Хром — общая характеристика элемента, химические свойства хрома и его соединений

Что такое хром

Для начала поговорим о том, как выглядит хром, каковы металлы его содержащие, и в чем особенность такого вещества. Хром — это типичный металл серебристо-голубоватого цвета, тяжелый, по плотности превосходит железо, к тому же относится к категории тугоплавких – температура его плавления и кипения очень велики.

Элемент хром размещается в побочной подгруппе 6 группы в 4 периоде. Близок по свойствам к молибдену и вольфраму, хотя имеет и заметные отличия. Последние чаще всего проявляют лишь высшую степень окисления, в то время как хром проявляет валентность и два, и три, и шесть. Это означает, что элемент образует множество разнообразных соединений.

Именно соединения и дали название самому элементу – от греческого краска, цвет. Дело в том, что его соли и оксиды окрашены в самые разнообразные яркие цвета.

Особенности и отличия по сравнению с другими металлами

При изучении металла наибольший интерес вызывали 2 свойства вещества: твердость и тугоплавкость. Хром относится к наиболее твердым металлам – занимает пятое место и уступает урану, иридию, вольфраму и бериллию. Однако качество это оказалось невостребованным, поскольку у металла были обнаружены более важные для промышленности свойства.

Хром плавится при 1907 С. Вольфраму или молибдену по этому показателю он уступает, но все равно относится к тугоплавким веществам. Правда, на температуру его плавления сильно влияют примеси.

• Как многие из металлов, устойчивых к коррозии, хром образует на воздухе тонкую и очень плотную оксидную пленку. Последняя прикрывает доступ кислорода, азота и влаги к веществу, что и делает его неуязвимым. Особенность в том, что это качество он передает своему сплаву с железом: в присутствии элемента увеличивается потенциал а-фазы железа и в итоге сталь на воздухе тоже покрывается плотной оксидной пленкой. Это и есть секрет стойкости нержавеющей стали.
• Являясь тугоплавким веществом, металл повышает и температуру плавления сплава. Жаропрочные и жаростойкие стали обязательно включают долю хрома, причем порой очень большую – до 60%. Еще более сильный эффект оказывает добавка и никеля, и хрома.
• Хром образует сплавы и со своими собратьями по группе – молибденом и вольфрамом. Их используют для покрытия деталей, где требуется особенно высокая износостойкость в условиях высокой температуры.

Достоинства и недостатки хрома описаны ниже.

Хром как металл (фото)

Достоинства

Как и всякое другое вещество, металл обладает своими достоинствами и недостатками, а их совокупность определяет его использование.

• Безусловный плюс вещества – коррозийная стойкость и возможность передавать это свойство своим сплавам. Хромовые нержавеющие стали имеют огромное значение, поскольку разом решили целый ряд проблем при строительстве судов, подводных лодок, каркасов зданий и так далее.
• Устойчивость к коррозии обеспечивают другим способом – покрывают предмет тонким слоем металла. Популярность этого метода очень велика, на сегодня существует не меньше десятка способов хромирования в разных условиях и для получения разного результата.
• Хромовый слой создает яркий зеркальный блеск, так что к хромированию прибегают не только для целей защиты сплава от коррозии, но и для получения эстетичного внешнего вида. Причем современные методы хромирования позволяют создать покрытие на любом материале – не только на металле, но и на пластике, и на керамике.
• Получение жаропрочной стали при добавке хрома тоже стоит отнести к достоинствам вещества. Есть множество областей, где металлические детали должны работать при высоких температурах, а железо само по себе такой стойкостью к нагрузкам при температуре не обладает.
• Из всех тугоплавких веществ он наиболее устойчив к кислотам и основаниям.
• Плюсом вещества можно считать и его распространенность – 0,02% в земной коре, и относительно простой способ добычи и получения. Конечно, он требует энергозатрат, но не сравнить со сложной технологией получения титана, например.

Недостатки

К недостаткам стоит отнести качества, не позволяющие в полной мере использовать все свойства хрома.

• В первую очередь, это сильная зависимость физических, а не только химических свойств от примесей. Даже температуру плавления металла было сложно установить, так как при наличии ничтожной доли азота или углерода показатель заметно менялся.
• Несмотря на более высокую электропроводность по сравнению с алюминием, хром гораздо меньше используется в электротехнике и стоимость его довольно высока. Изготовить из него что-либо намного труднее: высокая температура плавления и твердость заметно ограничивают применение.
• Чистый хром является ковким металлом, содержащий примеси становится очень твердым. Чтобы получить хотя бы относительно пластичный металл, его приходится подвергать дополнительной обработке, что, конечно, увеличивает расходы на изготовление.

История открытия

История нового металла начинается с исследования Ломоносовым крокоита (красной свинцовой руды). Его изучали русские химики, затем минерал попал в Европу. Тут в него просто влюбился Вокелен.

Кристаллы хрома различной формы

Он писал о крокоите:

«чудесный красный цвет, прозрачность и кристаллическая структура … побуждали химиков интересоваться его природой».

Вокелен растворял, возгонял, выпаривал — и получал разноцветные соли. Потому и новый металл назвал хром от (греческого сhrome) — цвет.

Нахождение в природе

Хром является довольно распространённым элементом в земной коре (0,012 % по массе). Основные соединения хрома — хромистый железняк (хромит) FeO·Cr2O3. Вторым по значимости минералом является крокоит PbCrO4.

Месторождения и добыча

Первое и второе место по запасам у ЮАР и Казахстана.

Россия третья. Ее месторождения – на Среднем Урале.

Хромовые руды есть также у Зимбабве, Турции, Армении, Индии, на Филиппинах, Мадагаскаре.

Добыча ведется традиционными способами – карьерным либо шахтным.

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

Характерные степени окисления

Для хрома характерны степени окисления +2, +3 и +6 (см. табл.). Практически все соединения хрома окрашены.

Степень окисления Оксид Гидроксид Характер Преобладающие формы в растворах Примечания

+2	CrO (чёрный)	Cr(OH)2 (жёлтый)	Основный	Cr2+ (соли голубого цвета)	Очень сильный восстановитель
+3	Cr2O3 (зелёный)	Cr(OH)3 (серо-зелёный)	Амфотерный	Cr3+ (зелёные или лиловые соли) [Cr(OH)4]− (зелёный)
+4	CrO2	не существует	Несолеобразующий	—	Встречается редко, малохарактерна
+6	CrO3 (красный)	H2CrO4 H2Cr2O7	Кислотный	CrO42− (хроматы, желтые) Cr2O72− (дихроматы, оранжевые)	Переход зависит от рН среды. Сильнейший окислитель, гигроскопичен, очень ядовит.

Простое вещество

Устойчив на воздухе за счёт пассивирования. По этой же причине не реагирует с серной и азотной кислотами. При 2000 °C сгорает с образованием зелёного оксида хрома(III) Cr2O3, обладающего амфотерными свойствами.

Синтезированы соединения хрома с бором (бориды Cr2B, CrB, Cr3B4, CrB2, CrB4 и Cr5B3), с углеродом (карбиды Cr23C6, Cr7C3 и Cr3C2), c кремнием (силициды Cr3Si, Cr5Si3 и CrSi) и азотом (нитриды CrN и Cr2N).

Соединения Cr(+2)

Степени окисления +2 соответствует основный оксид CrO (чёрный). Соли Cr2+ (растворы голубого цвета) получаются при восстановлении солей Cr3+ или дихроматов цинком в кислой среде («водородом в момент выделения»):

[H]
2Cr3+ → Zn,HCl  2Cr2+

Все эти соли Cr2+ — сильные восстановители вплоть до того, что при стоянии вытесняют водород из воды. Кислородом воздуха, особенно в кислой среде, Cr2+ окисляется, в результате чего голубой раствор быстро зеленеет.

Коричневый или жёлтый гидроксид Cr(OH)2 осаждается при добавлении щелочей к растворам солей хрома(II).

Синтезированы дигалогениды хрома CrF2, CrCl2, CrBr2 и CrI2

Соединения Cr(+3)

Степени окисления +3 соответствует амфотерный оксид Cr2O3 и гидроксид Cr(OH)3 (оба — зелёного цвета). Это — наиболее устойчивая степень окисления хрома. Соединения хрома в этой степени окисления имеют цвет от грязно-лилового (в водных растворах ион Cr3+ существует в виде аквакомплексов [Cr(H2O)6]3+) до зелёного (в координационной сфере присутствуют анионы).

Cr3+ склонен к образованию двойных сульфатов вида MICr(SO4)2·12H2O (квасцов)

Гидроксид хрома (III) получают, действуя аммиаком на растворы солей хрома (III):

Cr3+ + 3NH3 + 3H2O → Cr(OH)3↓ + 3NH4+

Можно использовать растворы щелочей, но в их избытке образуется растворимый гидроксокомплекс:

Cr3+ + 3OH− → Cr(OH)3↓Cr(OH)3 + 3OH− → [Cr(OH)6]3−

Сплавляя Cr2O3 со щелочами, получают хромиты:

Cr2O3 + 2NaOH → 2NaCrO2 + H2O

Непрокаленный оксид хрома(III) растворяется в щелочных растворах и в кислотах:

Cr2O3 + 6HCl → 2CrCl3 + 3H2O

При окислении соединений хрома(III) в щелочной среде образуются соединения хрома(VI):

2Na3[Cr(OH)6] + 3H2O2 → 2Na2CrO4 + 2NaOH + 8H2O

То же самое происходит при сплавлении оксида хрома (III) со щелочью и окислителями, или со щелочью на воздухе (расплав при этом приобретает жёлтую окраску):

2Cr2O3 + 8NaOH + 3O2 → 4Na2CrO4 + 4H2O

Соединения хрома (+4)

При осторожном разложении оксида хрома(VI) CrO3 в гидротермальных условиях получают оксид хрома(IV) CrO2, который является ферромагнетиком и обладает металлической проводимостью.

Среди тетрагалогенидов хрома устойчив CrF4, тетрахлорид хрома CrCl4 существует только в парах.

Соединения хрома (+6)

Степени окисления +6 соответствует кислотный оксид хрома (VI) CrO3 и целый ряд кислот, между которыми существует равновесие. Простейшие из них — хромовая H2CrO4 и двухромовая H2Cr2O7. Они образуют два ряда солей: желтые хроматы и оранжевые дихроматы соответственно.

Оксид хрома (VI) CrO3 образуется при взаимодействии концентрированной серной кислоты с растворами дихроматов. Типичный кислотный оксид, при взаимодействии с водой он образует сильные неустойчивые хромовые кислоты: хромовую H2CrO4, дихромовую H2Cr2O7 и другие изополикислоты с общей формулой H2CrnO3n+1. Увеличение степени полимеризации происходит с уменьшением рН, то есть увеличением кислотности:

2CrO42− + 2H+ → Cr2O72− + H2O

Но если к оранжевому раствору K2Cr2O7 прилить раствор щёлочи, как окраска вновь переходит в жёлтую, так как снова образуется хромат K2CrO4:

Cr2O72− + 2OH− → 2CrO42− + H2O

До высокой степени полимеризации, как это происходит у вольфрама и молибдена, не доходит, так как полихромовая кислота распадается на оксид хрома(VI) и воду:

H2CrnO3n+1 → H2O + nCrO3

Растворимость хроматов примерно соответствует растворимости сульфатов. В частности, жёлтый хромат бария BaCrO4 выпадает при добавлении солей бария как к растворам хроматов, так и к растворам дихроматов:

Ba2+ + CrO42− → BaCrO4↓2Ba2+ + Cr2O72− + H2O → 2BaCrO4↓ + 2H+

Образование кроваво-красного малорастворимого хромата серебра используют для обнаружения серебра в сплавах при помощи пробирной кислоты.

Известны пентафторид хрома CrF5 и малоустойчивый гексафторид хрома CrF6. Также получены летучие оксигалогениды хрома CrO2F2 и CrO2Cl2 (хромилхлорид).

Соединения хрома(VI) — сильные окислители, например:

K2Cr2O7 + 14HCl → 2CrCl3 + 2KCl + 3Cl2↑ + 7H2O

Добавление к дихроматам перекиси водорода, серной кислоты и органического растворителя (эфира) приводит к образованию синего монопероксида хрома(VI) CrO5 (CrO(O2)2), который экстрагируется в органический слой; данная реакция используется как аналитическая.

Марки хрома и сплавов

Для нужд промышленности используется как чистый металл с большим содержанием Cr, так и его сплав с железом — феррохром. Ниже перечислены марки чистого Cr.

• Х99Н1, Х99Н2, Х99Н4, Х99Н5 — хром с содержанием Cr не менее 99% и примесью N; поставляется в виде кусков и частиц.
• ЭРХ-0, ЭРХ-1, ЭРХ-2 — хром высокой чистоты с минимальным содержанием Cr 99,99%, 99,95% и 99,95% соответственно; производится в форме чешуек или порошка.
• ПХ-1, ПХ-2 — металлический хром в виде порошка с 99,12% и 98,8% Cr соответственно.

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.

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.

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,

Предостережение

Опасность представляет чистый металл. Особенно попадание его пыли в дыхательную систему.

Это провоцирует онкологию, раздражение кожи.

По стандартам РФ, предельно допустимая концентрация хрома – 1,5 мкг на кубометр.

Люди, работающие на металлургических предприятиях, пользуются респираторами, другими средствами защиты.

Хромовая «пудра» самовоспламеняется на воздухе.

Ваша оценка?