной твердостью. Хром входит в состав нержавеющих кислотоупорных, жаропрочных сталей.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Задание

Оксид хрома (VI) массой 2 г растворили в воде массой 500 г. Рассчитайте массовую долю хромовой кислоты H 2 CrO 4 в полученном растворе.

Решение

Запишем уравнение реакции получения хромовой кислоты из оксида хрома (VI):

CrO 3 + H 2 O = H 2 CrO 4 .

Найдем массу раствора:

m solution = m(CrO 3) + m (H 2 O) = 2 + 500 = 502 г.

n (CrO 3) = m (CrO 3) / M (CrO 3);

n (CrO 3) = 2 / 100 = 0,02 моль.

Согласно уравнению реакции n(CrO 3) :n(H 2 CrO 4) = 1:1, значит,

n(CrO 3) = n(H 2 CrO 4) = 0,02 моль.

Тогда масса хромовой кислоты будет равна (молярная масса - 118 г/моль):

m (H 2 CrO 4) = n (H 2 CrO 4) × M (H 2 CrO 4);

m (H 2 CrO 4) = 0,02 × 118 = 2,36 г.

Массовая доля хромовой кислоты в растворе составляет:

ω = m solute / m solution × 100%;

ω (H 2 CrO 4)=m solute (H 2 CrO 4)/ m solution × 100%;

ω (H 2 CrO 4)= 2,36 / 502 × 100% = 0,47 %.

Ответ

Массовая доля хромовой кислоты равна 0,47 %.

Содержание статьи

ХРОМ – (Chromium) Cr, химический элемент 6(VIb) группы Периодической системы. Атомный номер 24, атомная масса 51,996. Известно 24 изотопа хрома с 42 Cr по 66 Cr. Изотопы 52 Cr, 53 Cr, 54 Cr являются стабильными. Изотопный состав природного хрома: 50 Cr (период полураспада 1,8·10 17 лет) – 4,345%, 52 Cr – 83,489%, 53 Cr – 9,501%, 54 Cr – 2,365%. Основные степени окисления +3 и +6.

Вокелен назвал новый элемент хромом (от греческого crwma – цвет, окраска) ввиду множества образуемых им разноцветных соединений. На основании своих исследований Вокелен впервые констатировал, что изумрудная окраска некоторых драгоценных камней объясняется примесью в них соединений хрома. Например, природный смарагд представляет собой окрашенный в глубокий зеленый цвет берилл, в котором алюминий частично замещен хромом.

Юрий Крутяков

И жиров.

Ученые утверждают, что на уровень холестерина влияет хром. Элемент считается биогенным, то есть, необходим организму, не только человеческому, но и всех млекопитающих.

При недостатке хрома замедляется их рост и «подскакивает» холестерин. Норма – 6 миллиграммов хрома от общей массы человека.

Ионы вещества есть во всех тканях тела. В день должны поступать 9 микрограммов.

Взять их можно из морепродуктов, перловой крупы, свеклы, печени и мяса утки. Пока закупаете продукты, расскажем о других назначениях и свойствах хрома.

Свойства хрома

Хром – химический элемент , относящийся к металлам. Цвет у вещества серебристо-голубой.

В элемент стоит под 24-ым порядковым, или, как еще говорят, атомным номером.

Число указывает на количество протонов в ядре. Что же касается электронов, вращающихся близ него, у них есть особое свойство – проваливаться.

Это значит, что одна или 2-е частицы могут перейти с одного подуровня на другой.

В итоге, 24-ый элемент способен наполовину заполнить 3-ий подуровень. Получается устойчивая электронная конфигурация.

Провал электронов – явление редкое. Кроме хрома, вспоминаются, пожалуй, лишь , , и .

Как и 24-ое вещество, они химически малоактивно. Не затем атом приходит к устойчивому состоянию, чтобы вступать в реакцию со всеми подряд.

При обычных условиях хром – элемент таблицы Менделеева , «расшевелить» который удается лишь .

Последний, является антиподом 24-го вещества, максимально активен. В ходе реакции образуется фторид хрома .

Элемент, свойства которого обсуждаются, не окисляется, не боится влаги и тугоплавок.

Последняя характеристика «оттягивает» реакции, возможные при нагреве. Так, взаимодействие с парами воды запускается лишь при 600-от градусах Цельсия.

Получается оксид хрома. Запускается и реакция с , дающая нитрид 24-го элемента.

При 600-от градусах, так же, возможны несколько соединений с и образование сульфида.

Если довести температуру до 2000, хром воспламенится при контакте с кислородом. Итогом горения станет окись темно-зеленого цвета.

Этот осадок легко реагирует с растворами и кислот. Итогом взаимодействия становятся хлорид и сульфид хрома. Все соединения 24-го вещества, как правило, ярко окрашены.

В чистом виде основная характеристика элемента хрома – токсичность. Пыль металла раздражает легочные ткани.

Могут проявиться дерматиты, то есть, заболевания аллергического характера. Соответственно, норму хрома для организма лучше не превышать.

Есть норма и по содержанию 24-го элемента в воздухе. На кубический метр атмосферы должны приходиться 0,0015 миллиграммов. Превышение стандарта считается загрязнением.

У металлического хрома высокая плотность – более 7 граммов на кубический сантиметр. Это значит, вещество довольно тяжелое.

Металла тоже довольно высока. Она зависит от от температуры электролита и плотности тока. У грибков и плесени это, видимо, вызывает уважение.

Если пропитать хромовым составом древесину, микроорганизмы не возьмутся разрушать ее. Этим пользуются строители.

Их устраивает и то, что обработанное дерево хуже горит, ведь хром – тугоплавкий металл. Как и где еще его можно применить, расскажем далее.

Применение хрома

Хром – легирующий элемент при выплавке . Помните, что в обычных условиях 24-ый металл не окисляется, не ржавеет?

Основа сталей – . Оно такими свойствами похвастаться не может. Поэтому и добавляют хром, повышающий стойкость к коррозии.

К тому же, добавка 24-го вещества снижает точку критической скорости охлаждения.

Силикотермический хром применяют для выплавки . Это дуэт 24-го элемента с никелем.

В качестве добавок идут , кремний, . Никель отвечает за пластичность , а хром – за его стойкость к окислению и твердость.

Соединяют хром и с . Получается сверхтвердый стеллит. Добавки к нему – молибден и .

Состав дорогостоящий, но необходим для наплавки машинных деталей с целью увеличения их износостойкости. Напыляют стеллит и на рабочие станки, .

В декоративных коррозийностойких покрытиях используют, как правило, соединения хрома .

Пригождается яркая гамма их цветов. В металлокерамике красочность не нужна, поэтому, применяют порошковый хром. Он добавляется, к примеру, для прочности в нижний слой коронок для .

Формула хрома – составная часть . Это минерал из группы , но привычного цвета у него нет.

Уваровит – камень, и таким его делает именно хром. Не секрет, что используются .

Зеленая разновидность камня – не исключение, причем, ценится выше красной, поскольку редка. Еще, уваровит чуть стандартных .

Это тоже плюс, ведь минеральные вставки сложнее поцарапать. Гранят камень фасетно, то есть, формируя углы, что увеличивает игру света.

Добыча хрома

Добывать хром из минералов невыгодно. Большинство с 24-ым элементом , используются целиком.

К тому же, содержание хрома в , как правило, невелико. Вещество извлекают, в основанном, из руд.

С одной из них связано открытие хрома. Его нашли в Сибири. В 18-ом веке там нашли крокоит. Это свинцовая руда красного цвета.

Ее основа – , второй элемент – хром. Обнаружить его, удалось немецкому химику по фамилии Леман.

На момент открытия крокоита он гостил в Петербурге, где и провел опыты. Теперь, 24-ый элемент получают путем электролиза концентрированных водных растворов оксида хрома.

Возможен, так же, электролиз сульфата. Это 2 пути получения наиболее чистого хрома. Молекула оксида или сульфата разрушается в тигле, где исходные соединения поджигают.

24-ый элемент отделяется, остальное уходит в шлак. Остается выплавить хром в дуговой . Так извлекают наиболее чистый металл.

Есть и другие пути получения элемента хрома , к примеру, восстановление его оксида кремнием.

Но, такой способ дает металл с большим количеством примесей и, к тому же, более затратен, чем электролиз.

Цена хрома

В 2016-ом году стоимость хрома, пока, снижается. Январь начался с 7450-ти долларов за тонну.

К середине лета просят лишь 7100 условных единиц за 1000 килограммов металла. Данные предоставлены Infogeo.ru.

То есть, рассмотрены российские цены. На мировом стоимость хрома доходила почти до 9000 долларов за тонну.

Наименьшая же отметка лета отличается от российской всего на 25 долларов в сторону возрастания.

Если рассматривается не промышленная сфера, к примеру, металлургия, а польза хрома для организма , можно изучить предложения аптек.

Так, «Пиколинат» 24-го вещества стоит около 200-от рублей. За «Картнитин хром Форте» просят 320 рублей. Это ценник за упаковку из 30-ти таблеток.

Восполнить дефицит 24-го элемента может и «Турамин Хром». Его стоимость – 136 рублей.

Хром, кстати, входит в состав тестов на выявление наркотиков, в частности, марихуаны. Один тест стоит 40-45 рублей.