Хром и его использование

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

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 не 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.

1. Основные минералы, содержащие хром

химический сплав хром металл

Хром встречается в виде соединений в различных минералах. Наиболее распространен минерал хромит, или хромистый железняк FeCr204, богатые месторождения которого имеются на Урале и в Казахстане. Массовая доля хрома в земной коре составляет 0,03%. Хром обнаружен на Солнце, звездах и в метеоритах.

Хромиты (хромовые руды) - природные минеральные агрегаты, содержащие хром в концентрациях и количествах, при которых экономически целесообразно извлечение металлического хрома и его соединений. Собственно рудным компонентом являются т. наз. хромшпинелиды; по составу среди них выделяют хромит, магнохромит, алюмохромит и хромпикотит. Термин «Хромит» иногда применяется также для обозначения всей минеральной группы хромшпинелидов. В ассоциации с хромшпинелидами в хромитах постоянно встречаются серпентин, оливин, хлориты, иногда хромсодержащие гранаты. Местами с ними парагенетически связаны элементы платиновой группы. Химический состав хромитов колеблется в широких пределах - так, содержание СгО3 от 14% до 62%, FeO от 0% до 18% и более 96%; велика также амплитуда колебаний содержания окиси магния, окиси алюминия, кремнезёма. В зависимости от содержания хромшпинелидов различают вкрапленные (бедные) и массивные (богатые) хромиты. По областям применения хромиты делят на металлургические, огнеупорные и химические.

2. Сосредоточенность основных запасов сырья в России

Сырьевые ресурсы хромитовых руд во всем мире довольно ограничены. В числе немногих стран Российская Федерация располагает месторождениями хромитов.

Наиболее важные месторождения хромитовых руд находятся на Урале в Пермском крае (Сарановское), Свердловской (Гологорское, Алапаевское), а также Халиловское и Верблюжьегорское месторождения.

Прогнозные ресурсы месторождений хромита в Уральском регионе составляют 240 млн. тонн, в том числе в Пермской области - 20 млн. тонн, в Свердловской - 170 млн. тонн, в Оренбургской - 50 млн. тонн. Запасы руд в Челябинской области пока не оценены. Единственным объектом в РФ с разведанными запасами хромовых руд является Сарановская группа месторождений, куда входят эксплуатируемые подземным способом ГлавноеСарановское месторождение с запасами категорий А+В+С1 - 2764 тыс. тонн, С2 - 4262 тыс. тонн и забалансовыми - 2102 тыс. тонн и Южно-Сарановскоеместорождение. Среднее содержание оксида хрома в запасах по Главному Сарановскому месторождению - 38,4%; по Южно-Сарановскому - 37,7%. Фактическая ежегодная добыча составляет 120-160 тыс. тонн сырой руды.

3. Свойства металла

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).

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)

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.

4. Сплавы, содержащие хром

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: Cr₃С. Cr₇С₃ и Cr₂₃С₆. 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.

5. Сплавы на основе хрома

Сплавы 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.

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

Значительное количество хрома идет на декоративные коррозионно-стойкие покрытия. Широкое применение получил порошковый хром в производстве металлокерамических изделий и материалов для сварочных электродов. и стеллита.

Заключение

Прежде чем закончить рассказ о хроме, мы вновь обратимся к воспоминаниям В.С. Емельянова. «Года два назад, - писал ученый в 1967 году, - я узнал глубоко взволновавшую меня новость, оставшуюся в нашей стране - увы! - незамеченной. Мы продали партию феррохрома Англии - стране, которая всегда была для нас символом технического прогресса. И вот теперь Англия покупает наш феррохром! Англичане понимают толк в том, что покупают».

Интересные факты

Хроматографией называется метод разделения компонентов смеси между стационарной (неподвижной) фазой и подвижной фазой.

Хроматографический метод разделения и анализа сложных смесей был открыт Русским ботаником М.С. Цветом в 1903 г.

Хроматография используется для качественного и количественного анализа сложных смесей, для очистки веществ от примесей, для испытания веществ на однородность, чистоту, для излучения физико-химических констант веществ, для контроля и автоматизации производственных процессов. Хроматографический метод прочно вошел в практику научных исследований по химии, атомной технике, биологии, медицине.

Список литературы

1. Анисимов, А.П. Элементы: учебно-методическое пособие / А.П. Анисимов. - М.: Изд-во «Триумф» - 2000 г. - 165 с.

2. Комаров, А.А Химические элементы: учебно-методическое пособие / А.А. Комаров. - М.: Изд-во «Вестник» - 2004 - 201 с.

3. Геронимус, Б.Л Цветные металлы: учебно-методическое пособие / Б.Л. Геронимус. - М.: Изд - во «Айсберг» - 2000 - 153 с.

4. Ерофеева, Т.И. Химические элементы в современном мире: учебно-методическое пособие / Т.И. Ерофеева. - М.: Изд-во «Некст» - 2009 г. - 362 с.

5. Кудрявцева, В.Т. Химия: учебно-методическое пособие / В.Т. Кудрявцева. - М.: Изд - во «Триумф» - 2009 - 72 с.

6. Шадриков, В.Д. Химия: учебно-методическое пособие/ В.Д. Шадриков. - М.: Изд-во «Вестник» - 2008 - 17 с.

7. Ходош, С.А. Физика и химия: учебно-методическое пособие / С.А. Ходош. - М.: Изд - во «Крылья» - 2003 - 194 с.

Размещено на Allbest.ru