Содержание статьи
ХРОМ – (Chromium) Cr, химический элемент 6(VIb) группы Периодической системы. Атомный номер 24, атомная масса 51,996. Известно 24 изотопа хрома с 42 Cr по 66 Cr. Изотопы 52 Cr, 53 Cr, 54 Cr являются стабильными. Изотопный состав природного хрома: 50 Cr (период полураспада 1,8·10 17 лет) – 4,345%, 52 Cr – 83,489%, 53 Cr – 9,501%, 54 Cr – 2,365%. Основные степени окисления +3 и +6.
В 1761 профессор химии Петербургского университета Иоганн Готтлоб Леман (Johann Gottlob Lehmann) у восточного подножия Уральских гор на Березовском руднике обнаружил замечательный красный минерал, который при измельчении в порошок давал яркую желтую окраску. В 1766 Леман привез образцы минерала в Петербург. Обработав кристаллы соляной кислотой, он получил белый осадок, в котором обнаружил свинец. Леман назвал минерал сибирским красным свинцом (plomb rouge de Sibérie), теперь известно, что это был крокоит (от греческого «krokos» – шафран) – природный хромат свинца PbCrO 4 .
Немецкий путешественник и естествоиспытатель Петер Симон Паллас (Peter Simon Pallas) (1741–1811) возглавил экспедицию Петербургской Академии наук в центральные регионы России и в 1770 побывал на Южном и Среднем Урале, в том числе на Березовском руднике и, подобно Леману, заинтересовался крокоитом. Паллас писал: «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». Несмотря на редкость и трудность доставки крокоита с Березовского рудника в Европу (на это уходило почти два года), использование минерала в качестве красящего вещества было оценено по достоинству. В Лондоне и Париже конца 17 в. все знатные особы ездили на каретах, покрашенных мелко растертым крокоитом, кроме того, лучшие образцы сибирского красного свинца пополняли коллекции многих минералогических кабинетов Европы.
В 1796 образец крокоита попал к профессору химии Парижской минералогической школы Никола Луи Вокелену (Nicolas-Louis Vauquelin) (1763–1829), который проанализировал минерал, но не нашел в нем ничего кроме оксидов свинца, железа и алюминия. Продолжая исследования сибирского красного свинца, Вокелен прокипятил минерал с раствором поташа и после отделения белого осадка карбоната свинца получил желтый раствор неизвестной соли. При обработке его солью свинца образовывался желтый осадок, солью ртути – красный, а при добавлении хлорида олова раствор становился зеленым. Разлагая крокоит минеральными кислотами, он получил раствор «кислоты красного свинца», упаривание которой давало рубиново-красные кристаллы (сейчас понятно, что это был хромовый ангидрид). Прокалив их с углем в графитовом тигле, обнаружил после реакции множество сросшихся серых игольчатых кристаллов неизвестного до того времени металла. Вокелен констатировал высокую тугоплавкость металла и его устойчивость по отношению к кислотам.
Вокелен назвал новый элемент хромом (от греческого crwma – цвет, окраска) ввиду множества образуемых им разноцветных соединений. На основании своих исследований Вокелен впервые констатировал, что изумрудная окраска некоторых драгоценных камней объясняется примесью в них соединений хрома. Например, природный смарагд представляет собой окрашенный в глубокий зеленый цвет берилл, в котором алюминий частично замещен хромом.
Скорее всего, Вокеленом был получен не чистый металл, а его карбиды, о чем свидетельствует игольчатая форма полученных кристаллов, но Парижская Академия наук тем не менее зарегистрировала открытие нового элемента, и сейчас Вокелен справедливо считается первооткрывателем элемента № 24.
Юрий Крутяков
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.
Твёрдый металл голубовато-белого цвета. Хром иногда относят к чёрным металлам. Этот металл способен окрашивать соединения в разные цвета, потому и был назван «хром», что означает «краска». Хром – микроэлемент, необходимый для нормального развития и функционирования человеческого организма. Важнейшая его биологическая роль состоит в регуляции углеводного обмена и уровня глюкозы в крови.
Смотрите так же:
СТРУКТУРА
В зависимости от типов химической связи — как и все металлы хром имеет металлический тип кристаллической решетки, то есть в узлах решетки находятся атому металла.
В зависимости от пространственной симметрии — кубическая, объемно-центрированная а = 0,28839 нм. Особенностью хрома является резкое изменение его физических свойств при температуре около 37°С. Кристаллическая решетка металла состоит из его ионов и подвижных электронов. Аналогично атом хрома в основном состоянии имеет электронную конфигурацию. При 1830 °С возможно превращение в модификацию с гранецентрированной решеткой, а = 3,69Å.
СВОЙСТВА
Хром имеет твердость по шкале Мооса 9, один из самых твердых чистых металлов (уступает только иридию, бериллию, вольфраму и урану). Очень чистый хром достаточно хорошо поддаётся механической обработке. Устойчив на воздухе за счёт пассивирования. По этой же причине не реагирует с серной и азотной кислотами. При 2000 °C сгорает с образованием зелёного оксида хрома(III) Cr 2 O 3 , обладающего амфотерными свойствами. При нагревании реагирует со многими неметаллами, часто образуя соединения нестехиометрического состава карбиды, бориды, силициды, нитриды и др. Хром образует многочисленные соединения в различных степенях окисления, в основном +2, +3, +6. Хром обладает всеми характерными для металлов свойствами — хорошо проводит тепло, электрический ток, имеет присущий большинству металлов блеск. Является антиферромагнетиком и парамагнетиком, то есть, при температуре 39 °C переходит из парамагнитного состояния в антиферромагнитное (точка Нееля).
ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА
Самые большие месторождения хрома находятся в ЮАР (1 место в мире), Казахстане, России, Зимбабве, Мадагаскаре. Также есть месторождения на территории Турции, Индии, Армении, Бразилии, на Филиппинах.nГлавные месторождения хромовых руд в РФ известны на Урале (Донские и Сарановское). Разведанные запасы в Казахстане составляют свыше 350 миллионов тонн (2 место в мире)Хром встречается в природе в основном в виде хромистого железняка Fe(CrO 2) 2 (хромит железа). Из него получают феррохром восстановлением в электропечах коксом (углеродом). Чтобы получить чистый хром, реакцию ведут следующим образом:
1) сплавляют хромит железа с карбонатом натрия (кальцинированная сода) на воздухе;
2) растворяют хромат натрия и отделяют его от оксида железа;
3) переводят хромат в дихромат, подкисляя раствор и выкристаллизовывая дихромат;
4) получают чистый оксид хрома восстановлением дихромата натрия углём;
5) с помощью алюминотермии получают металлический хром;
6) с помощью электролиза получают электролитический хром из раствора хромового ангидрида в воде, содержащего добавку серной кислоты.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ
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).
Различают три основных минерала хрома: магнохромит (Mg, Fe)Cr 2 O 4 , хромпикотит (Mg, Fe)(Cr, Al) 2 O 4 и алюмохромит (Fe, Mg)(Cr, Al) 2 O 4 . По внешнему виду они неразличимы, и их неточно называют «хромиты».
ПРИМЕНЕНИЕ
Хром - важный компонент во многих легированных сталях (в частности, нержавеющих), а также и в ряде других сплавов. Добавка хрома существенно повышает твердость и коррозийную стойкость сплавов. 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.
Используется в качестве износоустойчивых и красивых гальванических покрытий (хромирование).
Хром применяется для производства сплавов: хром-30 и хром-90, незаменимых для производства сопел мощных плазмотронов и в авиакосмической промышленности.
Хром (англ. Chromium) — Cr
Хром
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.
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.
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.
Подобные документы
Электронная формула и степень окисления хрома, его общее содержание в земной коре и космосе. Способы получения хрома, его физические и химические свойства. Взаимодействие хрома с простыми и сложными веществами. Особенности применения, основные соединения.
презентация , добавлен 16.02.2013
Изучение физических и химических свойств хрома, вольфрама, молибдена. Оксид хрома, как самое устойчивое соединение хрома. Гидроксиды, соли кислородосодержащих кислот элементов шестой Б группы. Пероксиды, карбиды, нитриды, бориды элементов шестой Б группы.
лекция , добавлен 29.06.2011
Распространение хрома в природе. Особенности получения хрома и его соединений. Физические и химические свойства хрома, его практическое применение в быту и промышленности. Неорганические пигменты на основе хрома, технология и способы их получения.
курсовая работа , добавлен 04.06.2015
Получение чистого металлического хрома электролизом водных растворов хлорида хрома. Основные физические и химические свойства хрома. Характеристика бихромата аммония, дихромида калия, их токсичность и особенности применения. Получение хромового ангидрида.
курсовая работа , добавлен 07.01.2015
Особенности химических свойств ванадия: открытие, использование в химической промышленности. Описание ванадия в чистом виде (ковкий металл светло-серого цвета) и его соединений. Характеристика результатов облагораживания ванадием стали и других металлов.
реферат , добавлен 23.01.2010
Хром - твёрдый блестящий металл. Хром входит в состав нержавеющих, кислотоупорных, жаропрочных сталей. Соединения хрома. Кислород – самый распространенный элемент земной коры. Получение и свойства кислорода. Применение кислорода.
доклад , добавлен 03.11.2006
Химические свойства марганца и его соединений. Промышленное получение марганца. История открытия хрома, общие сведения. Нормы потребления марганца и хрома, их биологическая роль. Влияние недостатка или переизбытка микроэлементов на организм человека.
реферат , добавлен 20.01.2015
Степени окисления, электронные конфигурации, координационные числа и геометрия соединений хрома. Характеристика комплексных соединений. Многоядерные комплексы хрома, их электронные соединения. Фосфоресцирующие комплексы, высшие состояния окисления хрома.
курсовая работа , добавлен 06.06.2010
Общая характеристика марганца, его основные физические и химические свойства, история открытия и современные достижения в исследовании. Распространенность в природе данного химического элемента, направления его применения в промышленности, получение.
контрольная работа , добавлен 26.06.2013
Рассмотрение структуры и свойств электроосажденного хрома. Изучение технологических особенностей хромирования и проведение его электрического, теплового, конструктивного расчетов. Изучение методов очистки хромосодержащих сточных вод гальванопроизводства.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Хром - двадцать четвертый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Cr от латинского «chromium». Расположен в четвертом периоде, VIB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 24.
Хром содержится в земной коре в количестве 0,02% (масс.). В природе он встречается главным образом в виде хромистого железняка FeO×Cr 2 O 3 .
Хром представляет собой твердый блестящий металл (рис. 1), плавящийся при 1890 o С; плотность его 7,19 г/см 3 . При комнатной температуре хром стоек и к воде, и к воздуху. Разбавленные серная и соляная кислоты растворяют хром с выделением водорода. В холодной концентрированной азотной кислоте хром нерастворим и после обработки ею становится пассивным.
Рис. 1. Хром. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса хрома
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Поскольку в свободном состоянии хром существует в виде одноатомных молекул Cr, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 51,9962.
Изотопы хрома
Известно, что в природе хром может находиться в виде четырех стабильных изотопов 50 Cr, 52 Cr, 53 Cr и 54 Cr. Их массовые числа равны 50, 52, 53 и 54 соответственно. Ядро атома изотопа хрома 50 Cr содержит двадцать четыре протона и двадцать шесть нейтронов, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.
Существуют искусственные изотопы хрома с массовыми числами от 42-х до 67-ми, среди которых наиболее стабильным является 59 Cr с периодом полураспада равным 42,3 минуты, а также один ядерный изотоп.
Ионы хрома
На внешнем энергетическом уровне атома хрома имеется шесть электронов, которые являются валентными:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 1 .
В результате химического взаимодействия хром отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:
Cr 0 -2e → Cr 2+ ;
Cr 0 -3e → Cr 3+ ;
Cr 0 -6e → Cr 6+ .
Молекула и атом хрома
В свободном состоянии хром существует в виде одноатомных молекул Cr. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу хрома:
Сплавы хрома
Металлический хром используется для хромирования, а также в качестве одного из важнейших компонентов легированных сталей. Введение хрома в сталь повышает её устойчивость против коррозии как в водных средах при обычных температурах, так и в газах при повышенных температурах. Кроме того, хромистые стали обладают повышенной твердостью. Хром входит в состав нержавеющих кислотоупорных, жаропрочных сталей.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Задание | Оксид хрома (VI) массой 2 г растворили в воде массой 500 г. Рассчитайте массовую долю хромовой кислоты H 2 CrO 4 в полученном растворе. |
| Решение | Запишем уравнение реакции получения хромовой кислоты из оксида хрома (VI):
CrO 3 + H 2 O = H 2 CrO 4 . Найдем массу раствора: m solution = m(CrO 3) + m (H 2 O) = 2 + 500 = 502 г. n (CrO 3) = m (CrO 3) / M (CrO 3); n (CrO 3) = 2 / 100 = 0,02 моль. Согласно уравнению реакции n(CrO 3) :n(H 2 CrO 4) = 1:1, значит, n(CrO 3) = n(H 2 CrO 4) = 0,02 моль. Тогда масса хромовой кислоты будет равна (молярная масса - 118 г/моль): m (H 2 CrO 4) = n (H 2 CrO 4) × M (H 2 CrO 4); m (H 2 CrO 4) = 0,02 × 118 = 2,36 г. Массовая доля хромовой кислоты в растворе составляет: ω = m solute / m solution × 100%; ω (H 2 CrO 4)=m solute (H 2 CrO 4)/ m solution × 100%; ω (H 2 CrO 4)= 2,36 / 502 × 100% = 0,47 %. |
| Ответ | Массовая доля хромовой кислоты равна 0,47 %. |