CHROM: WŁAŚCIWOŚCI, CECHY I ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2025

Chrom (Cr) jest pierwiastkiem metalu z grupy 6 (VIB) z układu okresowego. Tony tego metalu są produkowane rocznie poprzez jego ekstrakcję z mineralnego chromitu żelaza lub magnezu (FeCr ₂ O ₄ , MgCr ₂ O ₄ ), które są redukowane węglem w celu uzyskania metalu. Jest bardzo reaktywny i tylko w bardzo redukujących warunkach jest w czystej postaci.

Jego nazwa pochodzi od greckiego słowa „chroma”, które oznacza kolor. Nazwę tę nadano jej ze względu na liczne i intensywne kolory, jakie wykazują związki chromu, zarówno nieorganiczne, jak i organiczne; od czarnych ciał stałych lub roztworów do żółtego, pomarańczowego, zielonego, fioletowego, niebieskiego i czerwonego.

Krokodyl chromowany. Srebrny krokodyl chromowany metalowy model aligatora. Źródło: Maxpixel

Jednak kolor metalicznego chromu i jego węglików jest srebrzystoszary. Ta cecha jest wykorzystywana w technice chromowania, aby nadać wielu strukturom srebrne iskierki (jak te widoczne na krokodylku na powyższym obrazku). W ten sposób, „kąpiąc się w chromie”, elementy zyskują połysk i dużą odporność na korozję.

Chrom w roztworze szybko reaguje z tlenem z powietrza, tworząc tlenki. W zależności od pH i warunków utleniania medium może osiągać różne stopnie utlenienia, przy czym (III) (Cr ³⁺ ) jest najbardziej stabilny. W rezultacie zielony tlenek chromu (III) (Cr ₂ O ₃ ) jest najbardziej stabilnym spośród jego tlenków.

Tlenki te mogą wchodzić w interakcje z innymi metalami w środowisku, powodując np. Barwnik ołowiu syberyjskiego (PbCrO ₄ ). Pigment ten jest żółto-pomarańczowy lub czerwony (w zależności od jego zasadowości), z którego francuski naukowiec Louis Nicolas Vauquelin wyodrębnił metaliczną miedź, dlatego jest nagradzany jako odkrywca.

Jego minerały i tlenki, a także niewielka część metalicznej miedzi sprawiają, że pierwiastek ten zajmuje 22. miejsce wśród najbardziej występujących w skorupie ziemskiej.

Chemia chromu jest bardzo zróżnicowana, ponieważ może tworzyć wiązania z prawie całym układem okresowym. Każdy z jego związków wykazuje kolory, które zależą od stopnia utlenienia, a także gatunków, które z nim oddziałują. Podobnie tworzy wiązania z węglem, interweniując w wielu związkach metaloorganicznych.

Charakterystyka i właściwości

Chrom jest srebrnym metalem w czystej postaci, o liczbie atomowej 24 i masie cząsteczkowej około 52 g / mol ( ⁵² Cr, jego najbardziej stabilny izotop).

Dzięki silnym wiązaniom metalicznym ma wysoką temperaturę topnienia (1907 ° C) i temperaturę wrzenia (2671 ° C). Ponadto jego krystaliczna struktura sprawia, że ​​jest to bardzo gęsty metal (7,19 g / ml).

Nie reaguje z wodą tworząc wodorotlenki, ale reaguje z kwasami. Utlenia się z tlenem z powietrza, generalnie wytwarzając tlenek chromu, który jest szeroko stosowanym zielonym pigmentem.

Te warstwy tlenku tworzą tak zwaną pasywację, chroniąc metal przed dalszą korozją, ponieważ tlen nie może przeniknąć do metalowej zatoki.

Jego konfiguracja elektroniczna to 4s ¹ 3d ⁵ , wszystkie elektrony są niesparowane, a zatem wykazuje właściwości paramagnetyczne. Jednak łączenie spinów elektronowych może wystąpić, jeśli metal zostanie poddany działaniu niskich temperatur, uzyskując inne właściwości, takie jak antyferromagnetyzm.

Struktura chemiczna chromu

Oryginalne pliki PNG autorstwa Daniela Mayera, DrBoba, prześledzone w Inkscape przez użytkownika: Stannered (Crystal stucture), za pośrednictwem Wikimedia Commons

Jaka jest struktura chromowanego metalu? W czystej postaci chrom przyjmuje sześcienną strukturę krystaliczną z centrum ciała (cc lub bcc). Oznacza to, że atom chromu znajduje się w środku sześcianu, którego krawędzie zajmują inne chromy (jak na powyższym obrazku).

Struktura ta odpowiada za wysoką temperaturę topnienia i wrzenia chromu oraz dużą twardość. Atomy miedzi zachodzą na swoje orbitale s i d, tworząc pasma przewodnictwa zgodnie z teorią pasm.

Tak więc oba pasma są w połowie pełne. Czemu? Ponieważ jego konfiguracja elektroniczna to 4s ¹ 3d ⁵ i jako orbital s może pomieścić dwa elektrony, a orbitale d - dziesięć. Wtedy tylko połowa pasm utworzonych przez ich nakładanie się jest zajęta przez elektrony.

Z tych dwóch perspektyw - struktury krystalicznej i wiązania metalicznego - wiele fizycznych właściwości tego metalu można wyjaśnić w teorii. Jednak żadne z nich nie wyjaśnia, dlaczego chrom może mieć różne stopnie lub liczby utlenienia.

Wymagałoby to głębokiego zrozumienia stabilności atomu w odniesieniu do spinów elektronowych.

Numer utleniania

Ponieważ konfiguracja elektronowa chromu wynosi 4s ¹ 3d ^5, może ^on zyskać do jednego lub dwóch elektronów (Cr ^1– i Cr ^2– ) lub stracić je w celu uzyskania różnych stopni utlenienia.

Tak więc, jeśli chrom straci elektron, będzie to 4s ⁰ 3d ⁵ ; jeśli przegra trzy, 4s ⁰ 3d ³ ; a jeśli straci je wszystkie lub co jest tym samym, argon byłby izoelektroniczny.

Chrom nie traci ani nie pozyskuje elektronów przez zwykły kaprys: musi istnieć gatunek, który je przekazuje lub przyjmuje, aby przejść od jednego stopnia utlenienia do drugiego.

Chrom ma następujące stopnie utlenienia: -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5 i +6. Spośród nich +3, Cr ³⁺ jest najbardziej stabilny, a zatem dominujący ze wszystkich; a następnie +6, Cr ⁶⁺ .

Cr (-2, -1 i 0)

Chrom jest mało prawdopodobny, aby pozyskać elektrony, ponieważ jest metalem, dlatego jego naturą jest ich dawanie. Jednak może koordynować się z ligandami, czyli cząsteczkami, które oddziałują z centrum metalu poprzez wiązanie celownicze.

Jednym z najbardziej znanych jest tlenek węgla (CO), który tworzy heksakarbonylowy związek chromu.

Związek ten ma wzór cząsteczkowy Cr (CO) ₆ , a ponieważ ligandy są obojętne i nie zapewniają żadnego ładunku, to Cr ma stopień utlenienia równy 0.

Można to również zaobserwować w innych związkach metaloorganicznych, takich jak bis (benzen) chrom. W tym ostatnim chrom jest otoczony dwoma pierścieniami benzenowymi o strukturze molekularnej przypominającej kanapkę:

Ben Mills, źródło Wikimedia Commons

Z tych dwóch związków metaloorganicznych może powstać wiele innych związków Cr (0).

Stwierdzono, że sole oddziałują z kationami sodu, co oznacza, że ​​Cr musi mieć ujemny stopień utlenienia, aby przyciągnąć ładunki dodatnie: Cr (-2), Na ₂ i Cr (-1), Na ₂ .

Cr (I) i Cr (II)

Cr (I) lub Cr ¹⁺ jest wytwarzany przez utlenianie właśnie opisanych związków metaloorganicznych. Osiąga się to przez ligandy utleniających, takich jak CN lub NR, tworząc w ten sposób, na przykład, związek K ₃ .

W tym przypadku fakt, że istnieją trzy kationy K ^+, oznacza, że ​​kompleks chromu ma trzy ładunki ujemne; podobnie ligand CN ^- wnosi pięć ładunków ujemnych, więc między Cr i NO muszą dodać dwa ładunki dodatnie (-5 + 2 = -3).

Jeśli NO jest neutralne, to jest to Cr (II), ale jeśli ma ładunek dodatni (NO ⁺ ), to jest Cr (I).

Z drugiej strony w większej ilości występują związki Cr (II), a wśród nich: chlorek chromu (II) (CrCl ₂ ), octan chromu (Cr ₂ (O ₂ CCH ₃ ) ₄ ), tlenek chromu ( II) (CrO), siarczek chromu (II) (CrS) i inne.

Cr (III)

Ze wszystkich jest to ta o największej stabilności, ponieważ jest w rzeczywistości produktem wielu reakcji utleniania jonów chromianowych. Może jej stabilność ze względu na swoją d ³ układzie elektronicznym , w którym trzy elektrony zajmować trzy niższej energii d orbitali w stosunku do dwóch pozostałych bardziej energiczne te (d orbitalnej siebie).

Najbardziej reprezentatywnym związkiem tego stopnia utlenienia jest tlenek chromu (III) (Cr ₂ O ₃ ). W zależności od koordynujących z nią ligandów, kompleks będzie wykazywał taki czy inny kolor. Przykładami takich związków są: Cl, Cr (OH) ₃ , CrF ₃ , ³⁺ itd.

Chociaż wzór chemiczny nie pokazuje tego na pierwszy rzut oka, chrom zwykle zawiera w swoich kompleksach oktaedryczną sferę koordynacyjną; to znaczy, znajduje się w środku ośmiościanu, gdzie jego wierzchołki są ustawione przez ligandy (w sumie sześć).

Cr (IV) i Cr (V)

Związków, w których uczestniczy Cr ^5+, jest bardzo niewiele, ze względu na niestabilność elektronową tego atomu, poza faktem, że jest on łatwo utleniany do Cr ⁶⁺ , znacznie bardziej stabilny, ponieważ jest izoelektroniczny w stosunku do argonu z gazu szlachetnego.

Jednak związki Cr (V) można syntetyzować w określonych warunkach, takich jak wysokie ciśnienie. Podobnie mają tendencję do rozkładania się w umiarkowanych temperaturach, co uniemożliwia ich zastosowanie, ponieważ nie mają odporności termicznej. Niektóre z nich to: CrF ₅ i K ₃ (O ₂ ^2- to anion nadtlenkowy).

Z drugiej strony Cr ⁴⁺ jest stosunkowo stabilniejszy, będąc w stanie syntetyzować swoje związki chlorowcowane: CrF ₄ , CrCl ₄ i CrBr ₄ . Jednak są one również podatne na rozkład w reakcjach redoks w celu wytworzenia atomów chromu o lepszych stopniach utlenienia (takich jak +3 lub +6).

Cr (VI): para chromian-dichromian

2 ^2- + 2H ⁺ (żółty) => ^2- + H ₂ O (pomarańczowy)

Powyższe równanie odpowiada dimeryzacji kwasowej dwóch jonów chromianowych w celu wytworzenia dichromianu. Zmiana pH powoduje zmianę interakcji wokół metalicznego środka Cr ⁶⁺ , widoczną również w kolorze roztworu (z żółtego na pomarańczowy lub odwrotnie). Dichromian składa się z mostka O ₃ Cr-O-CrO ₃ .

Związki Cr (VI) mają właściwości szkodliwe, a nawet rakotwórcze dla organizmu ludzkiego i zwierząt.

W jaki sposób? Badania potwierdzają, że jony CrO ₄ ^2- przenikają przez błony komórkowe pod wpływem białek transportujących siarczany (oba jony są w rzeczywistości podobnej wielkości).

Środki redukujące w komórkach redukują Cr (VI) do Cr (III), który gromadzi się poprzez nieodwracalną koordynację z określonymi miejscami na makrocząsteczkach (takich jak DNA).

Kiedy komórka zostanie zanieczyszczona nadmiarem chromu, nie może opuścić z powodu braku mechanizmu transportującego ją z powrotem przez błony.

Chromium używa

Jako barwnik lub pigmenty

Chrom ma szeroki zakres zastosowań, od barwników do różnych rodzajów tkanin, po ochraniacze, które upiększają metalowe części w tak zwanym chromowaniu, które można wykonać z czystego metalu lub związków Cr (III) lub Cr (VI).

Na przykład fluorek chromu (CrF ₃ ) jest stosowany jako barwnik do tkanin wełnianych; siarczan chromu (Cr ₂ (SO ₄ ) ₃ ), służy do barwienia emalii, ceramiki, farb, tuszy, lakierów, a także do chromowania metali; a tlenek chromu (Cr ₂ O ₃ ) znajduje również zastosowanie tam, gdzie wymagany jest jego atrakcyjny zielony kolor.

Dlatego każdy minerał chromu o intensywnych kolorach może być przeznaczony do zabarwienia struktury, ale potem pojawia się fakt, czy te związki są niebezpieczne dla środowiska lub zdrowia ludzi.

W rzeczywistości jego trujące właściwości służą do ochrony drewna i innych powierzchni przed atakiem owadów.

W chromie lub metalurgii

Do stali dodaje się również niewielkie ilości chromu, aby wzmocnić ją przed utlenianiem i poprawić jej połysk. Wynika to z faktu, że jest on zdolny do tworzenia szarawych węglików (Cr ₃ C ₂ ), które są bardzo odporne na reakcje z tlenem zawartym w powietrzu.

Ponieważ chrom można polerować do błyszczących powierzchni, chrom ma wówczas srebrne wzory i kolory jako tańszą alternatywę do tych celów.

Odżywcze

Niektórzy debatują, czy chrom można uznać za pierwiastek niezbędny, czyli niezbędny w codziennej diecie. Występuje w niektórych produktach spożywczych w bardzo małych stężeniach, takich jak zielone liście i pomidory.

Podobnie, istnieją odżywki białkowe, które regulują aktywność insuliny i promują wzrost mięśni, tak jak w przypadku polinikotynianu chromu.

Gdzie to się znajduje?

Źródło: Pixabay

Chrom znajduje się w wielu różnych minerałach i klejnotach, takich jak rubiny i szmaragdy. Głównym minerałem, z którego wydobywany jest chrom, jest chromit (MCr ₂ O ₄ ), gdzie M może oznaczać dowolny inny metal, z którym związany jest tlenek chromu. Te kopalnie obfitują w RPA, Indiach, Turcji, Finlandii, Brazylii i innych krajach.

Każde źródło ma jedną lub więcej odmian chromitu. W ten sposób dla każdego M (Fe, Mg, Mn, Zn itp.) Powstaje inny minerał chromu.

Aby wydobyć metal, konieczne jest zredukowanie minerału, to znaczy sprawienie, że centrum metalicznego chromu zyskuje elektrony przez działanie środka redukującego. Odbywa się to za pomocą węgla lub aluminium:

FeCr ₂ O ₄ + 4C => Fe + 2Cr + 4CO

Stwierdzono również chromit (PbCrO ₄ ).

Ogólnie rzecz biorąc, w każdym minerale, w którym jon Cr ³⁺ może zastąpić Al ³⁺ , oba o nieco podobnych promieniach jonowych, stanowi on zanieczyszczenie, które daje kolejne naturalne źródło tego niesamowitego, ale szkodliwego metalu.

Bibliografia

1. Tenenbaum E. Chromium. Zaczerpnięte z: chemistry.pomona.edu
2. Wikipedia. (2018). Chrom. Zaczerpnięte z: en.wikipedia.org
3. Dr Anne Marie Helmenstine (6 kwietnia 2018). Jaka jest różnica między Chrome a Chromium? Zaczerpnięte z: thinkco.com
4. NV Mandich. (1995). Chemia chromu. . Zaczerpnięte z: citeseerx.ist.psu.edu
5. Chemistry LibreTexts. Chemia chromu. Zaczerpnięte z: chem.libretexts.org
6. Saul 1. Shupack. (1991). Chemia chromu i niektóre wynikające z tego problemy analityczne. Sprawdzone z: ncbi.nlm.nih.gov
7. Advameg, Inc. (2018). Chrom. Zaczerpnięte z: chemistryexplained.com