Хром металл или неметалл

Обновлено: 02.07.2024

Кодификатор ЕГЭ. Раздел 1.2.3. Характеристика переходных элементов (меди, цинка, хрома, железа) по их положению в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева и особенностям строения их атомов.

У атомов переходных элементов (меди, цинка, хрома и железа) происходит заполнение энергетического d-подуровня.

Рассмотрим строение электронной оболочки этих элементов. У атомов цинка и железа заполнение электронной оболочки происходит согласно энергетическому ряду орбиталей (подуровней), который рассмотрен в статье Строение атома. Электронная конфигурация атома железа:

+26Fe [Ar]3d 6 4s 2 [Ar] 4s

У атома цинка на происходит полное заполнение 3d-подуровня:

+30Zn [Ar]3d 10 4s 2 [Ar] 4s

У атомов хрома и меди наблюдается « проскок» или « провал» электрона, когда один электрон переходит с более энергетически выгодного 4s-подуровня на менее выгодный 3d-подуровень. Этот переход обусловлен тем, что в результате образуются более устойчивые электронные конфигурации (3d 5 у атома хрома и 3d 10 у атома меди). Дело в том, что энергетически более выгодно, когда d-орбиталь заполнена наполовину или полностью.

Мы используем, конечно же, реальную электронную конфигурацию меди и хрома, теоретическая будет неверной.

Обратите внимание! У всех 3d-элементов внешним энергетическим уровнем считается четвертый уровень и 4s-подуровень. При образовании катионов атомы металлов отдают электроны с внешнего энергетического уровня.

Атом	Электронная конфигурация	Характерные валентности	Число электронов на внешнем энергетическом уровне	Характерные степени окисления
Хром	[Ar]3d 5 4s 1	II, III. VI	1	+2, +3, +6
Железо	[Ar]3d 6 4s 2	II, III. VI	2	+2, +3, +6
Медь	[Ar]3d 10 4s 1	I, II	1	+1, +2
Цинк	[Ar]3d 10 4s 2	II	2	+2

Рассмотрим характеристики хрома, железа, меди и цинка:

Свойства соединений железа, меди, цинка и хрома.

Для хрома характерны степени окисления +2, +3 и +6. Оксид и гидроксид хрома (II) (CrO и Cr(OH)₂) проявляют основные свойства. Степени окисления +3 соответствуют амфотерные оксид и гидроксид: Cr₂O₃ и Cr(OH)₃ соответственно. Соединения хрома +6 проявляют сильные кислотные свойства: оксид CrO₃ и сразу две сильных кислоты: хромовая H₂CrO₄ и дихромовая H₂Cr₂O₇. Соединения хрома (II) проявляют сильные восстановительные свойства, соединения хрома (VI) проявляют только сильные окислительные свойства.

Характерные степени окисления железа : +2 и +3. Оксид и гидроксид железа (II) — основные (FeO и Fe(OH)₂), а соединения железа (III) проявляют амфотерные свойства (Cr₂O₃ и Cr(OH)₃ соответственно) с преобладанием основных. Соединения железа (II) проявляют также восстановительные свойства.

Для меди характерны степени окисления +1 и +2. Оксид меди (I) CuO и гидроксид меди (I) CuOH — основные. Оксид и гидроксид меди (II) проявляют амфотерные свойства с преобладанием основных: CuO и Cu(OH)₂.

Характерная степень окисления цинка +2. Соединения цинка (II) проявляют амфотерные свойства: ZnO и Zn(OH)₂.

Хром металл или неметалл

Кристаллы (99,999%) хрома различной формы, полученные разложением йодида хрома.

Хром — твёрдый металл голубовато-белого цвета. Хром иногда относят к чёрным металлам. Этот металл способен окрашивать соединения в разные цвета, потому и был назван «хром», что означает «краска». Хром – микроэлемент, необходимый для нормального развития и функционирования человеческого организма. Важнейшая его биологическая роль состоит в регуляции углеводного обмена и уровня глюкозы в крови.

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

Кристаллическая структура хрома

В зависимости от типов химической связи – как и все металлы хром имеет металлический тип кристаллической решетки, то есть в узлах решетки находятся атому металла.
В зависимости от пространственной симметрии – кубическая, объемно-центрированная а = 0,28839 нм. Особенностью хрома является резкое изменение его физических свойств при температуре около 37°С. Кристаллическая решетка металла состоит из его ионов и подвижных электронов. Аналогично атом хрома в основном состоянии имеет электронную конфигурацию. При 1830 °С возможно превращение в модификацию с гранецентрированной решеткой, а = 3,69Å.

СВОЙСТВА

Хром имеет твердость по шкале Мооса 9, один из самых твердых чистых металлов (уступает только иридию, бериллию, вольфраму и урану). Очень чистый хром достаточно хорошо поддаётся механической обработке. 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. При нагревании реагирует со многими неметаллами, часто образуя соединения нестехиометрического состава карбиды, бориды, силициды, нитриды и др. Хром образует многочисленные соединения в различных степенях окисления, в основном +2, +3, +6. Хром обладает всеми характерными для металлов свойствами – хорошо проводит тепло, электрический ток, имеет присущий большинству металлов блеск. Является антиферромагнетиком и парамагнетиком, то есть, при температуре 39 °C переходит из парамагнитного состояния в антиферромагнитное (точка Нееля).

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

Самые большие месторождения хрома находятся в ЮАР (1 место в мире), Казахстане, России, Зимбабве, Мадагаскаре. Также есть месторождения на территории Турции, Индии, Армении, Бразилии, на Филиппинах.nГлавные месторождения хромовых руд в РФ известны на Урале (Донские и Сарановское). Разведанные запасы в Казахстане составляют свыше 350 миллионов тонн (2 место в мире)Хром встречается в природе в основном в виде хромистого железняка Fe(CrO₂)₂ (хромит железа). Из него получают феррохром восстановлением в электропечах коксом (углеродом). Чтобы получить чистый хром, реакцию ведут следующим образом:
1) сплавляют хромит железа с карбонатом натрия (кальцинированная сода) на воздухе;
2) растворяют хромат натрия и отделяют его от оксида железа;
3) переводят хромат в дихромат, подкисляя раствор и выкристаллизовывая дихромат;
4) получают чистый оксид хрома восстановлением дихромата натрия углём;
5) с помощью алюминотермии получают металлический хром;
6) с помощью электролиза получают электролитический хром из раствора хромового ангидрида в воде, содержащего добавку серной кислоты.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

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).
Различают три основных минерала хрома: магнохромит (Mg, Fe)Cr₂O₄, хромпикотит (Mg, Fe)(Cr, Al)₂O₄ и алюмохромит (Fe, Mg)(Cr, Al)₂O₄. По внешнему виду они неразличимы, и их неточно называют «хромиты».

ПРИМЕНЕНИЕ

Хром — важный компонент во многих легированных сталях (в частности, нержавеющих), а также и в ряде других сплавов. Добавка хрома существенно повышает твердость и коррозийную стойкость сплавов. 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; PbCrO₄, ZnCrO₄, SrCrO₄ – как художественные краски. Из смеси хромита и магнезита изготовляют хромомагнезитовые огнеупорные изделия.
Используется в качестве износоустойчивых и красивых гальванических покрытий (хромирование).
Хром применяется для производства сплавов: хром-30 и хром-90, незаменимых для производства сопел мощных плазмотронов и в авиакосмической промышленности.

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 шести искусственных радиоактивных изотопов наиболее важен 51 Cr (период полураспада T₁_/2 = 27,8 сут), который применяется как изотопный индикатор (См. Изотопные индикаторы).

Историческая справка. Х. открыт в 1797 Л. Н. Вокленом в минерале крокоите — природном хромате свинца PbCrO₄. Название Х. получил от греческого слова chroma — цвет, краска (из-за разнообразия окраски своих соединений). Независимо от Воклена Х. был открыт в крокоите в 1798 немецким учёным М. Г. Клапротом.

Распространение в природе. Среднее содержание Х. в земной коре (кларк) 8,3․10 -3 %. Этот элемент, вероятно, более характерен для мантии Земли (См. Мантия Земли), т.к. ультраосновные породы, которые, как полагают, ближе всего по составу к мантии Земли, обогащены Х. (2․10 -1 %). Х. образует массивные и вкрапленные руды в ультраосновных горных породах; с ними связано образование крупнейших месторождений Х. (см. Хромовые руды). В основных породах содержание Х. достигает лишь 2․10 -2 %, в кислых — 2,5․10 -3 %, в осадочных породах (песчаниках) — 3,5․10 -3 %, глинистых сланцах — 9․10 -3 %. Х. — сравнительно слабый водный мигрант; содержание Х. в морской воде 0,00005 мг/л.

В целом Х. — металл глубинных зон Земли; каменные метеориты (аналоги мантии) тоже обогащены Х. (2,7․10 -1 %). Известно свыше 20 минералов Х. Промышленное значение имеют только Хромшпинелиды (до 54% Cr); кроме того, Х. содержится в ряде др. минералов, которые нередко сопровождают хромовые руды, но сами не представляют практической ценности (Уваровит, волконскоит, кемерит, фуксит).

Физические и химические свойства. Х. — твёрдый, тяжёлый, тугоплавкий металл. Чистый Х. пластичен. Кристаллизуется в объёмноцентрированной решётке, а = 2 885 Å (20 °С); при Хром 1830 °С возможно превращение в модификацию с гранецентрированной решёткой, а = 3,69 Å.

Атомный радиус 1,27 Å; ионные радиусы Cr 2+ 0,83 Å, Cr 3+ 0,64 Å, Cr 6+ 0,52 Å Плотность 7,19 г/см 3 ; t_пл 1890 °С; t_кип 2480 °С. Удельная теплоёмкость 0,461 кдж/(кг․К.) [0,11 кал/(г․°С)] (25°С); термический коэффициент линейного расширения 8,24․10 -6 (при 20 °С); коэффициент теплопроводности 67 вм/(м․К) [0,16 кал/(см․сек․°С)] (20 °С); удельное электросопротивление 0,414 мком․м (20°С); термический коэффициент электросопротивления в интервале 20—600 °С составляет 3,01․10 -3 . Х. антиферромагнитен, удельная магнитная восприимчивость 3,6․10 -6 . Твёрдость высокочистого Х. по Бринеллю 7—9 Мн/м 2 (70—90 кгс/см 2 ).

Внешняя электронная конфигурация атома Х. 3d 5 4s 1 . В соединениях обычно проявляет степени окисления +2, +3, +6, среди них наиболее устойчивы Cr 3+ ; известны отдельные соединения, в которых Х. имеет степени окисления +1, +4, +5. Х. химически малоактивен. При обычных условиях устойчив к кислороду и влаге, но соединяется с фтором, образуя CrF₃. Выше 600 °С взаимодействует с парами воды, давая Cr₂O₃; азотом — Cr₂N, CrN; углеродом — Cr₂₃C₆, Cr₇C₃, Cr₃C₂; серой — Cr₂S₃. При сплавлении с бором образует борид CrB, с кремнием — силициды Cr₃Si, Cr₂Si₃, CrSi₂. Со многими металлами Х. даёт сплавы (см. Хромовые сплавы). Взаимодействие с кислородом протекает сначала довольно активно, затем резко замедляется благодаря образованию на поверхности металла окисной плёнки. При 1200 °С плёнка разрушается и окисление снова идёт быстро. Х. загорается в кислороде при 2000 °С с образованием темно-зелёной окиси Х. Cr₂O₃. Помимо окиси, известны др. соединения с кислородом, например CrO, CrO₃, получаемые косвенным путём (подробнее см. Хрома окислы). Х. легко реагирует с разбавленными растворами соляной и серной кислот с образованием хлорида и сульфата Х. и выделением водорода; царская водка и азотная кислота пассивируют Х.

С увеличением степени окисления возрастают кислотные и окислительные свойства Х. Производные Cr2 + — очень сильные восстановители. Ион Cr 2+ образуется на первой стадии растворения Х. в кислотах или при восстановлении Cr 3+ в кислом растворе цинком. Гидрат закиси Cr (OH)₂ при обезвоживании переходит в CrO₄ 2- . Соединения Cr 3+ устойчивы на воздухе. Могут быть и восстановителями и окислителями. Cr 3+ можно восстановить в кислом растворе цинком до Cr 2+ или окислить в щелочном растворе до CrO₄ 2- бромом и др. окислителями. Гидроокись Cr (OH)₃ (вернее Cr₂O₃․nH₂O — амфотерное соединение, образующее соли с катионом Cr 3+ или соли хромистой кислоты HCrO₂ — хромиты (например, KCrO₂, NaCrO₂). Соединения Cr 6+ : хромовый ангидрид CrO₃, Хромовые кислоты и их соли, среди которых наиболее важны хромоты (См. Хромота перемежающаяся) и Дихроматы (см. также Хромпик) — сильные окислители. Х. образует большое число солей с кислородсодержащими кислотами. Известны комплексные соединения Х.; особенно многочисленны комплексные соединения Cr 3+ , в которых Х. имеет координационное число 6. Существует значительное число перекисных соединений Х.

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

Образующийся хромат калия K₂CrO₄ выщелачивают горячей водой и действием H₂SO₄ превращают его в дихромат K₂Cr₂O₄. Далее действием концентрированного раствора H₂SO₄ на K₂Cr₂O₇ получают хромовый ангидрид CrO₃ или нагреванием K₂Cr₂O₇ с серой — окись Х. Cr₂O₃.

Наиболее чистый Х. в промышленных условиях получают либо электролизом концентрированных водных растворов CrO₃ или Cr₂O₃, содержащих H₂SO₄, либо электролизом сульфата Х. Cr₂(SO₄)₃. При этом Х. выделяется на катоде из алюминия или нержавеющей стали. Полная очистка от примесей достигается обработкой Х. особо чистым водородом при высокой температуре (1500—1700 °С).

Возможно также получение чистого Х. электролизом расплавов CrF₃ или CrCl₃ в смеси с фторидами натрия, калия, кальция при температуре около 900 °С в атмосфере аргона.

В небольших количествах Х. получают восстановлением Cr₂O₃ алюминием или кремнием. При алюминотермическом способе предварительно подогретую шихту из Cr₂O₃ и порошка или стружек Al с добавками окислителя загружают в тигель, где реакцию возбуждают поджиганием смеси Na₂O₂ и Al до тех пор, пока тигель заполнится Х. и шлаком. Силикотермически Х. выплавляют в дуговых печах. Чистота получаемого Х. определяется содержанием примесей в Cr₃O₃ и в Al или Si, используемых для восстановления.

Применение. Использование Х. основано на его жаропрочности, твёрдости и устойчивости против коррозии. Больше всего Х. применяют для выплавки хромистых сталей (см. Хромаль, Хромель, Хромансиль). Алюмино- и силикотермический Х. используют для выплавки Нихрома, Нимоника, других никелевых сплавов (См. Никелевые сплавы) и Стеллита.

Значительное количество Х. идёт на декоративные коррозионно-стойкие покрытия (см. Хромирование). Широкое применение получил порошковый Х. в производстве металлокерамических изделий и материалов для сварочных электродов. Х. в виде иона Cr 3+ — примесь в Рубине, который используется как драгоценный камень и лазерный материал (См. Лазерные материалы). Соединениями Х. протравливают ткани при крашении. Некоторые соли Х. используются как составная часть дубильных растворов в кожевенной промышленности; PbCrO₄, ZnCrO₄, SrCrO₄ — как художественные краски. Из смеси хромита и магнезита изготовляют Хромомагнезитовые огнеупорные изделия.

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

Отравлениях, 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 Х. зависит от их химической структуры: дихроматы токсичнее хроматов, соединения Cr (VI) токсичнее соединений Cr (II), Cr (lll). 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 Х. При длительном контакте с соединениями Х. развиваются признаки хронического отравления: головная боль, слабость, диспепсия, потеря в весе и др. Нарушаются функции желудка, печени и поджелудочной железы. Возможны бронхит, бронхиальная астма, диффузный пневмосклероз. При воздействии Х. на кожу могут развиться дерматит, экзема. По некоторым данным, соединения Х., преимущественно Cr (lll), обладают канцерогенным действием. Профилактика отравлений: периодические медицинские осмотры с участием отоларинголога; при гальванических процессах — местная вентиляция в виде бортовых отсосов у ванн, использование перчаток, защитных мазей; при наличии пыли, содержащей Х., применяют респираторы, общие средства пылеподавления и пылеулавливания.

Лит.: Салли А. Г., Брэндз Э. А., Хром, 2 изд., М., 1971; Некрасов Б. В., Основы общей химии, М., 1973; Ахметов Н. С., Неорганическая химия, 2 изд., М., 1975; Реми Г., Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 1—2, М., 1972—74; Коттон Ф., Уилкинсон Дж., Современная неорганическая химия, пер. с англ., ч. 3, М., 1969; Грушко Я. М., Соединения хрома и профилактика отравлений ими, М., 1964; Bowen Н. J. М., Trace elements in biochemistry, L. — N. Y., 1966.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .

Хром

Хром — элемент побочной подгруппы 6-й группы 4-го периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 24. Обозначается символом Cr (лат. Chromium ). Простое вещество хром — твёрдый металл голубовато-белого цвета. Хром иногда относят к чёрным металлам.

Название, символ, номер	Хром / Chromium (Cr), 24
Атомная масса (молярная масса)	51,9961(6) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Ar] 3d 5 4s 1
Радиус атома	130 пм
Ковалентный радиус	118 пм
Радиус иона	(+6e)52 (+3e)63 пм
Электроотрицательность	1,66 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	−0,74
Степени окисления	6, 3, 2, 0
Энергия ионизации (первый электрон)	652,4 (6,76) кДж/моль (эВ)
Плотность (при н. у.)	7,19 г/см³
Температура плавления	2130 K
Температура кипения	2945 K
Уд. теплота плавления	21 кДж/моль
Уд. теплота испарения	342 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	23,3 Дж/(K·моль)
Молярный объём	7,23 см³/моль
Структура решётки	кубическая объёмноцентрированая
Параметры решётки	2,885 Å
Температура Дебая	460 K
Теплопроводность	(300 K) 93,9 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-47-3

Содержание

1 История
- 1.1 Происхождение названия
- 1.2 История
- 2.1 Месторождения
- 5.1 Изотопы
- 6.1 Характерные степени окисления
- 6.2 Простое вещество
- 6.3 Соединения Cr(+2)
- 6.4 Соединения Cr(+3)
- 6.5 Соединения хрома (+4)
- 6.6 Соединения хрома (+6)
История

Происхождение названия

Название элемент получил от греч. χρῶμα — цвет, краска — из-за разнообразия окраски своих соединений.

История

Открыт на Среднем Урале, в Березовском золоторудном месторождении. Впервые упоминается в труде М. В. Ломоносова «Первые основания металлургии» (1763 год), как красная свинцовая руда, PbCrO₄. Современное название — крокоит. В 1797 году французский химик Л. Н. Воклен выделил из него новый тугоплавкий металл (скорее всего, Воклен получил карбид хрома).

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

Самые большие месторождения хрома находятся в ЮАР (1-е место в мире), Казахстане, России, Зимбабве, Мадагаскаре. Также есть месторождения на территории Турции, Индии, Армении, Бразилии, на Филиппинах.

Главные месторождения хромовых руд в РФ известны на Урале (Донские и Сарановское).

Разведанные запасы в Казахстане составляют свыше 350 миллионов тонн (2-е место в мире).

Геохимия и минералогия

Среднее содержание хрома в различных изверженных породах резко непостоянно. В ультраосновных породах (перидотитах) оно достигает 2 кг/т, в основных породах (базальтах и др.) — 200 г/т, а в гранитах десятки г/т. Кларк хрома в земной коре 83 г/т. Он является типичным литофильным элементом и почти весь заключен в минералах типа хромшпинелидов. Хром вместе с железом, титаном, никелем, ванадием и марганцем составляют одно геохимическое семейство.

Различают три основных минерала хрома: магнохромит (Mg, Fe)Cr₂O₄, хромпикотит (Mg, Fe)(Cr, Al)₂O₄ и алюмохромит (Fe, Mg)(Cr, Al)₂O₄. По внешнему виду они неразличимы, и их неточно называют «хромиты». Состав их изменчив:
- Cr₂O₃ 18—62 %,
- FeO 1—18 %,
- MgO 5—16 %,
- Al₂O₃ 0,2 — 0,4 (до 33 %),
- Fe₂O₃ 2 — 30 %,
- примеси TiO₂ до 2 %,
- V₂O₅ до 0,2 %,
- ZnO до 5 %,
- MnO до 1 %; присутствуют также Co, Ni и др.
Собственно, хромит, то есть FeCr₂O₄ сравнительно редок. Помимо различных хромитов, хром входит в состав ряда других минералов — хромовой слюды (фуксита), хромового хлорита, хромвезувиана, хромдиопсида, хромтурмалина, хромового граната (уваровита) и др., которые нередко сопровождают руды, но сами промышленного значения не имеют. В экзогенных условиях хром, как и железо, мигрирует в виде взвесей и может накапливаться в глинах. Наиболее подвижной формой являются хроматы.

Получение

Хром встречается в природе в основном в виде хромистого железняка Fe(CrO₂)₂ (хромит железа). Из него получают феррохром восстановлением в электропечах коксом (углеродом):

Fe(CrO2)2 + 4C → Fe + 2Cr + 4CO

Феррохром применяют для производства легированных сталей.

Чтобы получить чистый хром, реакцию ведут следующим образом:

1) сплавляют хромит железа с карбонатом натрия (кальцинированная сода) на воздухе:

4Fe(CrO2)2 + 8Na2CO3 + 7O2 → 8Na2CrO4 + 2Fe2O3 + 8CO2

2) растворяют хромат натрия и отделяют его от оксида железа;

3) переводят хромат в дихромат, подкисляя раствор и выкристаллизовывая дихромат;

4) получают чистый оксид хрома восстановлением дихромата натрия углём:

Na2Cr27 + 2C → Cr2O3 + Na2CO3 + CO

5) с помощью алюминотермии получают металлический хром:

Cr2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Cr + 130kcal

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 трехвалентного с переходом его в раствор;
- разряд ионов водорода с выделением газообразного водорода;
- разряд ионов, содержащих шестивалентный хром, с осаждением металлического хрома;
Физические свойства

В свободном виде — голубовато-белый металл с кубической объёмноцентрированной решёткой, a = 0,28845 нм. Ниже температуры 38 °C является антиферромагнетиком, выше переходит в парамагнитное состояние (точка Нееля).

Хром имеет твёрдость по шкале Мооса 5, один из самых твёрдых чистых металлов (уступает только иридию, бериллию, вольфраму и урану). Очень чистый хром достаточно хорошо поддаётся механической обработке.

Изотопы

Природный хром состоит из четырех стабильных изотопов ( 50 Cr (изотопная распространённость 4,345 %), 52 Cr (83.789 %), 53 Cr (9.501 %), 54 Cr (2.365 %)).

Химические свойства

Характерные степени окисления

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

КислотныйCrO₄ 2− (хроматы, желтые)

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 Cr 2+ (растворы голубого цвета) получаются при восстановлении солей Cr 3+ или дихроматов цинком в кислой среде («водородом в момент выделения»):

Все эти соли Cr 2+ — сильные восстановители вплоть до того, что при стоянии вытесняют водород из воды. Кислородом воздуха, особенно в кислой среде, Cr 2+ 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 Cr 3+ существует в виде аквакомплексов [Cr(H₂O)₆] 3+ ) до зелёного (в координационной сфере присутствуют анионы).

Cr 3+ склонен к образованию двойных сульфатов вида M I Cr(SO₄)₂·12H₂O (квасцов)

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

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

Сплавляя Cr₂O₃ со щелочами, получают хромиты:

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

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

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

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 H₂Cr_nO_3n+1. Увеличение степени полимеризации происходит с уменьшением рН, то есть увеличением кислотности:

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

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

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:

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:

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.

Хром — важный компонент во многих легированных сталях (в частности, нержавеющих), а также и в ряде других сплавов. Добавка хрома существенно повышает твердость и коррозийную стойкость сплавов.

Используется в качестве износоустойчивых и красивых гальванических покрытий (хромирование).

Хром применяется для производства сплавов: хром-30 и хром-90, незаменимых для производства сопел мощных плазмотронов и в авиакосмической промышленности.

Биологическая роль и физиологическое действие

Хром — один из биогенных элементов, постоянно входит в состав тканей растений и животных. У животных хром участвует в обмене липидов, белков (входит в состав фермента трипсина), углеводов. Снижение содержания хрома в пище и крови приводит к уменьшению скорости роста, увеличению холестерина в крови.

В чистом виде хром довольно токсичен, металлическая пыль хрома раздражает ткани лёгких. Соединения хрома(III) вызывают дерматиты.

Соединения хрома в степени окисления +6 особо токсичны. Практически вся хромовая руда обрабатывается через преобразование в дихромат натрия. В 1985 году было произведено примерно 136 000 тонн шестивалентного хрома. Другими источниками шестивалентного хрома являются триоксид хрома и различные соли — хроматы и дихроматы. Шестивалентный хром используется при производстве нержавеющих сталей, текстильных красок, консервантов для дерева, при хромировании и пр.

Шестивалентный хром является признанным канцерогеном при вдыхании. На многих рабочих местах сотрудники подвержены воздействию шестивалентного хрома, например, при гальваническом хромировании или сварке нержавеющих сталей. В Европейском союзе использование шестивалентного хрома существенно ограничено директивой RoHS.

Шестивалентный хром транспортируется в клетки человеческого организма с помощью сульфатного транспортного механизма благодаря своей близости к сульфатам по структуре и заряду. Трёхвалентный хром, более часто встречающийся, не транспортируется в клетки.

Внутри клетки Cr(VI) восстанавливается до метастабильного пятивалентного хрома (Cr(V)), затем до трехвалентного хрома (Cr(III)). Трехвалентный хром, присоединяясь к протеинам, создает гаптены, которые включают иммунную реакцию. После их появления чувствительность к хрому не пропадает. В этом случае даже контакт с текстильными изделиями, окрашенными хромсодержащими красками или с кожей, обработанной хромом, может вызвать раздражение кожи. Витамин C и другие агенты реагируют с хроматами и образуют Cr(III) внутри клетки.

Продукты шестивалентного хрома являются генотоксичными канцерогенами. Хроническое вдыхание соединений шестивалентного хрома увеличивает риск заболеваний носоглотки, риск рака лёгких. (Лёгкие особенно уязвимы из-за большого количества мелких капилляров). Видимо, механизм генотоксичности запускается пяти- и трёхвалентным хромом.

В США предельно допустимая концентрация шестивалентного хрома в воздухе составляет 5 мкг/м³ (0,005 мг/м³). В России предельно допустимая концентрация хрома (VI) существенно ниже — 1,5 мкг/м³ (0,0015 мг/м³).

Одним из общепризнанных методов избежания шестивалентного хрома является переход от технологий гальванического хромирования к газотермическому и вакуумному напылению.

Основанный на реальных событиях фильм «Эрин Брокович» режиссёра Стивена Содерберга рассказывает о крупном судебном процессе, связанном с загрязнением окружающей среды шестивалентным хромом, в результате которого у многих людей развились серьёзные заболевания.

Фото соединений хрома:

Хром окись пигментная

Паста ГОИ (содержит Окись хрома)

Хром (III) хлорид

Калий двуххромовокислый (бихромат) - Хромпик)

Калий хромовокислый (калий хромат)

Хромовой ангидрид (Хрома (VI) окись

Хром (III) окись

Хром азотнокислый

Хромокалиевые квасцы

Соединения двухвалентного хрома.

Оксид хрома (II) CrO
Гидроксид хрома (II) Cr(OH)₂
Фторид хрома (II) CrF₂
Хлорид хрома (II) CrCl₂
Бромид хрома (II) CrBr₂
Йодид хрома (II) CrI₂
Сульфид хрома (II) CrS
Сульфат хрома (II) CrSO₄

Соединения трехвалентного хрома.

Оксид хрома (III) Cr₂O₃
Гидроксид хрома (III) Cr(OH)₃
Фторид хрома (III) CrF₃
Хлорид хрома (III) CrCl₃
Бромид хрома (III) CrBr₃
Иодид хрома (III) CrI₃
Оксифторид хрома (III) CrOF
Сульфид хрома (III) Cr₂S₃
Сульфат хрома (III) Cr₂(SO₄)₃
Ортофосфат хрома (III) CrPO₄

Соединения четырехвалентного хрома.

Оксид хрома (IV) CrO₂
Фторид хрома (IV) CrF₄
Хлорид хрома (IV) CrCl₄

Читайте также: