Характеристика свойств хрома

Размещено на http://www.allbest.ru/

13

Введение

Хром (лат. Cromium), Cr, химический элемент VI группы периодической системы Менделеева, атомный номер 24, атомная масса 51,996; металл голубовато-стального цвета. Как и большинство металлов, хром имеет очень высокую температуру кипения, она равна 2672 °C. Но в высоком вакууме, при сильном нагревании, этот металл довольно быстро испаряется и при конденсации образует очень красивые кристаллы.

Хромиты окрашены в темный или почти черный цвет, имеют металлический блеск и обычно залегают в виде сплошных массивов. Месторождения хромита имеют магматическое происхождение. Его выявленные ресурсы оценены в 47 странах мира и составляют 15 миллиардов тонн.

Хром, очень широко применяется в промышленности и в быту. Многие сорта нержавеющей стали содержат больше 15% хрома. Им покрывают различные изделия для защиты от коррозии, соединения хрома используют в качестве пигментов.

Основная часть добываемой в мире хромистой руды поступает сегодня на ферросплавные заводы, где выплавляются различные сорта феррохрома и металлического хрома.

Хромиты широко используют и в огнеупорной промышленности. Магнезитохромитовый кирпич - отличный огнеупорный материал для футеровки мартеновских печей и других металлургических агрегатов. Этот материал обладает высокой термостойкостью, ему не страшны многократные резкие изменения температуры.хром

Хром - микроэлемент, необходимый для нормального развития и функционирования человеческого организма.

Установлено, что в биохимических процессах принимает участие только трехвалентный хром. Важнейшая его биологическая роль состоит в регуляции углеводного обмена и уровня глюкозы в крови.

1. История открытия хрома

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 - РbCrО₄. 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 выделил из него металл, который (тоже, кстати, после некоторых споров) назвали хромом. Воклен обработал крокоит поташем К₂CO₃: 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. (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".

2. Нахождение в природе

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)₂O₃. Хромовая руда носит название хромитов или хромистого железняка (потому, что почти всегда содержит и железо).

Хромиты окрашены в темный или почти черный цвет, имеют металлический блеск и обычно залегают в виде сплошных массивов. Месторождения хромита имеют магматическое происхождение. Его выявленные ресурсы оценены в 47 странах мира и составляют 15 миллиардов тонн. Первое место по запасам хромита занимает ЮАР (76% от разведанных мировых запасов), где наибольшее значение имеет группа Бушвельдских месторождений, содержание хромовой руды в которых составляет 1 миллиард тонн.

Второе место в мире по ресурсам хромита занимает Казахстан (9% от мировых запасов), хромовые руды там очень высокого качества. Все ресурсы хромита в Казахстане сосредоточены в Актюбинской области (Кемпирсайский массив с запасами 300 млн. тонн); месторождения разрабатываются с конца 1930-х. Третье место занимает Зимбабве (6% от мировых запасов). Кроме того, значительными ресурсами хромита обладают США, Индия, Филиппины, Турция, Мадагаскар, Бразилия. В России довольно крупные залежи хромита встречаются на Урале (Сарановское, Верблюжьегорское, Алапаевское, Монетная дача, Халиловское и другие месторождения).

Хром, 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).

3. Физические свойства

Хром - серебристый металл с плотностью 7200 кг/м³. Определение температуры плавления чистого хрома представляет собой чрезвычайно трудную задачу, так как малейшие примеси кислорода или азота существенно влияют на величину этой температуры. По результатам современных измерений она равняется 1907° С. Температура кипения хрома 2671° С. Совершенно чистый (без газовых примесей и углерода) хром довольно вязок, ковок и тягуч. При малейшем загрязнении углеродом, водородом, азотом и т.д. становится хрупким, ломким и твердым.

Хром кристаллизуется в объемноцентрированной решетке, а = 2,885Е (20 °С); при 1830 °С возможно превращение в модификацию с гранецентрированной решеткой, а = 3,69Е.

Атомный радиус 1,27 Е; ионные радиусы Cr²⁺ 0,83Е, Cr³⁺ 0,64Е, Cr⁶⁺ 0,52 Е. Удельная теплоемкость 0,461 кдж/(кг·К) [0,11 кал/(г·°С)] (25°С); термический коэффициент линейного расширения 8,24·10^-6 (при 20 °С); коэффициент теплопроводности 67 вт/(м·К) [0,16 кал/(см·сек·°С)] (20 °С); удельное электросопротивление 0,414 мком·м (20 °С); термический коэффициент электросопротивления в интервале 20-600 °С составляет 3,01·10^-3. Хром антиферромагнитен, удельная магнитная восприимчивость 3,6·10-6. Твердость высокочистого хрома по Бринеллю 7-9 Мн/м² (70-90 кгс/см²).

4. Химические свойства

Внешняя электронная конфигурация атома хрома 3d⁵4s¹. В соединениях обычно проявляет степени окисления +2, +3, +6, среди них наиболее устойчивы Сr³⁺; 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 CrF3. Выше 600 °С взаимодействует с парами воды, давая Сr2О3; азотом - Cr₂N, CrN; углеродом - Сr₂₃С₆, Сr₇С₃, Сr₃С₂; серой - Cr₂S₃.

Пассивированный азотной кислотой хром, в отличие от металла без защитного слоя, не растворяется в разбавленных серной и соляной кислотах даже при длительном кипячении в растворах этих кислот, тем не менее, в определенный момент начинается быстрое растворение, сопровождающееся вспениванием от выделяющегося водорода - из пассивной формы хром переходит в активированную, не защищенную пленкой оксида:

Cr + 2HCl = CrCl₂ + H₂

Если в процессе растворения добавить азотной кислоты, то реакция сразу прекращается - хром снова пассивируется.

При нагревании металлический хром соединяется с галогенами, серой, кремнием, бором, углеродом и некоторыми другими элементами:

Cr + 2F₂ = CrF₄ (с примесью CrF₅)

2Cr + 3Cl₂ = 2CrCl₃

2Cr + 3S = Cr₂S₃

При нагревании хрома с расплавленной содой на воздухе, нитратами или хлоратами щелочных металлов получаются соответствующие хроматы(VI):

2Cr + 2Na₂CO₃ + 3O₂ = 2Na₂CrO₄ + 2CO₂.

В зависимости от требуемой степени чистоты металла существует несколько промышленных способов получения хрома.

Возможность алюмотермического восстановления оксида хрома(III) была продемонстрирована еще Фридрихом Вёлером в 1859 однако в промышленном масштабе этот метод стал доступен, как только появилась возможность получения дешевого алюминия.

Промышленное алюмотермическое получение хрома началось с работ Гольдшмидта, которому впервые удалось разработать надежный способ регулирования сильно экзотермического (а, следовательно, взрывоопасного) процесса восстановления:

Cr₂O₃ + 2Al = 2Cr + 2Al₂O₃.

В растворах наиболее устойчивы соединения хрома (III). В этой степени окисления хрому соответствуют как катионная форма, так и анионные формы, например, существующий в щелочной среде анион [Cr(OH)₆]^3-.

При окислении соединений хрома (III) в щелочной среде образуются соединения хрома (VI): 2Na₃[Cr(OH)₆] + 3H₂O₂ = 2Na₂CrO₄ + 2NaOH + 8H₂O.

Хрому (VI) отвечает ряд существующих только в водных растворах кислот: хромовая H2CrO4, дихромовая H₂Cr₂O₇, трихромовая H₃Cr₃O₁₀ и другие, которые образуют соли -- хроматы, дихроматы, трихроматы и т. д. Соединения хрома (III) -- сильные окислители, например:

K₂Cr₂O₇ + 14НСl = 2CrCl₃ + 2KCl + 3Cl₂ + 7H₂O.

5. Производство хрома

Промышленным сырьем при производстве хрома и сплавов на его основе служит хромит. Восстановительной плавкой хромита с коксом (восстановителем), железной рудой и другими компонентами получают феррохром с содержанием хрома до 80% (по массе).

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 Сr³⁺, реакция следующая:

2FeCr₂О₄ + 4K₂CO₃ + 3,5О₂ = 4К₂СrО₄ + Fе₂О₃ + 4СО₂.

Образующийся хромат калия К₂СrО₄ выщелачивают горячей водой и действием H₂SO₄ превращают его в дихромат К₂Сr₂О₇. Далее действием концентрированного раствора H₂SО₄ на К₂Сr₂О₇ получают хромовый ангидрид С₂О₃ или нагреванием К₂Сr₂О₇ с серой - оксид хрома (III) С₂О₃.

Наиболее чистый хром в промышленного условиях получают либо электролизом концентрированных водных растворов СrО₃ или Сr₂О₃, содержащих H₂SO₄, либо электролизом сульфата хрома Cr₂(SO₄)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 CrF₃ или СrCl₃ в смеси с фторидами натрия, калия, кальция при температуре около 900 °С в атмосфере аргона.

В небольших количествах хром получают восстановлением Сr₂О₃ алюминием или кремнием. При алюминотермическом способе предварительно подогретую шихту из Сr₂О₃ и порошка или стружек Аl с добавками окислителя загружают в тигель, где реакцию возбуждают поджиганием смеси Na₂O₂ и Аl до тех пор, пока тигель заполнится хромом и шлаком. Силикотермически хром выплавляют в дуговых печах. Чистота получаемого хрома определяется содержанием примесей в Сr₂О₃ и в Аl или Si, используемых для восстановления.

В промышленности в больших масштабах производятся сплавы хрома - феррохром и силикохром.

6. Применение

Сегодня общий объем потребления чистого хрома (не менее 99% Cr) составляет около 15 тысяч тонн, из них около трети приходится на электролитический хром. Мировым лидером в производстве высокочистого хрома является английская фирма Bell Metals. Первое место по объемам потребления занимают США (50%), второе - страны Европы (25%), третье - Япония. Рынок металлического хрома довольно нестабилен, и цены на металл колеблются в широком диапазоне.

Хром применяется для получения различных сортов специальных сталей в изготовлении стволов огнестрельных орудий (от ружейных до пушечных), броневых плит, несгораемых шкафов и т. д. Стали, содержащие более 13 % хрома, почти не ржавеют и применяются для изготовления подводных частей кораблей, в частности, для постройки корпусов подводных лодок.

Хром широко применяется для хромирования изделий. Хромирование осуществляется электролитическим путем. Несмотря на то, что толщина наносимых пленок часто не превышает 0,005 мм, хромированные изделия становятся устойчивыми к внешним воздействиям (влаге, воздуху) и не ржавеют.

Из соединений хрома изготавливаются хромистые кирпичи - хромомагнезиты, применяемые в рабочем пространстве металлургических печей и других металлургических устройствах и сооружениях.

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 Cr³⁺ - примесь в рубине, который используется как драгоценный камень и лазерный материал. Соединениями хрома протравливают ткани при крашении. Некоторые соли хрома используются как составная часть дубильных растворов в кожевенной промышленности; PbCrO₄, ZnCrO₄, SrCrO₄ - как художественные краски. Из смеси хромита и магнезита изготовляют хромомагнезитовые огнеупорные изделия.

7. Биологическое действие

Хром - постоянная составная часть растительных и животных организмов. В крови содержится от 0,012 до 0,0035 % хрома. Хром имеет большое значение в метаболизме углеводов и жиров, а также участвует в процессе синтеза инсулина. Элемент способствует нормальному формированию и росту детского организма.

Хром - микроэлемент, необходимый для нормального развития и функционирования человеческого организма. Установлено, что в биохимических процессах принимает участие только трехвалентный хром. Важнейшая его биологическая роль состоит в регуляции углеводного обмена и уровня глюкозы в крови. Хром является составной частью низкомолекулярного комплекса - фактора толерантности к глюкозе (GTF), который облегчает взаимодействие клеточных рецепторов с инсулином, уменьшая, тем самым, потребность в нем организма. Фактор толерантности усиливает действие инсулина во всех метаболических процессах с его участием. Кроме того, хром принимает участие в регуляции обмена холестерина и является активатором некоторых ферментов.

Содержание хрома в организме человека составляет 6-12 мг. Точные сведения о физиологической потребности человека в этом элементе отсутствуют, кроме того, она сильно зависит от характера питания (например, сильно возрастает при избытке сахара в рационе). По разным оценкам норма ежедневного поступления хрома в организм составляет 20-300 мкг. Показателем обеспеченности организма хромом служит содержание его в волосах (норма 0,15-0,5 мкг/г). В отличие от многих микроэлементов, содержание хрома в тканях организма (за исключением легочной), по мере старения человека, снижается.

Концентрация элемента в растительной пище на порядок меньше его концентрации в тканях млекопитающих. Особенно высоко содержание хрома в пивных дрожжах, кроме того, в заметных количествах он есть в мясе, печени, бобовых, цельном зерне. Дефицит хрома в организме может вызвать диабетоподобное состояние, способствовать развитию атеросклероза и нарушению высшей нервной деятельности.

Уже в сравнительно небольших концентрациях (доли миллиграмма на м³ для атмосферы) все соединения хрома оказывают токсическое действие на организм. Токсичность соединения хрома находится в прямой зависимости от его валентности: наиболее ядовиты соединения хрома (VI), высокотоксичны соединения хрома (III), металлических хром и его соединения (II) - менее токсичны.

Независимо от пути поступления в первую очередь поражаются почки. Также страдают функции печени и поджелудочной железы. Хром обладает канцерогенным эффектом, поражает ЦНС, оказывает повреждающее действие на репродуктивную функцию. Хром относится к веществам 1 класса опасности.

8. Миграция элемента в окружающей среде

Ионы хрома являются непременными компонентами природных водоемов. В зависимости от условий среды (pH, окислительно-восстановительный потенциал, наличие лигандов) они существуют в разных степенях окисления и входят в состав разнообразных неорганических и металлорганических соединений, которые могут быть истинно растворенными, коллоидно-дисперсными или входить в состав минеральных и органических взвесей. Истинно растворенная формы металла, в свою очередь, весьма разнообразны, что связано с процессами гидролиза, гидролитической полимеризации (образованием полиядерных гидроксокомплексов) и комплексообразования с различными лигандами. Соответственно, как каталитические свойства металлов, так и доступность для водных микроорганизмов зависят от форм существования их в водной экосистеме.

Переход хрома в водной среде в металлокомплексную форму имеет три следствия: может происходить увеличение суммарной концентрации ионов металла за счет перехода его в раствор из донных отложений; мембранная проницаемость комплексных ионов может существенно отличаться от проницаемости гидратированных ионов; токсичность металла в результате комплексообразования может сильно измениться.

В поверхностных водах соединения хрома находятся в растворенном и взвешенном состояниях, соотношение между которыми зависит от состава вод, температуры, рН раствора. Взвешенные соединения хрома представляют собой в основном сорбированные соединения хрома. Сорбентами могут быть глины, гидроксид железа, высокодисперсный оседающий карбонат кальция, остатки растительных и животных организмов. В растворенной форме хром может находиться в виде хроматов и бихроматов. При аэробных условиях Cr (VI) переходит в Cr (III), соли которого в нейтральной и щелочной средах гидролизуются с выделением гидроксида.

В речных незагрязненных и слабозагрязненных водах содержание хрома колеблется от нескольких десятых долей микрограмма в литре до нескольких микрограммов в литре, в загрязненных водоемах оно достигает нескольких десятков и сотен микрограммов в литре. Средняя концентрация в морских водах - 0.05 мкг/дм³, в подземных водах - обычно в пределах n.10 - n.102 мкг/дм³.

9. Методы анализа

Хром может быть обнаружен в соединениях по образованию зеленого перла буры, но желтому цвету хроматов, образующихся при плавлении соединений хрома с нитратом калия и по красно-фиолетовому цвету, возникающему при реакции шестивалентного хрома с S-дифенилкарбазидом. Для обнаружения хрома используются также методы качественного спектрального, рентгеновского и полярографического анализов. Количественное определение хрома производят обычно путем окисления до бихромата с последующим титрованием раствором соли двухвалентного железа известной концентрации. Анализ хрома на примеси проводится обычными аналитическими методами. Аналитическая химия хрома детально обсуждается Ссрфассом и Мюрака.

Наиболее удовлетворительными методами определения хрома являются колориметрические и объемный. Объемный метод основан на окисление хрома до хромата, прибавление избыточного количества сульфата железа (II) и титрование избытка последнего перманганатом. Колориметрический метод пригоден для определения малых количеств хрома, какие обычно содержаться в горных породах. При значительном содержании хрома, когда колориметрические методы не применимы, пользуются объемным методом.

10. ПДК хрома и прогноз загрязнения

На примере загрязнений почвы хромом рассмотрены проблемы биохимической трансформации редок с-чувствительных химических веществ в заполнителях почвы. Установлено, что процесс восстановления растворенного Cr(VI) в нерастворимый Cr (III) происходит только на поверхности заполнителей почвы в присутствии органического углерода и высокой микробиологической активности. Поэтому пространственно выполняемые химические и микробиологические измерения в пределах анаэробных заполнителей почвы необходимы, чтобы охарактеризовать и прогнозировать поведение Cr загрязнений в почвах. ПДК хрома Cr(VI) в почве - 0,05 (мг/кг) с учетом фона (кларка).

Значительное нарушение окружающей среды связано с переработкой хромового сырья. В процессе переработки сырья, при сухом долблении и сортировке, в воздух попадает большое количество пыли. А в процессе переработки сырья, при мокром обогащении, хром и его оксиды попадают в сточные воды. При этом сброс сточных вод в водоемы не возможен без очистки. ПДК хрома в воздухе составляет 10 мкг/м3. Основной источник поступления хрома в окружающую среду- добывающие и перерабатывающие предприятия. Непосредственный контакт человека с хромом возможен также в самых различных отраслях народного хозяйства, широко использующих хромовые соединения, таких как металлургия, машиностроение, нефтеперерабатывающая, лакокрасочная и кожевенная промышленности, а также в сельском хозяйстве.

При концентрации хромав воздухе выше 25 мкг/м³ возникают глубокие поражения дыхательных путей, рак легких, снижении темновой адаптации глаза, поражение желудочно-кишечного тракта, развитие гастрита и язвенной болезней. Особенно токсичен шестивалентный хром, соединения которого вызывают изъязвления кистей рук, лица, век, серьезные поражения центральной нервной системы. Обычно хром накапливается в печени, легочной ткани, поджелудочной железе и костном мозге.

Список используемой литературы

1. Айбасова Ж.А. Гигиеническая оценка и прогнозирование санитарно-демографических процессов в регионе хромовой биогеохимической провинции - Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук- Алматы, 2006- 28с.

2. Гумарова Ж.Ж. Кинетические закономерности накопления и выведения хрома в биологических объектах: Автореф. канд. биол. Наук.-Алматы, 1998.-19 с.

3. Лисицын А.Е., Остапенко П.Е. Минеральное сырье. Хром // Справочник. - М :ЗАО Геоинформмарк, 1999. - 25 с.

4. Неорганическая химия. Энциклопедия школьника/ Гл. ред. И.П. Алимарин.- М.: Советская Энциклопедия, 1975.- 384 с.

5. Салли А., Брендз Э. Хром.- Изд. 2-е переработ. и доп. Перев. с англ. М.: Металлургия, 1971.- 360 с.

6. Химия. Решение задач: учеб. пособие для уч. сред. и ст. шк. возраста/ Авт.- сост. А.Е.Хасанов. - Мн.: Современный литератор, 1999. -448 с.

7. Энциклопедический словарь юного химика/ Сост. В.А. Крицман, В.В. Станцо.- М.: Педагогика, 1982.- 368 с.

Размещено на Allbest.ru