ХРОМ: СВОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2024

Хром (Cr) , представляет собой металлический элемент группы VIB (6) периодической таблицы. Тонны этого металла производятся ежегодно путем его извлечения из хромитового минерала железа или магния (FeCr ₂ O ₄ , MgCr ₂ O ₄ ), которые восстанавливаются углем для получения металла. Он очень реактивен, и только в очень восстановительных условиях он находится в чистом виде.

Его название происходит от греческого слова «цвет», что означает цвет. Он получил это название из-за множества ярких цветов, которые демонстрируют соединения хрома, будь то неорганические или органические; от черных твердых веществ или растворов до желтого, оранжевого, зеленого, фиолетового, синего и красного цветов.

Хромированный крокодил. Серебряный Крокодил Хром Металл Модель Аллигатор. Источник: Maxpixel

Однако цвет металлического хрома и его карбидов серебристо-сероватый. Эта характеристика используется в технике хромирования, чтобы придать многим структурам серебряные блестки (например, те, что мы видим у крокодила на изображении выше). Таким образом, «купание с хромом» придает изделиям блеск и большую устойчивость к коррозии.

Хром в растворе быстро реагирует с кислородом воздуха с образованием оксидов. В зависимости от pH и окислительных условий среды она может приобретать различную степень окисления, причем (III) (Cr ³⁺ ) является наиболее стабильным из всех. Следовательно, зеленый оксид хрома (III) (Cr ₂ O ₃ ) является наиболее стабильным из его оксидов.

Эти оксиды могут взаимодействовать с другими металлами в окружающей среде, вызывая, например, пигмент сибирский красный свинец (PbCrO ₄ ). Этот пигмент бывает желто-оранжевым или красным (в зависимости от щелочности), из него французский ученый Луи Николя Воклен выделил металлическую медь, за что и получил награду как ее первооткрыватель.

Его минералы и оксиды, а также небольшая часть металлической меди делают этот элемент 22-м из самых распространенных в земной коре.

Химический состав хрома очень разнообразен, потому что он может образовывать связи почти со всей периодической таблицей. Каждое из его соединений имеет цвет, который зависит от степени окисления, а также от видов, которые с ним взаимодействуют. Точно так же он образует связи с углеродом, вступая в большое количество металлоорганических соединений.

Характеристики и свойства

Хром - серебристый металл в чистом виде с атомным номером 24 и молекулярной массой примерно 52 г / моль ( ⁵² Cr, его наиболее стабильный изотоп).

Благодаря прочным металлическим связям он имеет высокие температуры плавления (1907 ºC) и кипения (2671 ºC). Кроме того, его кристаллическая структура делает его очень плотным металлом (7,19 г / мл).

Он не реагирует с водой с образованием гидроксидов, но реагирует с кислотами. Он окисляется кислородом воздуха, обычно образуя оксид хрома, который является широко используемым зеленым пигментом.

Эти оксидные слои создают так называемую пассивацию, защищающую металл от дальнейшей коррозии, поскольку кислород не может проникнуть в пазуху металла.

Его электронная конфигурация 4s ¹ 3d ⁵ , все электроны неспарены, и поэтому он проявляет парамагнитные свойства. Однако спаривание электронных спинов может происходить, если металл подвергается воздействию низких температур, приобретая другие свойства, такие как антиферромагнетизм.

Химическая структура хрома

Автор: Оригинальные PNG Даниэля Майера, DrBob, трассировка в Inkscape пользователем: Stannered (Crystal stucture) через Wikimedia Commons

Какова структура хромированного металла? В чистом виде хром имеет объемно-центрированную кубическую кристаллическую структуру (cc или bcc). Это означает, что атом хрома расположен в центре куба, края которого заняты другими хромами (как на изображении выше).

Благодаря этой структуре хром имеет высокие температуры плавления и кипения, а также высокую твердость. Согласно зонной теории, атомы меди перекрывают свои s- и d-орбитали, образуя зоны проводимости.

Таким образом, обе полосы заполнены наполовину. Зачем? Поскольку его электронная конфигурация равна 4s ¹ 3d ⁵ и в качестве s-орбитали он может содержать два электрона, а d-орбитали - десять. Тогда только половина зон, образованных их перекрытием, занята электронами.

С этих двух точек зрения - кристаллической структуры и металлической связи - многие физические свойства этого металла можно объяснить теоретически. Однако ни один из них не объясняет, почему хром может иметь разные степени окисления или числа.

Это потребует глубокого понимания стабильности атома по отношению к электронным спинам.

Число окисления

Поскольку электронная конфигурация хрома составляет 4s ¹ 3d ^{5, он} может получить до одного или двух электронов (Cr ^1– и Cr ^2– ) или потерять их, чтобы приобрести различную степень окисления.

Таким образом, если хром теряет электрон, это будет 4s ⁰ 3d ⁵ ; если он проиграет три, 4s ⁰ 3d ³ ; и если он потеряет их все или что то же самое, он будет изоэлектронен аргону.

Хром не теряет и не получает электроны по простой прихоти: должен быть вид, который отдает или принимает их, чтобы перейти от одной степени окисления к другой.

Хром имеет следующие степени окисления: -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5 и +6. Из них +3, Cr ³⁺ является наиболее стабильным и, следовательно, преобладающим из всех; затем идут +6, Cr ⁶⁺ .

Cr (-2, -1 и 0)

Маловероятно, что хром получит электроны, поскольку это металл, и поэтому его природа заключается в том, чтобы отдавать их. Однако он может координироваться с лигандами, то есть молекулами, которые взаимодействуют с металлическим центром через дативную связь.

Одним из наиболее известных является оксид углерода (CO), который образует гексакарбонильное соединение хрома.

Это соединение имеет молекулярную формулу Cr (CO) ₆ , и поскольку лиганды нейтральны и не обеспечивают никакого заряда, то степень окисления Cr равна 0.

Это также можно наблюдать в других металлоорганических соединениях, таких как бис (бензол) хром. В последнем хром окружен двумя бензольными кольцами в виде сэндвича молекулярной структуры:

Автор Бен Миллс, из Wikimedia Commons

Многие другие соединения Cr (0) могут возникать из этих двух металлоорганических соединений.

Были обнаружены соли, которые взаимодействуют с катионами натрия, что означает, что Cr должен иметь отрицательную степень окисления для притяжения положительных зарядов: Cr (-2), Na ₂ и Cr (-1), Na ₂ .

Cr (I) и Cr (II)

Cr (I) или Cr ¹⁺ получают окислением только что описанных металлоорганических соединений. Это достигается окислением лигандов, таких как CN или NO, с образованием, например, соединения K ₃ .

Здесь тот факт, что существует три катиона K ^+, означает, что комплекс хрома имеет три отрицательных заряда; аналогично лиганд CN ^- вносит пять отрицательных зарядов, так что между Cr и NO они должны добавить два положительных заряда (-5 + 2 = -3).

Если NO нейтрален, то это Cr (II), но если он имеет положительный заряд (NO ⁺ ), то это Cr (I).

С другой стороны, соединения Cr (II) более распространены, среди них следующие: хлорид хрома (II) (CrCl ₂ ), ацетат хрома (Cr ₂ (O ₂ CCH ₃ ) ₄ ), оксид хрома ( II) (CrO), сульфид хрома (II) (CrS) и др.

Cr (III)

Из всех он обладает наибольшей стабильностью, так как фактически является продуктом многих окислительных реакций хромат-ионов. Возможно, его стабильность связана с его электронной конфигурацией d ³ , в которой три электрона занимают три d-орбитали с меньшей энергией по сравнению с двумя другими более энергичными (удвоение d-орбиталей).

Наиболее типичным соединением с такой степенью окисления является оксид хрома (III) (Cr ₂ O ₃ ). В зависимости от координирующих с ним лигандов комплекс будет иметь тот или иной цвет. Примеры этих соединений: Cl, Cr (OH) ₃ , CrF ₃ , ³⁺ и т. Д.

Хотя химическая формула на первый взгляд этого не показывает, хром обычно имеет в своих комплексах октаэдрическую координационную сферу; то есть он расположен в центре октаэдра, где его вершины расположены лигандами (всего шесть).

Cr (IV) и Cr (V)

Соединений, в которых участвует Cr ⁵⁺ , очень мало из-за электронной нестабильности указанного атома, в дополнение к тому факту, что он легко окисляется до Cr ⁶⁺ , гораздо более стабильным, поскольку он изоэлектронен по отношению к благородному газу аргон.

Однако соединения Cr (V) можно синтезировать при определенных условиях, например при высоком давлении. Точно так же они имеют тенденцию разлагаться при умеренных температурах, что делает невозможным их возможное применение, поскольку они не обладают термическим сопротивлением. Некоторые из них: CrF ₅ и K ₃ (O ₂ ² - анион пероксида).

С другой стороны, Cr ⁴⁺ относительно более стабилен, так как способен синтезировать свои галогенированные соединения: CrF ₄ , CrCl ₄ и CrBr ₄ . Однако они также подвержены разложению в результате окислительно-восстановительных реакций с образованием атомов хрома с лучшими степенями окисления (например, +3 или +6).

Cr (VI): пара хромат-дихромат

2 ^2- + 2H ⁺ (желтый) => ^2- + H ₂ O (оранжевый)

Вышеприведенное уравнение соответствует кислотной димеризации двух хромат-ионов с образованием дихромата. Изменение pH вызывает изменение взаимодействий вокруг металлического центра Cr ⁶⁺ , что также проявляется в цвете раствора (от желтого до оранжевого или наоборот). Дихромат состоит из мостика O ₃ Cr-O-CrO ₃ .

Соединения Cr (VI) вредны и даже канцерогены для организма человека и животных.

Как? Исследования подтверждают, что ионы CrO ₄ ^2- проникают через клеточные мембраны под действием белков, транспортирующих сульфат (на самом деле оба иона имеют одинаковый размер).

Восстанавливающие агенты внутри клеток восстанавливают Cr (VI) до Cr (III), который накапливается за счет необратимой координации с определенными участками макромолекул (такими как ДНК).

Как только клетка загрязнена избытком хрома, она не может уйти из-за отсутствия механизма, который транспортирует ее обратно через мембраны.

Хром использует

В качестве красителя или пигментов

Хром имеет широкий спектр применения, от красителя для различных типов тканей до защитного покрытия, украшающего металлические детали так называемым хромированием, которое может быть выполнено из чистого металла или из соединений Cr (III) или Cr (VI).

Фторид хрома (CrF ₃ ), например, используется в качестве красителя для шерстяных тканей; сульфат хрома (Cr ₂ (SO ₄ ) ₃ ), используется для окрашивания эмалей, керамики, красок, чернил, лаков, а также для хромирования металлов; и оксид хрома (Cr ₂ O ₃ ) также находит применение там, где требуется его привлекательный зеленый цвет.

Следовательно, любой минерал хрома с интенсивным цветом может окрасить структуру, но после этого возникает факт, опасны ли эти соединения для окружающей среды или здоровья людей.

Фактически, его ядовитые свойства используются для защиты дерева и других поверхностей от нападения насекомых.

В хроме или металлургии

В сталь также добавляют небольшое количество хрома, чтобы укрепить ее против окисления и улучшить ее блеск. Это связано с тем, что он способен образовывать сероватые карбиды (Cr ₃ C ₂ ), которые очень устойчивы при взаимодействии с кислородом воздуха.

Поскольку хром можно отполировать до глянцевых поверхностей, хром может иметь серебристый дизайн и цвета как более дешевая альтернатива для этих целей.

питательный

Некоторые спорят, можно ли считать хром важным элементом, то есть незаменимым в ежедневном рационе. Он присутствует в некоторых продуктах питания в очень малых концентрациях, например, в зеленых листьях и помидорах.

Точно так же существуют белковые добавки, которые регулируют активность инсулина и способствуют росту мышц, как в случае с полиникотинатом хрома.

Где она находится?

Источник: Pixabay

Хром содержится в большом количестве минералов и драгоценных камней, таких как рубины и изумруды. Основным минералом, из которого извлекается хром, является хромит (MCr ₂ O ₄ ), где M может быть любым другим металлом, с которым связан оксид хрома. Этих шахт есть в ЮАР, Индии, Турции, Финляндии, Бразилии и других странах.

Каждый источник имеет один или несколько вариантов хромита. Таким образом, для каждого M (Fe, Mg, Mn, Zn и т. Д.) Возникает свой минерал хрома.

Для извлечения металла необходимо восстановить минерал, то есть заставить центр металлического хрома получить электроны под действием восстановителя. Это делается из карбона или алюминия:

FeCr ₂ O ₄ + 4C => Fe + 2Cr + 4CO

Также обнаружен хромит (PbCrO ₄ ).

Как правило, в любом минерале, в котором ион Cr ³⁺ может замещать Al ³⁺ , оба с немного схожими ионными радиусами, он представляет собой примесь, которая приводит к еще одному естественному источнику этого удивительного, но вредного металла.

Ссылки

1. Тененбаум Э. Хром. Взято с: chemistry.pomona.edu
2. Wikipedia. (2018). Хром. Взято с: en.wikipedia.org
3. Энн Мари Хельменстин, доктор философии (6 апреля 2018 г.). В чем разница между Chrome и Chromium? Взято с: thinkco.com
4. Н. В. Мандич. (тысяча девятьсот девяносто пятый год). Химия хрома. , Взято с: citeseerx.ist.psu.edu
5. Химия LibreTexts. Химия хрома. Взято с сайта chem.libretexts.org
6. Саул 1. Шупак. (1991). Химия хрома и некоторые связанные с этим проблемы анализа. Отзыв от: ncbi.nlm.nih.gov
7. Advameg, Inc. (2018). Хром. Взято с: chemistryexplained.com