Металл хром магнитные свойства. Смотреть что такое "хром" в других словарях

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.

Элемент №24. Один из самых твердых металлов. Обладает высокой химической стойкостью. Один из важнейших металлов, используемых в производстве легированных сталей. Большинство соединений хрома имеет яркую окраску, причем самых разных цветов. За эту особенность элемент и был назван хромом, что в переводе с греческого означает «краска».

Как его нашли

Минерал, содержащий хром, был открыт близ Екатеринбурга в 1766 г. И.Г. Леманном и назван «сибирским красным свинцом». Сейчас этот минерал называется крокоитом. Известен и его состав – РbCrО 4 . А в свое время «сибирский красный свинец» вызвал немало разногласий среди ученых. Тридцать лет спорили о его составе, пока, наконец, в 1797 г. французский химик Луи Никола Воклен не выделил из него металл, который (тоже, кстати, после некоторых споров) назвали хромом.

Воклен обработал крокоит поташем К 2 CO 3: хромат свинца превратился в хромат калия. Затем с помощью соляной кислоты хромат калия был превращен в окись хрома и воду (хромовая кислота существует только в разбавленных растворах). Нагрев зеленый порошок окиси хрома в графитовом тигле с углем, Воклен получил новый тугоплавкий металл.

Парижская академия наук по всей форме засвидетельствовала открытие. Но, скорее всего, Воклен выделил не элементарный хром, а его карбиды. Об этом свидетельствует иглообразная форма полученных Вокленом светлосерых кристаллов.

Название «хром» предложили друзья Воклена, но оно ему не понравилось – металл не отличался особым цветом. Однако друзьям удалось уговорить химика, ссылаясь на то, что из ярко окрашенных соединений хрома можно получать хорошие краски. (Кстати, именно в работах Воклена впервые объяснена изумрудная окраска некоторых природных силикатов бериллия и алюминия; их, как выяснил Воклен, окрашивали примеси соединений хрома.) Так и утвердилось за новым элементом это название.

Между прочим, слог «хром», именно в смысле «окрашенный», входит во многие научные, технические и даже музыкальные термины. Широко известны фотопленки «изопанхром», «панхром» и «ортохром». Слово «хромосома» в переводе с греческого означает «тело, которое окрашивается». Есть «хроматическая» гамма (в музыке) и есть гармоника «хромка».

Где он находится

В земной коре хрома довольно много – 0,02%. Основной минерал, из которого промышленность получает хром, – это хромовая шпинель переменного состава с общей формулой (Mg, Fe) О · (Сr, Al, Fе) 2 O 3 . Хромовая руда носит название хромитов или хромистого железняка (потому, что почти всегда содержит и железо). Залежи хромовых руд есть во многих местах. Наша страна обладает огромными запасами хромитов. Одно из самых больших месторождений находится в Казахстане, в районе Актюбинска; оно открыто в 1936 г. Значительные запасы хромовых руд есть и на Урале.

Хромиты идут большей частью на выплавку феррохрома. Это – один из самых важных ферросплавов*, абсолютно необходимый для массового производства легированных сталей.

* Ферросплавы – сплавы железа с другими элементами, применяемыми главным обрядом для легирования и раскисления стали. Феррохром содержит не менее 60% Cr.

Царская Россия почти не производила ферросплавов. На нескольких доменных печах южных заводов выплавляли низкопроцентные (по легирующему металлу) ферросилиций и ферромарганец. Да еще на реке Сатке, что течет на Южном Урале, в 1910 г. был построен крошечный заводик, выплавлявший мизерные количества ферромарганца и феррохрома.

Молодой Советской стране в первые годы развития приходилось ввозить ферросплавы из-за рубежа. Такая зависимость от капиталистических стран была недопустимой. Уже в 1927...1928 гг. началось сооружение советских ферросплавных заводов. В конце 1930 г. была построена первая крупная ферросплавная печь в Челябинске, а в 1931 г. вступил в строй Челябинский завод – первенец ферросплавной промышленности СССР. В 1933 г. были пущены еще два завода – в Запорожье и Зестафони. Это позволило прекратить ввоз ферросплавов. Всего за несколько лет в Советском Союзе было организовано производство множества видов специальных сталей – шарикоподшипниковой, жароупорной, нержавеющей, автотракторной, быстрорежущей... Во все эти стали входит хром.

На XVII съезде партии нарком тяжелой промышленности Серго Орджоникидзе говорил: «...если бы у нас не было качественных сталей, у нас не было бы автотракторной промышленности. Стоимость расходуемых нами сейчас качественных сталей определяется свыше 400 млн руб. Если бы надо было ввозить, это – 400 млн руб. ежегодно, вы бы, черт побери, в кабалу попали к капиталистам...»

Завод на базе Актюбинского месторождения построен позже, в годы Великой Отечественной войны. Первую плавку феррохрома он дал 20 января 1943 г. В сооружении завода принимали участие трудящиеся города Актюбинска. Стройка была объявлена народной. Феррохром нового завода шел на изготовление металла для танков и пушек, для нужд фронта.

Прошли годы. Сейчас Актюбинский ферросплавный завод – крупнейшее предприятие, выпускающее феррохром всех марок. На заводе выросли высококвалифицированные национальные кадры металлургов. Из года в год завод и хромитовые рудники наращивают мощность, обеспечивая нашу черную металлургию высококачественным феррохромом.

В нашей стране есть уникальное месторождение природнолегированных железных руд, богатых хромом и никелем. Оно находится в оренбургских степях. На базе этого месторождения построен и работает Орско-Халиловский металлургический комбинат. В доменных печах комбината выплавляют природнолегированный чугун, обладающий высокой жароупорностью. Частично его используют в виде литья, но большую часть отправляют на передел в никелевую сталь; хром при выплавке стали из чугуна выгорает.

Большими запасами хромитов располагают Куба, Югославия, многие страны Азии и Африки.

Как его получают

Хромит применяется преимущественно в трех отраслях промышленности: металлургии, химии и производстве огнеупоров, причем металлургия потребляет примерно две трети всего хромита.

Сталь, легированная хромом, обладает повышенной прочностью, стойкостью против коррозии в агрессивных и окислительных средах.

Получение чистого хрома – дорогой и трудоемкий процесс. Поэтому для легирования стали применяют главным образом феррохром, который получают в дуговых электропечах непосредственно из хромита. Восстановителем служит кокс. Содержание окиси хрома в хромите должно быть не ниже 48%, а отношениеCr: Fe не менее 3: 1.

Полученный в электропечи феррохром обычно содержит до 80% хрома и 4...7% углерода (остальное – железо).

Но для легирования многих качественных сталей нужен феррохром, содержащий мало углерода (о причинах этого – ниже, в главе «Хром в сплавах»). Поэтому часть высокоуглеродистого феррохрома подвергают специальной обработке, чтобы снизить содержание углерода в нем до десятых и сотых долей процента.

Из хромита получают и элементарный, металлический хром. Производство технически чистого хрома (97...99%) основано на методе алюминотермии, открытом еще в 1865 г. известным русским химиком Н.Н. Бекетовым. Сущность метода – в восстановлении окислов алюминием, реакция сопровождается значительным выделением тепла.

Но предварительно надо получить чистую окись хрома Сr 2 О 3 . Для этого тонко измельченный хромит смешивают с содой и добавляют к этой смеси известняк или окись железа. Вся масса обжигается, причем образуется хромат натрия:

2Сr 2 О 3 + 4Na 2 CO 3 + 3О 2 → 4Na 2 CrO 4 + 4CO 2 .

Затем хромат натрия выщелачивают из обожженной массы водой; щелок фильтруют, упаривают и обрабатывают кислотой. В результате получается бихромат натрия Na 2 Cr 2 O 7 . Восстанавливая его серой или углеродом при нагревании, получают зеленую окись хрома.

Металлический хром можно получить, если чистую окись хрома смешать с порошком алюминия, нагреть эту смесь в тигле до 500...600°C и поджечь с помощью перекиси бария, Алюминий отнимает у окиси хрома кислород. Эта реакция Сr 2 О 3 + 2Аl → Аl 2 O 3 + 2Сr – основа промышленного (алюминотермического) способа получения хрома, хотя, конечно, заводская технология значительно сложнее. Хром, полученный алюминотермически, содержит алюминия и железа десятые доли процента, а кремния, углерода и серы – сотые доли процента.

Используют также силикотермический способ получения технически чистого хрома. В этом случае хром из окиси восстанавливается кремнием по реакции 2Сr 2 О 3 + 3Si → 3SiO 2 + 4Сr.

Эта реакция происходит в дуговых печах. Для связывания кремнезема в шихту добавляют известняк. Чистота силикотермического хрома примерно такая же, как и алюминотермического, хотя, разумеется, содержание в нем кремния несколько выше, а алюминия несколько ниже. Для получения хрома пытались применить и другие восстановители – углерод, водород, магний. Однако эти способы не получили широкого распространения.

Хром высокой степени чистоты (примерно 99,8%) получают электролитически.

Технически чистый и электролитический хром идет главным образом на производство сложных хромовых сплавов.

Константы и свойства хрома

Атомная масса хрома 51,996. В менделеевской таблице он занимает место в шестой группе. Его ближайшие соседи и аналоги – молибден и вольфрам. Характерно, что соседи хрома, так же как и он сам, широко применяются для легирования сталей.

Температура плавления хрома зависит от его чистоты. Многие исследователи пытались ее определить и получили значения от 1513 до 1920°C. Такой большой «разброс» объясняется прежде всего количеством и составом содержащихся в хроме примесей. Сейчас считают, что хром плавится при температуре около 1875°C. Температура кипения 2199°C. Плотность хрома меньше, чем железа; она равна 7,19.

По химическим свойствам хром близок к молибдену и вольфраму. Высший окисел его CrО 3 – кислотный, это – ангидрид хромовой кислоты Н 2 CrО 4 . Минерал крокоит, с которого мы начинали знакомство с элементом №24, – соль этой кислоты. Кроме хромовой, известна двухромовая кислота H 2 Cr 2 O 7 , в химии широко применяются ее соли – бихроматы. Наиболее распространенный окисел хрома Cr 2 О 3 – амфотерен. А вообще в разных условиях хром может проявлять валентности от 2 до 6. Широко используются только соединения трех- и шестивалентного хрома.

Хром обладает всеми свойствами металла – хорошо проводит тепло и электрический ток, имеет характерный металлический блеск. Главная особенность хрома – его устойчивость к действию кислот и кислорода.

Для тех, кто постоянно имеет дело с хромом, стала притчей во языцех еще одна его особенность: при температуре около 37°C некоторые физические свойства этого металла резко, скачкообразно меняются. При этой температуре – явно выраженный максимум внутреннего трения и минимум модуля упругости. Почти также резко изменяются электросопротивление, коэффициент линейного расширения, термоэлектродвижущая сила.

Объяснить эту аномалию ученые пока не могут.

Известны четыре природных изотопа хрома. Их массовые числа 50, 52, 53 и 54. Доля самого распространенного изотопа 52 Cr – около 84%

Хром в сплавах

Вероятно, было бы противоестественным, если бы рассказ о применении хрома и его соединений начался не со стали, а с чего-либо иного. Хром – один из самых важных легирующих элементов, применяемых в черной металлургии. Добавка хрома к обычным сталям (до 5% Сr) улучшает их физические свойства и делает металл более восприимчивым к термической обработке. Хромом легируют пружинные, рессорные, инструментальные, штамповые и шарикоподшипниковые стали. В них (кроме шарикоподшипниковых сталей) хром присутствует вместе с марганцем, молибденом, никелем, ванадием. А шарикоподшипниковые стали содержат лишь хром (около 1,5%) и углерод (около 1%). Последний образует с хромом карбиды исключительной твердости: Cr 3 С. Cr 7 С 3 и Cr 23 С 6 . Они придают шарикоподшипниковой стали высокую износостойкость.

Если содержание хрома в стали повысить до 10% и более, сталь становится более стойкой к окислению и коррозии, но здесь вступает в силу фактор, который можно назвать углеродным ограничением. Способность углерода связывать большие количества хрома приводит к обеднению стали этим элементом. Поэтому металлурги оказываются перед дилеммой: хочешь получить коррозионную стойкость – уменьшай содержание углерода и теряй на износостойкости и твердости.

Нержавеющая сталь самой распространенной марки содержит 18% хрома и 8% никеля. Содержание углерода в ней очень невелико – до 0,1%. Нержавеющие стали хорошо противостоят коррозии и окислению, сохраняют прочность при высоких температурах. Из листов такой стали сделана скульптурная группа В.И. Мухиной «Рабочий и колхозница», которая установлена в Москве у Северного входа на Выставку достижений народного хозяйства. Нержавеющие стали широко используются в химической и нефтяной промышленности.

Высокохромистые стали (содержащие 25...30% Cr) обладают особой стойкостью к окислению при высокой температуре. Их применяют для изготовления деталей нагревательных печей.

Теперь несколько слов о сплавах на основе хрома. Это сплавы, содержащие более 50% хрома. Они обладают весьма высокой жаропрочностью. Однако у них есть очень большой недостаток, сводящий на нет все преимущества: эти сплавы очень чувствительны к поверхностным дефектам: достаточно появиться царапине, микротрещине, и изделие быстро разрушится под нагрузкой. У большинства сплавов подобные недостатки устраняются термомеханической обработкой, но сплавы на основе хрома такой обработке не поддаются. Кроме того, они чересчур хрупки при комнатной температуре, что также ограничивает возможности их применения.

Более ценны сплавы хрома с никелем (в них часто вводятся как легирующие добавки и другие элементы). Самые распространенные сплавы этой группы – нихромы содержат до 20% хрома (остальное никель) и применяются для изготовления нагревательных элементов. У нихромов – большое для металлов электросопротивление, при пропускании тока они сильно нагреваются.

Добавка к хромоникелевым сплавам молибдена и кобальта позволяет получить материалы, обладающие высокой жаропрочностью, способностью выносить большие нагрузки при 650...900°C. Из этих сплавов делают, например, лопатки газовых турбин.

Жаропрочностью, обладают также хромокобальтовые сплавы, содержащие 25...30% хрома. Промышленность использует хром и как материал для антикоррозионных и декоративных покрытий.

...и в других соединениях

Главная хромовая руда – хромит используется и в производстве огнеупоров. Магнезитохромитовые кирпичи химически пассивны и термостойки, они выдерживают многократные резкие изменения температур. Поэтому их используют в конструкциях сводов мартеновских печей. Стойкость магнезитохромитовых сводов в 2...3 раза больше, чем динасовых*.

* Динас – кислый огнеупорный кирпич, содержащий не меньше 93% кремнезема. Огнеупорность динаса 1680...1730°C. В вышедшем в 1952 г. 14-м томе Большой Советской Энциклопедии (2-е издание) динас назван незаменимым материалом для сводов мартеновских печей. Это утверждение следует считать устаревшим, хотя динас и сейчас широко применяется в качество огнеупора.

Химики получают из хромита в основном бихроматы калия и натрия К 2 Cr 2 O 7 и Na 2 Cr 2 O 7 .

Бпхроматы и хромовые квасцы KCr(SO 4); применяются для дубления кожи. Отсюда и идет название «хромовые» сапоги. Кожа. дубленная хромовыми соединениями, обладает красивым блеском, прочна и удобна в использовании.

Из хромата свинца РbCrО 4 . изготовляют различные красители. Раствором бихромата натрия очищают и травят поверхность стальной проволоки перед цинкованием, а также осветляют латунь. Хромит и другие соединения хрома широко применяются в качестве красителей керамической глазури и стекла.

Наконец, из бихромата натрия получают хромовую кислоту, которая используется в качестве электролита при хромировании металлических деталей.

Что же дальше?

Хром и в будущем сохранит свое значение как легирующая добавка к стали и как материал для металлопокрытий; не утратят ценности и соединения хрома, используемые в химической и огнеупорной промышленности.

Гораздо сложнее обстоит дело со сплавами на основе хрома. Большая хрупкость и исключительная сложность механической обработки пока не позволяют широко применять эти сплавы, хотя по жаропрочности и износостойкости они могут потягаться с любыми материалами. В последние годы наметилось новое направление в производстве хромсодержащих сплавов – легирование их азотом. Этот обычно вредный в металлургии газ образует с хромом прочные соединения – нитриды. Азотирование хромистых сталей повышает их износостойкость, позволяет уменьшить содержание дефицитного никеля в «нержавейках». Быть может, этот метод позволит преодолеть и «необрабатываемость» сплавов на основе хрома? Или здесь придут на помощь другие, пока не известные методы? Так или иначе, надо думать, что в будущем эти сплавы займут достойное место среди нужных технике материалов.

Три или шесть?

Поскольку хром хорошо сопротивляется окислению на воздухе и действию кислот, его часто наносят на поверхность других материалов, чтобы защитить их от коррозии. Метод нанесения давно известен – это электролитическое осаждение. Однако на первых порах при разработке процесса электролитического хромирования возникли неожиданные трудности.

Известно, что обычные гальванические покрытия наносят с помощью электролитов, в которых ион наносимого элемента имеет положительный заряд. С хромом так не получалось: покрытия оказывались пористыми, легко отслаивались.

Почти три четверти века работали ученые над проблемой хромирования и только в 20-х годах нашего века нашли, что электролит хромированной ванны должен содержать не трехвалентный хром, а хромовую кислоту, т.е. шестивалентный хром. При промышленном хромировании в ванну добавляют соли серной и плавиковой кислот; свободные кислотные радикалы катализируют процесс гальванического осаждения хрома.

Ученые не пришли пока к единому мнению о механизме осаждения шестивалентного хрома на катоде гальванической ванны. Есть предположение, что шестивалентный хром переходит сначала в трехвалентный, а затем уже восстанавливается до металла. Однако большинство специалистов сходится на том, что хром у катода восстанавливается сразу из шестивалентного состояния. Некоторые ученые считают, что в этом процессе участвует атомарный водород, некоторые – что шестивалентный хром просто получает шесть электронов.

Декоративные и твердые

Хромовые покрытия бывают двух видов: декоративные и твердые. Чаще приходится сталкиваться с декоративными: на часах, дверных ручках и других предметах. Здесь слой хрома наносится на подслой другого металла, чаще всего никеля или меди. Сталь защищена от коррозии этим подслоем, а тонкий (0,0002...0,0005 мм.) слой хрома придает изделию парадный вид.

Твердые покрытия построены иначе. Хром наносят на сталь значительно более толстым слоем (до 0,1 мм), но без подслоев. Такие покрытия повышают твердость и износостойкость стали, а также уменьшают коэффициент трения.

Хромирование без электролита

Есть и другой способ нанесения хромовых покрытий – диффузионный. Этот процесс идет не в гальванических ваннах, а в печах.

Стальную деталь помещают в порошок хрома и нагревают в восстановительной атмосфере. За 4 часа при температуре 1300°C на поверхности детали образуется обогащенный хромом слой толщиной 0,08 мм. Твердость и коррозийная стойкость этого слоя значительно больше, чем твердость стали в массе детали. Но этот, казалось бы, простой метод приходилось неоднократно совершенствовать. На поверхности стали образовывались карбиды хрома, которые препятствовали диффузии хрома в сталь. Кроме того, порошок хрома при температуре порядка тысячи градусов спекается. Чтобы этого не случилось, к нему примешивают порошок нейтрального огнеупора. Попытки заменить порошок хрома смесью окиси хрома с углем не дали положительных результатов.

Более жизненным оказалось предложение применять в качестве носителя хрома его летучие галоидные соли, например CrCl 2 . Горячий газ омывает хромируемое изделие, при этом идет реакция:

СrСl 2 + Fe ↔ FeСl 2 + Сr.

Использование летучих галоидных солей позволило снизить температуру хромирования.

Хлорид (или иодид) хрома получают обычно в самой установке для хромирования, пропуская пары соответствующей галоидоводородной кислоты через порошкообразный хром или феррохром. Образовавшийся газообразный хлорид омывает хромируемое изделие.

Процесс длится долго – несколько часов. Нанесенный таким образом слой гораздо крепче соединен с основным материалом, чем нанесенный гальванически.

Все началось с мытья посуды...

В любой аналитической лаборатории стоит большая бутыль с темной жидкостью. Это «хромовая смесь» – смесь насыщенного раствора бихромата калия с концентрированной серной кислотой. Зачем она нужна?

На пальцах человека всегда есть жировые загрязнения, которые легко переходят на стекло. Именно эти отложения призвана смывать хромовая смесь. Она окисляет жир и удаляет его остатки. Но с этим веществом обращаться надо осторожно. Несколько капель хромовой смеси, попавшие на костюм, способны превратить его в подобие решета: в смеси два вещества, и оба «разбойники» – сильная кислота и сильный окислитель.

Хром и древесина

Даже в наш век стекла, алюминия, бетона и пластиков нельзя не признать древесину отличным строительным материалом. Главное ее достоинство в простоте обработки, а главные недостатки – в пожароопасности, подверженности разрушению грибками, бактериями, насекомыми. Древесину можно сделать более стойкой, пропитав ее специальными растворами, в состав которых обязательно входят хроматы и бихроматы плюс хлорид цинка, сульфат меди, арсенат натрия и некоторые другие вещества. Пропитка во много раз увеличивает стойкость древесины к действию грибков, насекомых, пламени.

Глядя на рисунок

Иллюстрации в печатных изданиях делаются с клише – металлических пластинок, на которых этот рисунок (вернее, его зеркальное отражение) выгравирован химическим способом или вручную. До изобретения фотографии клише гравировали только вручную; это трудоемкая работа, требующая большого мастерства.

Но еще в 1839 г. произошло открытие, казавшееся не имевшим никакого отношения к полиграфии. Было установлено, что бумага, пропитанная бихроматом натрия или калия, после освещения ярким светом становится вдруг коричневой. Затем выяснилось, что бихроматные покрытия на бумаге после засвечивания не растворяются в воде, а, будучи смоченными, приобретают синеватый оттенок. Этим свойством воспользовались полиграфисты. Нужный рисунок фотографировали на пластинку с коллоидным покрытием, содержащим бихромат. Засвеченные места при промывке не растворялись, а незасвеченные растворялись, и на пластине оставался рисунок, с которого можно было печатать.

Сейчас в полиграфии используют другие светочувствительные материалы, применение бихроматных гелей сокращается. Но не стоит забывать, что «первопроходцам» фотомеханического метода в полиграфии помог хром.

Открытие хрома относится к периоду бурного развития химико-аналитических исследований солей и минералов. В России химики проявляли особый интерес к анализу минералов, найденных в Сибири и почти неизвестных в Западной Европе. Одним из таких минералов была сибирская красная свинцовая руда (крокоит), описанная еще Ломоносовым. Минерал исследовался, но ничего, кроме окислов свинца, железа и алюминия в нем не было найдено. Однако в 1797 году Вокелен, прокипятив тонко измельченный образец минерала с поташом и осадив карбонат свинца, получил раствор, окрашенный в оранжево – красный цвет. Из этого раствора он выкристаллизовал рубиново-красную соль, из которой выделили окисел и свободный металл, отличный от всех известных металлов. Вокелен назвал его Хром (Chrome ) от греческого слова - окраска, цвет; правда здесь имелось в виду свойство не металла, а его ярко окрашенных солей .

Нахождение в природе.

Важнейшей рудой хрома, имеющей практическое значение, является хромит, приблизительный состав которого отвечает формуле FeCrO 4.

Он встречается в Малой Азии, на Урале, в Северной Америке, на юге Африки. Техническое значение имеет также вышеназванный минерал крокоит – PbCrO 4 . В природе встречаются также оксид хрома (3) и некоторые другие его соединения. В земной коре содержание хрома в пересчете на металл составляет 0,03%. Хром обнаружен на Солнце, звездах, метеоритах.

Физические свойства .

Хром – белый, твердый и хрупкий металл, исключительно химически стойкий к воздействию кислот и щелочей. На воздухе он окисляется, имеет на поверхности тонкую прозрачную пленку оксида. Хром имеет плотность 7,1 г/см 3 , его температура плавления составляет +1875 0 С.

Получение.

При сильном нагреве хромистого железняка с углем происходит восстановление хрома и железа:

FeO * Cr 2 O 3 + 4C = 2Cr + Fe + 4CO

В результате этой реакции образуется сплав хрома с железом, отличающийся высокой прочностью. Для получения чистого хрома, его восстанавливают из оксида хрома(3) алюминием:

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

В данном процессе обычно используют два оксида – Cr 2 O 3 и CrO 3

Химические свойства.

Благодаря тонкой защитной пленке оксида, покрывающей поверхность хрома, он весьма устойчив к воздействию агрессивных кислот и щелочей. Хром не реагирует с концентрированными азотной и серной кислотами, а также с фосфорной кислотой. Со щелочами хром вступает во взаимодействие при t = 600-700 о C. Однако хром взаимодействует с разбавленными серной и соляной кислотами, вытесняя водород:

2Cr + 3H 2 SO 4 = Cr 2 (SO 4) 3 + 3H 2
2Cr + 6HCl = 2CrCl 3 + 3H 2

При высокой температуре хром горит в кислороде, образуя оксид(III).

Раскаленный хром реагирует с парами воды:

2Cr + 3H 2 O = Cr 2 O 3 + 3H 2

Хром при высокой температуре реагирует также с галогенами, галоген - водородами, серой, азотом, фосфором, углем, кремнием, бором, например:

Cr + 2HF = CrF 2 + H 2
2Cr + N2 = 2CrN
2Cr + 3S = Cr 2 S 3
Cr + Si = CrSi

Вышеуказанные физические и химические свойства хрома нашли свое применение в различных областях науки и техники. Так, например, хром и его сплавы используются для получения высокопрочных, коррозионно-стойких покрытий в машиностроении. Сплавы в виде феррохрома используются в качестве металлорежущих инструментов. Хромированные сплавы нашли применение в медицинской технике, при изготовлении химического технологического оборудования.

Положение хрома в периодической системе химических элементов:

Хром возглавляет побочную подгруппу VI группы периодической системы элементов. Его электронная формула следующая:

24 Cr IS 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3d 5 4S 1

В заполнении орбиталей электронами у атома хрома нарушается закономерность, согласно которой сначала должна была бы заполнятся 4S – орбиталь до состояния 4S 2 . Однако, вследствие того, что 3d – орбиталь занимает в атоме хрома более выгодное энергетическое положение, происходит ее заполнение до значения 4d 5 . Такое явление наблюдается у атомов некоторых других элементов побочных подгрупп. Хром может проявлять степени окисления от +1 до +6. Наиболее устойчивыми являются cоединения хрома со степенями окисления +2, +3, +6.

Соединения двухвалентного хрома.

Оксид хрома (II) CrO – пирофорный черный порошок (пирофорность – способность в тонкораздробленном состоянии воспламенятся на воздухе). CrO растворяется в разбавленной соляной кислоте:

CrO + 2HCl = CrCl 2 + H 2 O

На воздухе при нагревании свыше 100 0 С CrO превращается в Cr 2 O 3 .

Соли двухвалентного хрома образуются при растворении металлического хрома в кислотах. Эти реакции проходят в атмосфере малоактивного газа (например H 2), т.к. в присутствии воздуха легко происходит окисление Cr(II) до Cr(III).

Гидроксид хрома получают в виде желтого осадка при действии раствора щелочи на хлорид хрома (II):

CrCl 2 + 2NaOH = Cr(OH) 2 + 2NaCl

Cr(OH) 2 обладает основными свойствами, является восстановителем. Гидратированный ион Cr2+ окрашен в бледно – голубой цвет. Водный раствор CrCl 2 имеет синюю окраску. На воздухе в водных растворах соединения Cr(II) переходят в соединения Cr(III). Особенно это ярко выражается у гидроксида Cr(II):

4Cr(OH) 2 + 2H 2 O + O 2 = 4Cr(OH) 3

Соединения трехвалентного хрома.

Оксид хрома (III) Cr 2 O 3 – тугоплавкий порошок зеленого цвета. По твердости близок к корунду. В лаборатории его можно получить нагреванием дихромата аммония:

(NH 4) 2 Cr 2 O 7 = Cr 2 O 3 + N 2 + 4H 2

Cr 2 O 3 – амфотерный оксид, при сплавлении со щелочами образует хромиты: Cr 2 O 3 + 2NaOH = 2NaCrO 2 + H 2 O

Гидроксид хрома также является амфотерным соединением:

Cr(OH) 3 + HCl = CrCl 3 + 3H 2 O
Cr(OH) 3 + NaOH = NaCrO 2 + 2H 2 O

Безводный CrCl 3 имеет вид листочков темно-фиолетового цвета, совершенно нерастворим в холодной воде, при кипячении он растворяется очень медленно. Безводный сульфат хрома (III) Cr 2 (SO 4) 3 розового цвета, также плохо растворим в воде. В присутствии восстановителей образует фиолетовый сульфат хрома Cr 2 (SO 4) 3 *18H 2 O. Известны также зеленые гидраты сульфата хрома, содержащие меньшее количество воды. Хромовые квасцы KCr(SO 4) 2 *12H 2 O выкристаллизовываются из растворов, содержащих фиолетовый сульфат хрома и сульфат калия. Раствор хромовых квасцов при нагревании становится зеленым благодаря образованию сульфатов.

Реакции с хромом и его соединениями

Почти все соединения хрома и их растворы интенсивно окрашены. Имея бесцветный раствор или белый осадок, мы можем с большой долей вероятности сделать вывод об отсутствии хрома.

1. Сильно нагреем в пламени горелки на фарфоровой чашке такое количество бихромата калия, которое поместится на кончике ножа. Соль не выделит кристаллизационной воды, а расплавится при температуре около 400 0 С с образование темной жидкости. Погреем ее еще несколько минут на сильном пламени. После охлаждения на черепке образуется зеленый осадок. Часть его растворим в воде (она приобретает желтый цвет), а другую часть оставим на черепке. Соль при нагревании разложилась, в результате образовался растворимый желтый хромат калия K 2 CrO 4 и зеленый Cr 2 O 3 .
2. Растворим 3г порошкообразного бихромата калия в 50мл воды. К одной части добавим немного карбоната калия. Он растворится с выделением CO 2 , а окраска раствора станет светло – желтой. Из бихромата калия образуется хромат. Если теперь по порциям добавить 50% раствор серной кислоты, то снова появится красно – желтая окраска бихромата.
3. Нальем в пробирку 5мл. раствора бихромата калия, прокипятим с 3мл концентрированной соляной кислоты под тягой. Из раствора выделяется желто-зеленый ядовитый газообразный хлор, потому, что хромат окислит HCl до Cl 2 и H 2 O. Сам хромат превратится в зеленый хлорид трехвалентного хрома. Его можно выделить выпариванием раствора, а потом, сплавив с содой и селитрой, перевести в хромат.
4. При добавлении раствора нитрата свинца выпадает желтый хромат свинца; при взаимодействии с раствором нитрата серебра образуется красно – коричневый осадок хромата серебра.
5. Добавим пероксид водорода к раствору бихромата калия и подкислим раствор серной кислотой. Раствор приобретает глубокий синий цвет благодаря образованию пероксида хрома. Пероксид при взбалтывании с некоторым количеством эфира перейдет в органический растворитель и окрасит его в голубой цвет. Данная реакция специфична для хрома и очень чувствительна. С ее помощью можно обнаружить хром в металлах и сплавах. Прежде всего необходимо растворить металл. При длительном кипячении с 30% - ной серной кислотой (можно добавить и соляную кислоту) хром и многие стали частично растворяются. Полученный раствор содержит сульфат хрома (III). Чтобы можно было провести реакцию обнаружения, сначала нейтрализуем его едким натром. В осадок выпадает серо-зеленый гидроксид хрома (III), который растворится в избытке NaOH и образует зеленый хромит натрия. Профильтруем раствор и добавим 30% -ый пероксид водорода. При нагревании раствор окрасится в желтый цвет, так как хромит окислится до хромата. Подкисление приведет к появлению голубой окраски раствора. Окрашенное соединение можно экстрагировать, встряхивая с эфиром.

Аналитические реакции на ионы хрома.

1. К 3-4 каплям раствора хлорида хрома CrCl 3 прибавьте 2М раствор NaOH до растворения первоначально выпавшего осадка. Обратите внимание на цвет образовавшегося хромита натрия. Нагрейте полученный раствор на водяно бане. Что при этом происходит?
2. К 2-3 каплям р-ра CrCl 3 прибавьте равный объем 8М раствора NaOH и 3-4 капли 3% р-ра H 2 O 2 . Нагрейте реакционную смесь на водяной бане. Что при этом происходит? Какой осадок образуется, если полученный окрашеный раствор нейтрализовать, добавить к нему CH 3 COOH, а затем Pb(NO 3) 2 ?
3. Налейте в пробирку по 4-5 капель растворов сульфата хрома Cr 2 (SO 4) 3 , IMH 2 SO 4 и KMnO 4 . Нагрейте реакционную смест в течение нескольких минут на водяной бане. Обратите внимание на изменение окраски раствора. Чем оно вызвано?
4. К 3-4 каплям подкисленного азотной кислотой раствора K 2 Cr 2 O 7 прибавьте 2-3 капли раствора H 2 O 2 и перемешайте. Появляющиеся синее окрашивание раствора обусловлено возникновением надхромовой кислоты H 2 CrO 6:

Cr 2 O 7 2- + 4H 2 O 2 + 2H + = 2H 2 CrO 6 + 3H 2 O

Обратите внимание на на быстрое разложение H 2 CrO 6:

2H 2 CrO 6 + 8H+ = 2Cr 3+ + 3O 2 + 6H 2 O
синий цвет зеленый цвет

Надхромовая кислота значительно более устойчива в органических растворителях.

1. К 3-4 каплям подкисленного азотной кислотой раствора K 2 Cr 2 O 7 прибавьте 5 капель изоамилового спирта, 2-3 капли раствора H 2 O 2 и взболтайте реакционную смесь. Всплывающий на верх слой органического растворителя окрашен в ярко-синий цвет. Окраска исчезает очень медленно. Сравните устойчивость H 2 CrO 6 в органической и водных фазах.
2. При взаимодействии CrO 4 2- и ионами Ba 2+ выпадает желтый осадок хромата бария BaCrO 4 .
3. Нитрат серебра образует с ионами CrO 4 2- осадок хромата серебра кирпично-красного цвета.
4. Возьмите три пробирки. В одну из них поместите 5- 6 капель раствора K 2 Cr 2 O 7 , во вторую – такой же объем раствора K 2 CrO 4 , а в третью – по три капли обоих растворов. Затем добавте в каждую пробирку по три капли раствора иодида калия. Объясните полученный результат. Подкислите раствор во второй пробирке. Что при этом происходит? Почему?

Занимательные опыты с соединениями хрома

1. Смесь CuSO 4 и K 2 Cr 2 O 7 при добавлении щелочи становится зеленой, а в присутствии кислоты становится желтой. Нагревая 2мг глицерина с небольшим количеством (NH 4) 2 Cr 2 O 7 с последующим добавлением спирта, после фильтрования получается ярко-зеленый раствор, который при добавлении кислоты становится желтым, а в нейтральной или щелочной среде становится зеленым.
2. Поместить в центр консервной банки с термитом «рубиновую смесь» - тщательно растертый и помещенный в алюминиевую фольгу Al 2 O 3 (4,75г) с добавкой Cr 2 O 3 (0,25г). Чтобы банка подольше не остывала, необходимо закопать под верхний обрез в песок, а после поджигания термита и начала реакции, накрыть ее железным листом и засыпать песком. Банку выкопать через сутки. В итоге образуется красно – рубиновый порошок.
3. 10г бихромата калия растирают с 5г нитрата натрия или калия и 10г сахара. Смесь увлажняют и смешивают с коллодием. Если порошок спрессовать в стеклянной трубке, а затем вытолкнуть палочку и поджечь ее с торца, то начнет выползать «змея», сначала черная, а после охлаждения - зеленая. Палочка диаметром 4 мм горит со скоростью около 2мм в секунду и удлиняется в 10 раз.
4. Если смешать растворы сульфата меди и дихромата калия и добавить немного раствора аммиака, то выпадет аморфный коричневый осадок состава 4СuCrO 4 * 3NH 3 * 5H 2 O, который растворяется в соляной кислоте с образованием желтого раствора, а в избытке аммиака получается зеленый раствор. Если далее к этому раствору добавить спирт, то выпадет зеленый осадок, который после фильтрации становится синим, а после высушивания – сине-фиолетовым с красными блестками, хорошо видимыми при сильном освещении.
5. Оставшийся после опытов «вулкан» или «фараоновы змеи» оксид хрома можно регенерировать. Для этого надо сплавить 8г Cr 2 O 3 и 2г Na 2 CO 3 и 2,5г KNO 3 и обработать остывший сплав кипятком. Получается растворимый хромат, который можно превратить и в другие соединения Cr(II) и Cr(VI), в том числе и исходный дихромат аммония.

Примеры окислительно – восстановительных переходов с участием хрома и его соединений

1. Cr 2 O 7 2- -- Cr 2 O 3 -- CrO 2 - -- CrO 4 2- -- Cr 2 O 7 2-

a) (NH 4) 2 Cr 2 O 7 = Cr 2 O 3 + N 2 + 4H 2 Oб) Cr 2 O 3 + 2NaOH = 2NaCrO 2 + H 2 O
в) 2NaCrO 2 + 3Br 2 + 8NaOH = 6NaBr +2Na 2 CrO 4 + 4H 2 O
г) 2Na 2 CrO 4 + 2HCl = Na 2 Cr 2 O 7 + 2NaCl + H 2 O

2. Cr(OH) 2 -- Cr(OH) 3 -- CrCl 3 -- Cr 2 O 7 2- -- CrO 4 2-

а) 2Cr(OH) 2 + 1/2O 2 + H 2 O = 2Cr(OH) 3
б) Cr(OH) 3 + 3HCl = CrCl 3 + 3H 2 O
в) 2CrCl 3 + 2KMnO 4 + 3H 2 O = K 2 Cr 2 O 7 + 2Mn(OH) 2 + 6HCl
г) K 2 Cr 2 O 7 + 2KOH = 2K 2 CrO 4 + H 2 O

3. CrO -- Cr(OH) 2 -- Cr(OH) 3 -- Cr(NO 3) 3 -- Cr 2 O 3 -- CrO - 2
Cr 2+

а) CrO + 2HCl = CrCl 2 + H 2 O
б) CrO + H 2 O = Cr(OH) 2
в) Cr(OH) 2 + 1/2O 2 + H 2 O = 2Cr(OH) 3
г) Cr(OH) 3 + 3HNO 3 = Cr(NO 3) 3 + 3H 2 O
д) 4Сr(NO 3) 3 = 2Cr 2 O 3 + 12NO 2 + O 2
е) Cr 2 O 3 + 2 NaOH = 2NaCrO 2 + H 2 O

Элемент хром в роли художника

Химики довольно часто обращались к проблеме создания искусственных пигментов для живописи. В XVIII-XIXвв была разработана технология получения многих живописных материалов. Луи Никола Воклен в 1797г., обнаруживший в сибирской красной руде ранее неизвестный элемент хром, приготовил новую, замечательно устойчивую краску – хромовую зелень. Хромофором ее является водный оксид хрома (III). Под названием « изумрудная зеленая» ее начали выпускать в 1837 году. Позже Л.Вокелен предложил несколько новых красок: баритовую, цинковую и хромовые желтые. Со временем они были вытеснены более стойкими желтыми, оранжевыми пигментами на основе кадмия.

Зеленая хромовая – самая прочная и светостойкая краска, не поддающаяся воздействию атмосферных газов. Растертая на масле хромовая зелень обладает большой кроющей силой и способна к быстрому высыханию, поэтому с XIX в. ее широко применяют в живописи. Огромное значение она имеет в росписи фарфора. Дело в том, что фарфоровые изделия могут декорироваться как подглазурной, так и надглазурной росписью. В первом случае краски наносят на поверхность лишь слегка обожженного изделия, которое затем покрывают слоем глазури. Далее следует основной, высокотемпературный обжиг: для спекания фарфоровой массы и оплавления глазури изделия нагревают до 1350 – 1450 0 С. Столь высокую температуру без химических изменений выдерживают очень немногие краски, а в старину таких вообще было только две – кобальтовая и хромовая. Черный оксид кобальта, нанесенный на поверхность фарфорового изделия, при обжиге сплавляется с глазурью, химически взаимодействуя с ней. В результате образуются ярко-синие силикаты кобальта. Такую декарированную кобальтом синюю фарфоровую посуду все хорошо знают. Оксид хрома (III) не взаимодействует химически с компонентами глазури и просто залегает между фарфоровыми черепками и прозрачной глазурью «глухим» слоем.

Помимо хромовой зелени художники применяют краски, полученные из волконскоита. Этот минерал из группы монтмориллонитов (глинистый минерал подкласса сложных силикатов Na(Mo,Al), Si 4 O 10 (OH) 2 был обнаружен в 1830г. русским минералогом Кеммерером и назван в честь М.Н Волконской – дочери героя битвы при Бородино генерала Н.Н. Раевского, жены декабриста С.Г.Волконского. Волконскоит представляет собой глину, содержащую до 24% оксида хрома, а так же оксиды аллюминея и железа (III). Непостоянство состава минерала, встечающегося на Урале, в Пермской и Кировской областях, обусловливает его разнообразную окраску – от цвета зимней потемневшей пихты до ярко-зеленого цвета болотной лягушки.

Пабло Пикассо обращался к геологам нашей страны с просьбой изучить запасы волконскоита, дающего краску неповторимо свежего тона. В настоящее время разработан способ получения искусственного волконскоита. Интересно отметить, что по данным современных исследований, русские иконописцы использовали краски из этого материала еще в средние века, задолго до его «официального» открытия. Известной популярностью пользовалась у художников и зелень Гинье (создана в 1837г.), хромоформ которой является гидрат окиси хрома Cr 2 O 3 * (2-3) H 2 O, где часть воды химически связана, а часть адсорбирована. Этот пигмент придает краске изумрудный оттенок.

сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Хром (Cr) — элемент с атомным номером 24 и атомной массой 51,996 побочной подгруппы шестой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Хром — твёрдый металл голубовато-белого цвета. Обладает высокой химической стойкостью. При комнатной температуре Cr стоек к воде и к воздуху. Этот элемент является одним из важнейших металлов, используемых в промышленном легировании сталей. Соединения хрома имеют яркую окраску различных цветов, за что, собственно, он и получил свое название. Ведь в переводе с греческого «хром» означает «краска».

Известно 24 изотопа хрома с 42Cr по 66Cr. Стабильные природные изотопы 50Cr (4,31 %), 52Cr (87,76 %), 53Cr (9,55 %) и 54Cr (2,38 %). Из шести искусственных радиоактивных изотопов наиболее важен 51Cr с периодом полураспада 27,8 суток. Он применяется, как изотопный индикатор.

В отличие от металлов древности (золото, серебро, медь, железо, олово и свинец) хром имеет своего «первооткрывателя». В 1766 году в окрестностях Екатеринбурга был найден минерал, который получил название «сибирский красный свинец» — PbCrO4. В 1797 году Л. Н. Вокленом в минерале крокоите — природном хромате свинца, был обнаружен элемент № 24. Примерно в то же время (1798 год) независимо от Воклена хром был открыт немецкими учеными М. Г. Клапротом и Ловицем в образце тяжелого черного минерала (это был хромит FeCr2O4), найденного на Урале. Позднее в 1799 Ф. Тассерт обнаружил новый металл в том же минерале, найденном на юго-востоке Франции. Считается, что именно Тассерту впервые удалось получить относительно чистый металлический хром.

Металлический хром используют для хромирования, а также в качестве одного из важнейших компонентов легированных сталей (в частности нержавеющих). Кроме того, хром нашел применение в ряде других сплавов (кислотоупорных и жаропрочных сталях). Ведь введение этого металла в сталь повышает ее устойчивость против коррозии как в водных средах при обычных температурах, так и в газах при повышенных температурах. Хромистым сталям присуща повышенная твердость. Хром применяют в термохромировании — процесс, при котором защитное действие Cr обусловлено образованием на поверхности стали тонкой, но прочной оксидной пленки, препятствующей взаимодействию металла с окружающей средой.

Широкое применение нашли и соединения хрома, так хромиты успешно используются в огнеупорной промышленности: магнезитохромитовым кирпичом футеруют мартеновские печи и другое металлургическое оборудование.

Хром - один из биогенных элементов, которые постоянно входят в состав тканей растений и животных. Растения содержат хром в листьях, где он присутствует в виде низкомолекулярного комплекса, не связанного с субклеточными структурами. До сих пор ученые не смогли доказать необходимость этого элемента для растений. Однако у животных Cr участвует в обмене липидов, белков (входит в состав фермента трипсина), углеводов (структурный компонент глюкозоустойчивого фактора). Известно, что в биохимических процессах участвует исключительно трехвалентный хром. Как и большинство других важных биогенных элементов, хром проникает в организм животного или человека посредством пищи. Понижение этого микроэлемента в организме приводит к замедлению роста, резкому увеличению уровня холестерина в крови и снижению чувствительности периферийных тканей к инсулину.

В тоже время в чистом виде хром весьма токсичен — металлическая пыль Cr раздражает ткани легких, соединения хрома (III) вызывают дерматиты. Соединения хрома (VI) приводят к разным заболеваниям человека, в том числе и онкологическим.

Биологические свойства

Хром - важный биогенный элемент, непременно входящий в состав тканей растений, животных и человека. Среднее содержание этого элемента в растениях – 0,0005 %, причем практически весь он накапливается в корнях (92-95 %), остальная доля содержится в листьях. Высшие растения не переносят концентрации этого металла выше 3∙10-4 моль/л. У животных содержание хрома составляет от десятитысячных до десятимиллионных долей процента. Зато в планктоне коэффициент накопления хрома поразителен — 10 000-26 000. Во взрослом человеческом организме содержание Cr колеблется от 6 до 12 мг. Причем достаточно точно физиологическая потребность в хроме для человека не установлена. Она во многом зависит от рациона – при употреблении пищи с высоким содержанием сахара, потребность организма в хроме возрастает. Принято считать, что человеку требуется в сутки примерно 20–300 мкг этого элемента. Как и другие биогенные элементы, хром способен накапливаться в тканях организма, особенно в волосах. Именно в них содержание хрома указывает на степень обеспеченности организма этим металлом. К сожалению, с возрастом «запасы» хрома в тканях истощаются, исключением являются легкие.

Хром участвует в обмене липидов, белков (присутствует в составе фермента трипсина), углеводов (является структурным компонентом глюкозоустойчивого фактора). Этот фактор обеспечивает взаимодействие клеточных рецепторов с инсулином, уменьшая, тем самым, потребность в нем организма. Фактора толерантности к глюкозе (GTF) усиливает действие инсулина во всех метаболических процессах с его участием. Кроме того, хром принимает участие в регуляции обмена холестерина и является активатором некоторых ферментов.

Основной источник поступления хрома в организм животных и человека - пища. Ученые установили, что в растительной пище концентрация хрома значительно ниже, чем в животной. Наиболее богаты хромом пивные дрожжи, мясо, печень, бобовые и цельное необработанное зерно. Снижение содержания этого металла в пище и крови приводит к уменьшению скорости роста, увеличению холестерина в крови, снижению чувствительности периферийных тканей к инсулину (диабетоподобное состояние). Кроме того, возрастает риск развития атеросклероза и нарушения высшей нервной деятельности.

Однако уже при концентрациях в доли миллиграмма на кубический метр в атмосфере все соединения хрома оказывают токсическое действие на организм. Отравления хромом и его соединениями часты при их производстве, в машиностроении, металлургии, в текстильной промышленности. Степень ядовитости хрома зависит от химической структуры его соединений - дихроматы токсичнее хроматов, соединения Cr+6 токсичнее соединений Cr+2 и Cr+3. Признаки отравления проявляются ощущением сухости и болью в носовой полости, острым першением в горле, затруднением дыхания, кашлем и подобными признаками. При небольшом избытке паров или пыли хрома признаки отравления проходят вскоре после прекращения работы в цеху. При длительном постоянном контакте с соединениями хрома появляются признаки хронического отравления - слабость, постоянные головные боли, потеря в весе, диспепсия. Начинаются нарушения в работе желудочно-кишечного тракта, поджелудочной железы, печени. Развиваются бронхит, бронхиальная астма, пневмосклероз. Появляются кожные заболевания - дерматиты, экземы. Кроме того, соединения хрома - опасные канцерогены, способные накапливаться в тканях организма, вызывая раковые заболевания.

Профилактикой отравлений являются периодические медицинские осмотры персонала, работающего с хромом и его соединениями; установка вентиляции, средств пылеподавления и пылеулавливания; использование рабочими средств индивидуальной защиты (респираторы, перчатки).

Корень «хром» в своем понятии «цвет», «краска» входит в состав многих слов, используемых в самых разнообразных областях: науке, технике и даже музыке. Так многие названия фотопленок содержат этот корень: «ортохром», «панхром», «изопанхром» и другие. Слово «хромосома» состоит из двух греческих слов: «хромо» и «сома». Дословно это можно перевести, как «окрашенное тело» или «тело, которое окрашивается». Структурный элемент хромосомы, формирующийся в интерфазе ядра клетки в результате удвоения хромосом, называется «хроматида». «Хроматин» - вещество хромасом, находящееся в ядрах растительных и животных клеток, которое интенсивно окрашивается ядерными красителями. «Хроматофоры» - пигментные клетки у животных и человека. В музыке используется понятие «хроматическая гамма». «Хромка» - один из видов русской гармони. В оптике существуют понятия «хроматическая абберация» и «хроматическая поляризация». «Хроматография» - физико-химический метод разделения и анализа смесей. «Хромоскоп» - прибор для получения цветного изображения путем оптического совмещения двух или трех цветоотделенных фотографических изображений, освещаемых через специально подобранные различно окрашенные светофильтры.

Наиболее ядовитым является оксид хрома (VI) CrO3, он относится к I классу опасности. Смертельная доза для человека (перорально) 0,6 г. Этиловый спирт при соприкосновении со свежеприготовленным CrO3 воспламеняется!

Самая распространенная марка нержавеющей стали содержит 18 % Cr, 8 % Ni, около 0,1 % C. Она великолепно противостоит коррозии и окислению, сохраняют прочность при высоких температурах. Именно из такой стали изготовлены листы, использовавшиеся в строительстве скульптурной группы В.И. Мухиной «Рабочий и колхозница».

Феррохром, используемый в металлургической промышленности при производстве хромистых сталей, в конце IXX века был очень низкого качества. Это связано с низким содержанием в нем хрома — всего 7-8 %. Тогда он именовался «тасманским чугуном» в виду того, что исходная железо-хромовая руда ввозилась из Тасмании.

Ранее упоминалось, что хромовые квасцы используются при дублении кож. Благодаря этому появилось понятие «хромовые» сапоги. Кожа, дубленая соединениями хрома приобретает блеск, лоск и прочность.

Во многих лабораториях используют «хромовую смесь» - смесь насыщенного раствора бихромата калия с концентрированной серной кислотой. Она используется в обезжиривании поверхностей стеклянной и стальной лабораторной посуды. Она окисляет жир и удаляет его остатки. Только обращаться с этой смесью необходимо с осторожностью, ведь это смесь сильной кислоты и сильного окислителя!

В наше время древесина по-прежнему используется, как строительный материал, ведь она недорога и проста в обработке. Но у нее много и отрицательных свойств - подверженность пожарам, грибковым заболеваниям, разрушающим ее. Чтобы избежать всех этих неприятностей дерево пропитывают специальными составами, содержащими хроматы и бихроматы плюс хлорид цинка, сульфат меди, арсенат натрия и некоторые другие вещества. Благодаря таким составам древесина увеличивает свою стойкость к грибкам и бактериям, а также к открытому огню.

Особую нишу хром занял в полиграфии. В 1839 году было установлено, что бумага, пропитанная бихроматом натрия, после освещения ярким светом становится вдруг коричневой. Затем выяснилось, что бихроматные покрытия на бумаге после засвечивания не растворяются в воде, а, будучи смоченными, приобретают синеватый оттенок. Этим свойством воспользовались полиграфисты. Нужный рисунок фотографировали на пластинку с коллоидным покрытием, содержащим бихромат. Засвеченные места при промывке не растворялись, а не засвеченные растворялись, и на пластине оставался рисунок, с которого можно было печатать.

История

История открытия элемента № 24 началась в 1761 году, когда в Березовском руднике (восточное подножье Уральских гор) близ Екатеринбурга был найден необычный красный минерал, который при растирании в пыль давал желтую окраску. Находка принадлежала профессору Петербургского университета Иоганну Готтлобу Леману. Спустя пять лет ученый доставил образцы в город Санкт-Петербург, где провел над ними ряд опытов. В частности он обработал необычные кристаллы соляной кислотой, получив при этом белый осадок, в котором обнаружился свинец. Исходя из полученных результатов, Леман назвал минерал сибирским красным свинцом. Такова история обнаружения крокоита (от греческого «krokos» — шафран) - природного хромата свинца PbCrO4.

Заинтересованный данной находкой Петер Симон Паллас - немецкий естествоиспытатель и путешественник организовал и возглавил экспедицию Петербургской Академии наук в сердце России. В 1770 году экспедиция достигла Урала и посетила Березовский рудник, где были взяты образцы изучаемого минерала. Вот как это описывает сам путешественник: «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». Немецкая предприимчивость преодолела все трудности добычи и доставки крокоита в Европу. Несмотря на то, что эти операции занимали не менее двух лет, вскоре экипажи знатных господ Парижа и Лондона ездили раскрашенные мелко истолченным крокоитом. Коллекции минералогических музеев многих университетов старого света обогатились лучшими образцами этого минерала из русских недр. Однако состав загадочного минерала европейские ученые разгадать никак не могли.

Длилось это на протяжении тридцати лет, пока образец сибирского красного свинца не попал в руки профессору химии Парижской минералогической школы Никола Луи Воклену в 1796 году. Проведя анализ крокоита, ученый не обнаружил в нем ничего кроме оксидов железа, свинца и алюминия. В дальнейшем Воклен обработал крокоит раствором поташа (К2CO3) и вслед за осаждением белого осадка карбоната свинца выделил желтый раствор неизвестной соли. Проведя ряд опытов по обработке минерала солями различных металлов, профессор при помощи соляной кислоты выделил раствор «кислоты красного свинца» - окись хрома и воду (хромовая кислота существует только в разбавленных растворах). Выпарив данный раствор, он получил рубиново-красные кристаллы (хромовый ангидрид). Дальнейший нагрев кристаллов в графитовом тигле в присутствии угля дал множество сросшихся серых игольчатых кристаллов - новый до этого времени неизвестный металл. Очередной ряд опытов показал высокую тугоплавкость полученного элемента и его устойчивость к кислотам. Парижская академия наук незамедлительно засвидетельствовала открытие, ученый по настоянию друзей дал имя новому элементу - хром (от греческого «цвет», «окраска») ввиду разнообразия оттенков образуемых им соединений. В дальнейших своих работах Воклен уверенно заявил, что изумрудная окраска некоторых драгоценных камней, а также природных силикатов бериллия и алюминия объясняется примесью в них соединений хрома. Примером может послужить смарагд, который является окрашенным в зеленый цвет берилл, в котором алюминий частично замещен хромом.

Понятно, что Воклен получил не чистый металл, скорее всего его карбиды, что подтверждается игольчатой формой светло-серых кристаллов. Чистый металлический хром позднее был получен Ф. Тассертом, предположительно в 1800 году.

Также, независимо от Воклена, хром обнаружили Клапрот и Ловиц в 1798 году.

Нахождение в природе

В земных недрах хром — довольно распространенный элемент, несмотря на то, что в свободном виде он не встречается. Его кларк (среднее содержание в земной коре) составляет 8,3.10-3 % или 83 г/т. Однако его распределение по породам неравномерно. Этот элемент в основном характерен для мантии Земли, дело в том, что ультраосновные породы (перидотиты), которые, предположительно близки по составу к мантии нашей планеты, наиболее богаты хромом: 2 10-1 % или 2 кг/т. В таких породах Cr образует массивные и вкрапленные руды, с ними связано образование крупнейших месторождений данного элемента. Высоко содержание хрома и в основных породах (базальтах и др.) 2 10-2 % или 200 г/т. Гораздо меньше Cr в кислых породах: 2,5 10-3 %, осадочных (песчаники) - 3,5 10-3 %, глинистые сланцы также содержат хром - 9 10-3 %.

Можно заключить, что хром является типичным литофильным элементом и почти весь заключен в минералах глубокого залегания в недрах Земли.

Различают три основных минерала хрома: магнохромит (Mn, Fe)Cr2O4, хромпикотит (Mg, Fe)(Cr, Al)2O4 и алюмохромит (Fe, Mg)(Cr, Al)2O4. Эти минералы имеют единое название - хромовая шпинель и общую формулу (Mg, Fe)О (Сr, Al, Fе)2O3. По внешнему виду они неразличимы и их неточно называют «хромиты». Состав их изменчив. Содержание важнейших компонентов колеблется (весовые %): Cr2O3 от 10,5 до 62,0; Al2O3 от 4 до 34,0; Fe2O3 от 1,0 до 18,0; FeO от 7,0 до 24,0; MgO от 10,5 до 33,0; SiO2 от 0,4 до 27,0; примеси TiO2 до 2; V2O5 до 0,2; ZnO до 5; MnO до 1. В некоторых хромовых рудах содержится 0,1-0,2 г\т элементов группы платины и до 0,2 г\т золота.

Помимо различных хромитов, хром входит в состав ряда других минералов - хромвезувиана, хромового хлорита, хромтурмалина, хромовой слюды (фуксита), хромового граната (уваровита) и др., которые нередко сопровождают руды, но сами промышленного значения не имеют. Хром - относительно слабый водный мигрант. В экзогенных условиях хром, как и железо, мигрирует в виде взвесей и может осаждаться в глинах. Наиболее подвижной формой являются хроматы.

Практическое значение имеет, пожалуй, только хромит FeCr2O4, относящийся к шпинелям - изоморфным минералам кубической системы с общей формулой МО Ме2О3, где М - ион двухвалентного металла, а Ме - ион трехвалентного металла. Помимо шпинелидов, хром встречается во многих значительно менее распространенных минералах, например, меланохроите 3PbO 2Cr2O3, вокелените 2(Pb,Cu)CrO4(Pb,Cu)3(PO4)2, тарапакаите K2CrO4, дитцеите CaIO3 CaCrO4 и других.

Хромиты обычно встречаются в виде зернистых масс черного цвета, реже - в виде октаэдрических кристаллов, имеют металлический блеск, залегают в виде сплошных массивов.

На конец XX века запасы хрома (выявленные) в почти полусотне стран мира, имеющих залежи этого металла, составляли 1674 млн. т. Лидирующую позицию занимает Южно Африканская Республика – 1050 млн. т, где основной вклад вносит Бушвелдский комплекс (около 1000 млн. т). Второе место по хромовым ресурсам принадлежит Казахстану, где в Актюбинской области (Кемпирсайский массив) добывают руду очень высокого качества. Другие страны также имеют запасы этого элемента. Турция (в Гулемане), Филлипины на острове Лусон, Финляндия (Кеми), Индия (Сукинда) и др.

Наша страна имеет свои разрабатываемые месторождения хрома – на Урале (Донское, Сарановское, Халиловское, Алапаевское и многие другие). Причем в начале XIX века именно уральские месторождения являлись основными источниками хромовых руд. Лишь в 1827 американец Исаак Тисон обнаружил крупное месторождение хромовой руды на границе Мериленда и Пенсильвании, перехватив монополию добычи на многие годы. В 1848 залежи хромита высокого качества были найдены в Турции, неподалеку от Бурсы, причем вскоре (после истощения Пенсильванского месторождения) именно эта страна перехватила роль монополиста. Это продолжалось до 1906 года, пока не были обнаружены богатые залежи хромитов в ЮАР и Индии.

Применение

Общий объем потребления чистого металлического хрома на сегодняшний день составляет примерно 15 миллионов тонн. На долю производства электролитического хрома — самого чистого - приходится 5 миллионов тонн, что составляет третью часть от общего потребления.

Хром широко используется для легирования сталей и сплавов, придавая им корозионостойкость и жаростойкость. На изготовление таких «суперсплавов» расходуется более 40 % получаемого чистого металла. Наиболее известны сплавы сопротивления - нихромы с содержанием Cr 15-20 %, жаропрочные сплавы - 13-60 % Cr, нержавеющие - 18 % Cr и шарикоподшипниковые стали 1 % Cr. Добавка хрома к обычным сталям улучшает их физические свойства и делает металл более восприимчивым к термической обработке.

Металлический хром используется для хромирования - нанесения на поверхность стальных сплавов тонкого слоя хрома с целью повышения коррозионной стойкости этих сплавов. Хромированное покрытие отлично противостоит воздействию влажного атмосферного воздуха, соленого морского воздуха, воды, азотной и большинства органических кислот. Такие покрытия бывают двух назначений: защитные и декоративные. Толщина защитных покрытий составляет порядка 0,1 мм, они наносятся непосредственно на изделие и придают ему повышенную износостойкость. Декоративные покрытия имеют эстетическое значение, наносятся на слой другого металла (меди или никеля), который собственно выполняет защитную функцию. Толщина такого покрытия всего 0,0002–0,0005 мм.

Соединения хрома также активно используются в различных областях.

Основная хромовая руда - хромит FeCr2O4 используется в производстве огнеупоров. Магнезитохромитовые кирпичи химически пассивны и термостойки, они выдерживают резкие многократные изменения температур, поэтому их используют в конструкциях сводов мартеновских печей и рабочем пространстве других металлургических устройств и сооружений.

Твердость кристаллов оксида хрома (III) - Cr2O3 соизмерима с твердостью корунда, что обеспечило его применение в составах шлифовальных и притирочных паст, используемых в машиностроении, ювелирной, оптической и часовой промышленности. Его также применяют в качестве катализатора гидрирования и дегидрирования некоторых органических соединений. Cr2O3 используется в живописи в виде зеленого пигмента и для окраски стекла.

Хромат калия - K2CrO4 применяется при дублении кож, в качестве протравы в текстильной промышленности, в производстве красителей, при отбеливании воска.

Дихромат калия (хромпик) - K2Cr2O7 также используется при дублении кож, протраве при окрашивании тканей, является ингибитором коррозии металлов и сплавов. Используется при изготовлении спичек и в лабораторных целях.

Хлорид хрома (II) CrCl2 - очень сильный восстановитель, легко окисляется даже кислородом воздуха, что используется в газовом анализе для количественного поглощения О2. Кроме того, ограниченно используется при получении хрома электролизом расплавов солей и хроматометрии.

Хромокалиевые квасцы K2SO4.Cr2(SO4)3 24H2O используются в основном в текстильной промышленности - при дублении кожи.

Безводный хлорид хрома CrCl3 применяется для нанесения покрытий хрома на поверхность сталей химическим осаждением из газовой фазы, является составной частью некоторых катализаторов. Гидраты CrCl3 - протрава при крашении тканей.

Из хромата свинца РbCrО4 изготовляют различные красители.

Раствором бихромата натрия очищают и травят поверхность стальной проволоки перед цинкованием, а также осветляют латунь. Из бихромата натрия получают хромовую кислоту, которая используется в качестве электролита при хромировании металлических деталей.

Производство

В природе хром встречается в основном в виде хромистого железняка FeO∙Cr2O3, при его восстановлении углем получается сплав хрома с железом — феррохром, который непосредственно используется в металлургической промышленности при производстве хромистых сталей. Содержание хрома в таком составе доходит до 80 % (по массе).

Восстановление оксида хрома (III) углем предназначено для получения высокоуглеродистого хрома, необходимого для производства специальных сплавов. Процесс проводится в электродуговой печи.

Для получения чистого хрома предварительно получают оксид хрома (III), а затем восстанавливают его алюминотермическим способом. При этом предварительно смесь из порошкового или в виде стружки алюминия (Al) и шихту оксида хрома (Cr2O3) прогревают до температуры 500-600° С. Затем, возбуждают восстановление смесью перекиси бария с порошком алюминия, либо запалом части шихты с последующим добавлением оставшейся части. В этом процессе важно, чтобы образовавшейся тепловой энергии хватило на плавление хрома и его отделения от шлака.

Cr2O3 + 2Al = 2Cr + 2Al2O3

Получаемый таким способом хром содержит некое количество примесей: железа 0,25-0,40 %, серы 0,02 %, углерода 0,015–0,02 %. Содержание чистого вещества составляет 99,1–99,4 %. Такой хром хрупок и легко перемалывается в порошок.

Реальность такого метода была доказана и продемонстрирована еще в 1859 году Фридрихом Вёлером. В промышленных масштабах же алюмотермическое восстановление хрома стало возможно только после того, как стал доступным метод получения дешевого алюминия. Гольдшмидт первым разработал безопасный способ регулирования сильно экзотермического (следовательно - взрывоопасного) процесса восстановления.

При необходимости получения высокочистого хрома в промышленности используют электролитические методы. Электролизу подвергают смеси хромового ангидрида, хромоаммонийных квасцов или сульфата хрома с разбавленной серной кислотой. Оседающий в процессе электролиза на алюминиевых или нержавеющих катодах хром содержит растворенные газы в качестве примесей. Чистоты 99,90–99,995 % удается добиться с помощью высокотемпературной (1500-1700° С) очистки в потоке водорода и вакуумной дегазации. Передовые методики рафинирования электролитического хрома удаляют серу, азот, кислород и водород из «сырого» продукта.

Кроме того, возможно получение металлического Cr электролизом расплавов СrCl3 или CrF3 в смеси с фторидами калия, кальция, натрия при температуре 900° C в среде аргона.

Возможность электролитического способа получения чистого хрома доказал Бунзен в 1854 году, подвергая электролизу водный раствор хлорида хрома.

В промышленности используется и силикотермический способ получения чистого хрома. При этом хром из окиси восстанавливается кремнием:

2Cr2O3 + 3Si + 3CaO = 4Cr + 3CaSiO3

Силикотермически хром выплавляют в дуговых печах. Добавка негашеной извести позволяет перевести тугоплавкий диоксид кремния в легкоплавкий шлак силикат кальция. Чистота силикотермического хрома примерно такая же, как и алюминотермического, однако, естественно, содержание в нем кремния несколько выше, а алюминия несколько ниже.

Еще Cr можно получать восстановлением Cr2O3 водородом при 1500° С, восстановлением безводного CrCl3 водородом, щелочными или щелочноземельными металлами, магнием и цинком.

Для получения хрома пытались применить и другие восстановители - углерод, водород, магний. Однако эти способы не получили широкого распространения.

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

Физические свойства

Хром — твердый, весьма тяжелый, тугоплавкий, ковкий металл серо-стального цвета. Чистый хром довольно пластичен, кристаллизуется в объемно-центрированной решетке, а = 2,885Å (при температуре 20° С). При температуре около 1830° С велика вероятность преобразования в модификацию с гранецентрированной решеткой, а = 3,69Å. Атомный радиус 1,27 Å; ионные радиусы Cr2+ 0,83Å, Cr3+ 0,64Å, Cr6+ 0,52 Å.

Температура плавления хрома напрямую зависит от его чистоты. Поэтому определение этого показателя для чистого хрома весьма сложная задача - ведь даже небольшое содержание примесей азота или кислорода могут существенно изменить значение температуры плавления. Множество исследователей на протяжении не одного десятилетия занимались этим вопросом и получали далекие друг от друга результаты: от 1513 до 1920° C. Ранее было принято считать, что этот металл плавится при температуре 1890° C, но современные исследования указывают температуру в 1907° С, хром кипит при температуре свыше 2500° C - данные также разнятся: от 2199° C до 2671° С. Плотность хрома меньше, чем у железа; она составляет 7,19 г\см3 (при температуре 200° C).

Хрому свойственны все основные характеристики металлов - он хорошо проводит теплоту, его сопротивление электрическому току очень мало, как и большинство металлов, хром имеет характерный блеск. Кроме того, этот элемент имеет одну очень интересную особенность: дело в том, что при температуре 37° C его поведение не поддается объяснению - происходит резкое изменение многих физических свойств, это изменение имеет скачкообразный характер. Хром, как заболевший человек при температуре 37° C начинает капризничать: внутреннее трение хрома достигает максимума, модуль упругости падает до минимальных значений. Скачет значение электропроводности, постоянно изменяется термоэлектродвижущая сила, коэффициент линейного расширения. Данный феномен ученые пока объяснить не могут.

Удельная теплоемкость хрома 0,461 кДж/(кг.К) или 0,11 кал/(г °С) (при температуре 25°С); коэффициент теплопроводности 67 Вт/(м К) или 0,16 кал/(см сек °С) (при температуре 20 °С). Термический коэффициент линейного расширения 8,24 10-6 (при 20 °С). Хром при температуре 20 °С имеет удельное электросопротивление 0,414 мком м, а его термический коэффициент электросопротивления в интервале 20-600° С составляет 3,01 10-3.

Известно, что хром очень чувствителен к примесям – самые малые доли других элементов (кислород, азот, углерод) способны сделать хром очень хрупким. Получить же хром без этих примесей крайне трудно. По этой причине данный металл в конструкционных целях не используется. Зато в металлургии он активно применяется, как легирующий материал, так как его добавка в сплав делает сталь твердой и износостойкой, ведь хром самый твердый из всех металлов - он подобно алмазу режет стекло! Твердость высокочистого хрома по Бринеллю 7-9 Мн/м2 (70-90 кгс/см2). Хромом легируют пружинные, рессорные, инструментальные, штамповые и шарикоподшипниковые стали. В них (кроме шарикоподшипниковых сталей) хром присутствует вместе с марганцем, молибденом, никелем, ванадием. Добавка хрома к обычным сталям (до 5 % Сr) улучшает их физические свойства и делает металл более восприимчивым к термической обработке.

Хром антиферромагнитен, удельная магнитная восприимчивость 3,6 10-6. Удельное электрическое сопротивление 12,710-8 Ом. Температурный коэффициент линейного расширения хрома 6,210-6. Теплота парообразования этого металла составляет 344,4 кДж/Моль.

Хром устойчив к коррозии на воздухе и в воде.

Химические свойства

Химически хром довольно инертен, это объясняется наличием на его поверхности прочной тонкой пленки оксида. На воздухе Cr не окисляется, даже в присутствии влаги. При нагреве окисление протекает исключительно на поверхности металла. При 1200° C пленка разрушается, и окисление протекает гораздо быстрее. При 2000° C хром сгорает с образованием зелёного оксида хрома (III) Cr2O3, обладающего амфотерными свойствами. Сплавляя Cr2O3 со щелочами, получают хромиты:

Cr2O3 + 2NaOH = 2NaCrO2 + H2O

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

Cr2O3 + 6HCl = 2CrCl3 + 3Н2О

В соединениях хром в основном проявляет степени окисления Cr+2, Cr+3, Cr+6. Наиболее устойчивыми являются Cr+3 и Cr+6. Так же существуют некоторые соединения, где хром имеет степени окисления Cr+1, Cr+4, Cr+5. Соединения хрома весьма разнообразны по цвету: белые, синие, зеленые, красные, фиолетовые, черные и многие другие.

Хром легко реагирует с разбавленными растворами соляной и серной кислот с образованием хлорида и сульфата хрома и выделением водорода:

Cr + 2HCl = CrCl2 + H2

Царская водка и азотная кислота пассивируют хром. Причем пассивированный азотной кислотой хром не растворяется в разбавленных серной и соляной кислотах даже при длительном кипячении в их растворах, но в какой-то момент растворение все-таки происходит, сопровождаемое бурным вспениванием от выделившегося водорода. Этот процесс объясняется тем, что хром из пассивного состояния переходит в активное, в котором металл не защищен защитной пленкой. Причем, если в процессе растворения вновь добавить азотной кислоты, то реакция прекратится, так как хром вновь пассивируется.

При обычных условиях хром взаимодействует с фтором, образуя CrF3. При температурах выше 600° C происходит взаимодействие с водяными парами, результатом такого взаимодействия является оксид хрома (III) Сr2О3:

4Cr + 3O2 = 2Cr2O3

Cr2O3, представляет собой зеленые микрокристаллы с плотностью 5220 кг/м3 и высокой температурой плавления (2437° С). Оксид хрома (III) проявляет амфотерные свойства, но весьма инертен, его трудно растворить в водных кислотах и щелочах. Оксид хрома(III) довольно токсичен. Попадая на кожу, он способен вызывать экзему и другие кожные заболевания. Поэтому, при работе с оксидом хрома (III) обязательно необходимо использовать средства индивидуальной защиты.

Помимо окиси, известны другие соединения с кислородом: CrO, CrO3, получаемые косвенным путем. Наибольшую опасность представляет вдыхаемый аэрозоль оксида, вызывающий тяжелые заболевания верхних дыхательных путей и легких.

Хром образует большое число солей с кислородосодержащими компонентами.

Часто можно встретить такое понятие, как «хромированная поверхность», а нержавеющая сталь знакома почти каждому жителю планеты. Что в них общего? Правильный ответ — хром. Давайте узнаем, что такое хром и где его применяют, каковы его свойства и роль в жизни человека.

Хром — твердый металл, который имеет голубовато-серый цвет. Находится в 6-й группе 4-го периода таблицы Менделеева. Имеет атомный номер 24 и обозначение Cr.

Физические свойства хрома

Температура плавления хрома составляет 2130 градусов по шкале Кельвина, а температура кипения - 2945 Кельвинов. Металл имеет кубическую кристаллическую решетку и твердость 5 по шкале Мооса. Хром является одним из наиболее твердых металлов (в чистом виде) и уступает по показателям только Урану, бериллию, иридию и вольфраму. Очищенный хром легко поддается механической обработке.

Химические свойства хрома

Хром имеет несколько степеней окисления, которые значительно влияют на его свойства и цвет.

• Степень окисления +2 - имеет голубой цвет, является очень хорошим восстановителем.
• Степень окисления +3 - амфотерный оксид зеленого или лилового цвета.
• Степень окисления +4 - очень редкое соединение, не образует солей и имеет обычный цвет - серебристый.
• Степень окисления +6 - очень сильный окислитель, гигроскопичен и очень ядовит. Хроматы данного оксида имеют желтый цвет, а дихроматы - оранжевый.

В виде простого вещества устойчив на воздухе. Не вступает в реакцию с серной и азотистой кислотами. При температуре более 2000 градусов Цельсия сгорает и образует зеленый оксид хрома.

Существуют соединения хрома с бором, углеродом, азотом и кремнием.

Применение хрома

• Хром применяется при создании нержавеющих сплавов. Всем нам известная нержавеющая сталь создается с применением хрома.
• Хром используется как гальваническое покрытие. Наверняка вы видели хромированные металлические поверхности. Их можно узнать по красивому зеркальному блеску. Хромированные изделия меньше подвержены атмосферной коррозии (не ржавеют).
• Различные сплавы хрома применяются для создания сопел авиационных и ракетных двигателей, а также для производства сопел плазмотронов.
• Из сплава хрома и никеля создают нагревательные элементы.
• Из соединений хрома делают различные красители, а также соединения для дубления кожи.

Если вас интересуют значения других терминов, посетите раздел