Хром (Cr) — химичен елемент №24: свойства, изотопи и приложения

Открийте свойствата, изотопите и приложенията на хром (Cr, атомен №24) — физични характеристики, промишлено използване и безопасност.

Хромът е химичен елемент със символ Cr в периодичната таблица. Неговият атомен номер е 24 — тоест всеки атом на хром съдържа 24 протона. В неутрално състояние атомът има и 24 електрона, а при образуване на йони броят на електроните намалява. Стандартната относителна атомна маса на хрома е приблизително 51.996 u (приблизително 52), а естественият му химичен образ включва няколко изотопи, като най-разпространеният е 52Cr.

Физични свойства

• Външен вид: твърд, лъскав, стоманено-сив метал.
• Плътност: около 7.19 g/cm³.
• Точка на топене: приблизително 1907 °C; точка на кипене: около 2671 °C.
• Кристална структура: кубична плътно-центрирана (bcc) при стайна температура.
• Електронна конфигурация: необичайна за преходен метал — [Ar] 3d5 4s1, което влияе на неговата химична стабилност и окислителни степени.
• Магнитни свойства: хромът проявява сложни магнитни явления — при ниски температури показва антиферомагнетизъм (спиново плътностно вълново поведение).

Химични свойства и окислителни състояния

Хромът образува множество оксалтили и съединения с разнообразни окислителни степени. Най-важните са:

• Cr(0) — металната форма.
• Cr(II) — слабо стабилно, редукционно.
• Cr(III) — много разпространено и химически по-стабилно състояние; характерно за съединения като хром(III) оксид (Cr2O3), зелени пигменти и някои катализатори.
• Cr(VI) — силно окислително и токсично състояние, присъстващо в хромати и дихромати (например K2Cr2O7); опасно за човешкото здраве и околната среда.

Металът лесно образува на повърхността тънък оксиден пасивационен слой (подобно на алуминия), който защитава от корозия и е основа за неговите приложения в сплави и покрития.

Изотопи

В природата хромът се среща главно като смес от стабилни изотопи: 52Cr (≈83.8%), 53Cr (≈9.5%), 50Cr (≈4.3%) и 54Cr (≈2.4%). Освен тях са известни и множество радиоизотопи. Един от практично важните радиоизотопи е 51Cr (период на полуразпад ~27.7 дни), използван в медицински и биологични изследвания като маркер (например за маркиране на червени кръвни клетки).

Производство и разпространение

• Основната руда е хромитът (FeCr2O4). Преработката включва добив, концентриране и топене за получаване на ферохром (сплав на желязо и хром), който се използва в металургията и за по-нататъшно рафиниране.
• Главни производители са държави като Южна Африка, Казахстан, Турция, Индия и Русия.
• Средното съдържание на хром в земната кора е относително голямо — около 100 ppm (~0.01%).

Приложения

• Легиране на стомани: хромът е ключова добавка в неръждаемите стомани и много сплави — подобрява корозионната устойчивост, твърдостта и устойчивостта на износване.
• Хромиране и покрития: електрохимично и химическо хромиране за износоустойчиви и антикорозионни покрития.
• Пигменти: хром(III) оксид (Cr2O3) — зелен пигмент; хромати и дихромати — жълти/оранжеви пигменти (с ограничение поради токсичност).
• Катализатори: някои хромови съединения се използват в каталитични процеси в химическата промишленост.
• Рефрактерни материали и чугун: хромът повишава устойчивостта на високи температури.
• Други: кожа и текстилна промишленост (таниране), третиране на дървесина, лабораторни реагенти и аналитични приложения.

Здраве и безопасност

Cr(III) в малки количества е микроелемент и участва в метаболизма на въглехидратите при някои организми (въпреки че полезността на хранителните добавки с хром е дискутирана). Cr(VI) обаче е силно токсичен, канцерогенен и може да предизвика тежки здравословни проблеми при вдишване, контакт с кожата или замърсяване на вода. Ето няколко важни точки:

• Опасност: Cr(VI) причинява дразнене, алергии, увреждане на вътрешни органи и рак при професионално излагане или екологична експозиция.
• Предпазни мерки: индустриални стандарти ограничават емисиите и експозицията; използват се лични предпазни средства при работа с хромови агенти.
• Околна среда: отпадъчни води от галванично хромиране и химическа промишленост трябва да се пречистват, за да се предотврати замърсяване с Cr(VI).

Примери за съединения

• Cr2O3 — хром(III) оксид, зелен и устойчив; използва се като пигмент и в корозионно устойчиви покрития.
• CrO3 — хромов триоксид (хромова киселина), силен окислител — използван преди като окислител и в хромиране (опасен).
• K2Cr2O7 — калиев дихромат, оранжево-червен кристал, силен окислител и лабораторен реагент.

Хромът е важен технологичен метал с широка употреба, но работата с хромови съединения изисква контрол и грижа поради потенциалната токсичност на някои от тях. За безопасна употреба се прилагат регулации и добри практики в промишлеността и екологичната защита.

Съединения

Хромът се среща в няколко състояния на окисление; най-често срещаните са +2, +3 и +6. Той образува химични съединения, които са цветни.

• Хромов(II) оксид, черен, рядък, редуктор
• Хром(II) хлорид, син при разтваряне във вода, нестабилен
• Хромов(III) оксид, тъмнозелен
• Хромов(III) хлорид, зелен, когато съдържа вода (хидратиран), лилав, когато не съдържа вода (безводен)
• Хром(III) сулфат
• Хромов(IV) оксид, черен, използван в касети
• Хромов(VI) оксид, хромов триоксид, червен, окислител, токсичен. Хромовата киселина се образува при разтваряне на хромов(VI) оксид във вода.
• Хромилхлорид, червена течност
• Хром алуминий

Тривалентен хром

Съществуват два основни вида хромови йони, които се съдържат в съединенията на хрома. Единият вид хромов йон (Cr³⁺, тривалентен хром ) е необходим на нашия организъм и на организма на други животни. Ако не получаваме достатъчно хром, някои части на тялото ни може да не работят правилно. По-голямата част от необходимия ни хром се набавя от храната, която консумираме. Хромът се съдържа и във витамините, за да се гарантира, че получаваме достатъчно количество. Ако получим твърде много от този вид хром, той може да навреди на организма ни.

Шествалентен хром

Друг вид хром (Cr⁶⁺ (хромат, шествалентен хром), в състояние на окисление +6) може да причини рак или да разболее хората, въпреки че повечето хора не са изложени на въздействието му. Намира се в местата, където се произвеждат хромови метали, поради което те трябва да бъдат почистени, когато бъдат затворени. Шествалентният хром може да бъде унищожен чрез реакция с редуциращи агенти, като се превръща в Cr³⁺ (тривалентен хром). Те са силни окислители.

Хромати

Хроматният йон е CrO₄^2- . Хроматите обикновено са жълти.

• Калиев хромат
• Натриев хромат

Дихромати

Дихроматният йон е Cr O₂₇^2- . Дихроматите са червени или оранжеви.

• Амониев дихромат
• Калиев дихромат
• Натриев дихромат, използван при обработката на хром

 
Тривалентно съединение на хрома  


Съединение на шествалентен хром  

Среща и подготовка

Хромът се среща под формата на хромит. Хромитът е смес от железен(II) оксид и хромов(III) оксид. Химичната му формула е FeCr O₂₄ . Той се нагрява с натриев карбонат, за да се получат натриев хромат, железен(III) оксид и въглероден диоксид. Натриевият хромат реагира със сярна киселина, за да се получи натриев дихромат. Натриевият дихромат се редуцира с въглерод до хромов(III) оксид. Хромовият(III) оксид реагира с алуминий, за да се получи метален хром. Хроматите и дихроматите са това, което прави зоните за производство на хром токсични.

 
Хромит  

Въпроси и отговори

В: Какъв е символът на хрома в периодичната таблица?

В: Какъв е атомният номер на хрома?

В: Колко протона има хромът?

В: Какво е масовото число на хрома?

В: Колко електрона има металната форма на хрома?

В: Има ли различни изотопи с повече или по-малко неутрони от обичайното за хрома?

Въпрос: Имат ли йоните на хрома по-малко електрони, отколкото металната форма?

Търсене по буква