Хром: Свойства и применение элементов

Описание

Хром относится к классу переходных металлов, которые преимущественно славятся своей твердостью, устойчивостью к коррозии и блестящими металлическими свойствами. Он находит широкое применение в большинстве отраслей промышленности, начиная от производства нержавеющей стали и заканчивая использованием в защитных покрытиях и производстве специализированных химических веществ. Хром устойчив к потускнению благодаря образованию защитных оксидных слоев, поэтому он является незаменимым материалом в аэрокосмической, автомобильной и обрабатывающей промышленности.

Элемент хром

Хром, имеющий атомный номер 24, относится к переходным металлам и входит в 6-ю группу периодической таблицы. Хром был открыт в 1797 году французским химиком Луи-Николя Вокелином. В природе он обычно встречается в составе минерала хромита, FeCr₂O₄. Элемент высоко ценится за свою твердость, устойчивость к коррозии и поразительный металлический блеск. Хром наиболее часто используется для создания прочных и устойчивых к износу материалов, что делает его незаменимым в различных промышленных процессах.

Описание химических свойств

Хром - универсальный элемент с огромными различиями в химических свойствах; его ценность заключается в широком спектре его промышленного применения:

• Состояния окисления: Степени окисления хрома варьируются от -2 до +6. Среди них наиболее стабильными и распространенными являются +2, +3 и +6. Хром в состоянии +3 обычно стабилен, в то время как состояние +6, или шестивалентный хром, является высокотоксичным и канцерогенным.
• Реакционная способность: Хром легко соединяется с кислородом воздуха, образуя тонкий защитный оксидный слой Cr₂O₃, который помогает предотвратить дальнейшее окисление. Этот оксидный слой имеет решающее значение для устойчивости хрома к коррозии. Он также может соединяться с серой и галогенами, образуя различные соединения, такие как сульфид хрома и галогениды хрома.
• Кислотное и щелочное поведение: Cr₂O₃ является амфотерным, то есть он может реагировать как с кислотами, так и с основаниями. Это свойство позволяет соединениям хрома участвовать в широком спектре химических реакций, что делает их полезными в катализе и других промышленных процессах.
• Токсичность: В то время как +3-валентный хром является необходимым элементом в следовых количествах для здоровья человека, его состояние окисления +6 является токсичным и канцерогенным, особенно в промышленных условиях. Воздействие Cr⁶⁺ может происходить при вдыхании, проглатывании или контакте с кожей и влечет за собой серьезные риски для здоровья.

Таблица данных физических свойств

Это тяжелый, твердый, серебристый металл с очень высокой температурой плавления и кипения, что делает его идеальным для использования в промышленности при высоких температурах. Некоторые из основных физических свойств приведены в таблице ниже:

Дополнительную информацию можно найти на сайте Stanford Advanced Materials.

Распространенные области применения хрома

Особое сочетание физических и химических свойств делает хром незаменимым в различных отраслях промышленности. Наиболее распространенные области применения хрома включают следующие:

• Производствонержавеющей стали: Хром является очень важным легирующим элементом при производстве нержавеющей стали, обеспечивая непревзойденную устойчивость к коррозии и окрашиванию. Содержание хрома в нержавеющей стали обычно составляет от 10 до 30 %, и он образует пассивный оксидный слой, который защищает сталь от ржавления и потускнения. Эти стали нашли широкое применение в самых разных изделиях - от кухонной посуды и медицинских инструментов до строительных и аэрокосмических конструкций.
• Хромирование: Хром очень часто используется в гальванических покрытиях для получения яркого, прочного и устойчивого к коррозии покрытия. Хромирование обычно наносится на автомобильные детали, бытовые приборы, сантехнику и декоративные элементы. Это повышает как эстетическую привлекательность, так и долговечность изделий.
• Пигменты и красители: Соединения хрома, включая оксид хрома (Cr₂O₃), используются в качестве пигментов для красок, красителей и чернил. Желтый хром, PbCrO₄, - известный пигмент, используемый в производстве ярко-желтых красок. Более стабильный оксид хрома используется для создания зеленых пигментов в керамической глазури и пластмассах.
• Сплавы: Хром находит применение в ряде высокоэффективных сплавов для промышленного, аэрокосмического и военного применения. Например, хром сплавляется с никелем и железом для создания суперсплавов, используемых в лопатках турбин, двигателях и выхлопных системах. Эти сплавы обладают исключительно высокой степенью устойчивости к нагреву и износу, что делает их пригодными для использования в суровых условиях.
• Сохранение древесины: Соединения хрома, в первую очередь хромированный арсенат меди, используются для обработки древесины, чтобы сделать ее устойчивой к гниению, грибкам и нападению насекомых. Благодаря этой устойчивости древесина, обработанная CCA, находит широкое применение в наружных конструкциях, таких как ограждения и настилы, а также в столбах инженерных коммуникаций.

Методы подготовки

Основным методом извлечения хрома является алюминотермическая реакция; в качестве руды обычно используется хромит, FeCr₂O₄. В этом процессе хромит смешивается с алюминиевой пудрой и нагревается, в результате чего происходит восстановление оксида хрома с получением металлического хрома. Хром также может быть получен путем электролиза хлорида хрома в расплавленной соли; этот процесс используется для получения высокочистых материалов. Несмотря на то, что эти методы являются энергоемкими, они обеспечивают высоконадежные поставки хрома для промышленного использования.

Сопутствующие промышленные товары

Хром используется в производстве многих промышленных товаров:

• Нержавеющая сталь: Хром, обычно в сочетании с никелем и молибденом, является основой для производства нержавеющей стали, которая применяется во всех областях - от пищевой промышленности до строительства и медицины.
• Хромовые сплавы: Хромовые сплавы используются в тех областях, где требуется высокая прочность, жаростойкость и вязкость. Примеры можно увидеть в таких компонентах, как лопатки турбин, детали двигателей и компоненты тяжелого оборудования.
• Хромовые химикаты: Производство химикатов - еще одна важная область, где хром является ключевым сырьем. Сюда входят соли хрома, диоксид хрома, используемый в магнитных носителях, а также другие специализированные соединения. Они применяются в различных областях, начиная от дубления кожи и заканчивая очисткой воды и процессами нанесения гальванических покрытий.

Часто задаваемые вопросы

Для чего используется хром в повседневной жизни?

В основном хром используется для производства нержавеющей стали для кухонных приборов, столовых приборов, медицинских инструментов и промышленного оборудования. Он также используется для хромирования автомобильных деталей, предметов домашнего обихода и декоративной отделки.

Как добывают хром?

Добыча хрома из хромитовой руды включает в себя алюминотермическую реакцию руды с алюминиевой пудрой, которая нагревается для восстановления оксида хрома до металлического хрома. Кроме того, для получения еще более чистого хрома были разработаны различные электролитические методы.

Почему хром опасен?

Хром токсичен и канцерогенен, особенно в своей шестивалентной форме (Cr⁶⁺). Он представляет опасность для здоровья при вдыхании или проглатывании. Промышленное воздействие этого элемента очень распространено, поэтому при работе с соединениями хрома в промышленных условиях необходимо соблюдать соответствующие меры предосторожности.

Играет ли хром важную роль в здоровье человека?

Да, трехвалентный хром (Cr³⁺) является важным микроэлементом, который играет роль в регуляции метаболизма глюкозы. Однако он необходим лишь в небольших количествах, и его дефицит встречается редко.

Что является основным источником хрома?

Большую часть хрома получают из хромитовой руды, добываемой в основном в Южной Африке, Индии, Казахстане и Турции. Эти страны являются основными производителями хромитовой руды в мире.