Chromium-eigenschappen, kenmerken en gebruik

de chromium (Cr) is een metaalachtig element uit groep 6 (VIB) van het periodiek systeem. Jaarlijks worden tonnen van dit metaal geproduceerd door extractie van het chromietijzererts of magnesiumerts (FeCr₂O₄, MgCr₂O₄), die worden gereduceerd met steenkool om het metaal te verkrijgen. Het is zeer reactief en alleen in zeer reducerende omstandigheden is het in zijn pure vorm.

De naam is afgeleid van het Griekse woord 'chroma', wat kleur betekent. Het kreeg deze naam vanwege de veelvoudige en intense kleuren vertoond door chroomverbindingen, hetzij anorganisch of organisch; van vaste stoffen of zwarte oplossingen, tot geel, oranje, groen, violet, blauw en rood.

De kleur van het metaalchroom en zijn carbiden zijn echter grijsachtig zilver. Deze functie wordt gebruikt in de techniek van chroom om veel structuren flitsen zilver te geven (zoals die te zien zijn in de krokodil in de afbeelding hierboven). Dus "baden met chroom" op de stukken krijgt glans en een grote weerstand tegen corrosie.

Chroom in oplossing reageert snel met zuurstof in de lucht om oxiden te vormen. Afhankelijk van de pH en oxidatieve omstandigheden van het medium, kunnen verschillende oxidatiegetallen worden verkregen, met (III) (Cr³⁺) de meest stabiele van allemaal. Dientengevolge, chroom (III) oxide (Cr₂O₃) groene kleur is de meest stabiele van zijn oxiden.

Deze oxiden kunnen interageren met andere metalen in de omgeving, bijvoorbeeld afkomstig van het Siberische rode loodpigment (PbCrO).₄). Dit pigment is geeloranje of rood (afhankelijk van zijn alkaliteit) en daaruit isoleerde de Franse wetenschapper Louis Nicolas Vauquelin metaalkoper, daarom wordt het als zijn ontdekker toegekend.

Zijn mineralen en oxiden, evenals een klein deel van metaalkoper, maken dit element de 22ste overvloedigste van de aardkorst bezetten.

De chemie van chroom is zeer divers omdat het verbindingen kan vormen met bijna het gehele periodiek systeem. Elk van zijn verbindingen vertoont kleuren die afhankelijk zijn van het aantal oxidaties, evenals de soorten die ermee interageren. Het vormt ook verbindingen met koolstof, ingrijpend in een groot aantal organometaalverbindingen.

[TOC]

Kenmerken en eigenschappen

Chroom is een zilvermetaal in zijn zuivere vorm, met een atoomnummer van 24 en een molecuulgewicht van ongeveer 52 g / mol (⁵²Cr, de meest stabiele isotoop).

Vanwege de sterke metaalbindingen heeft het een hoog smeltpunt (1907 ° C) en een kookpunt (2671 ° C). De kristallijne structuur maakt het ook tot een zeer dicht metaal (7,19 g / ml).

Het reageert niet met water om hydroxiden te vormen, maar het reageert wel met zuren. Het wordt geoxideerd met zuurstof uit de lucht, meestal produceert het chroomoxide, wat een veelgebruikt groen pigment is..

Deze oxidelagen creëren wat bekend staat als passiveren, bescherming van het metaal tegen verdere corrosie, omdat zuurstof de metaalsinus niet kan binnendringen.

De elektronische configuratie is [Ar] 4s¹3d⁵, met alle elektronen ongepaard en vertoont daarom paramagnetische eigenschappen. Het paren van elektronische spins kan echter optreden als het metaal wordt onderworpen aan lage temperaturen en andere eigenschappen zoals antiferromagnetisme verkrijgt..

index

• 1 Kenmerken en eigenschappen
• 2 Chemische structuur van chroom
• 3 Oxidatie nummer
  • 3,1 Cr (-2, -1 en 0)
  • 3,2 Cr (I) en Cr (II)
  • 3,3 Cr (III)
  • 3,4 Cr (IV) en Cr (V)
  • 3,5 Cr (VI): het chromaat-dichromaat-paar
• 4 Gebruik van chroom
  • 4.1 Als een kleurstof of pigmenten
  • 4.2 In chroom of metallurgie
  • 4.3 Voedingswaarde
• 5 Waar ben je??
• 6 Referenties

Chemische structuur van chroom

Wat is de structuur van het chroommetaal? In zijn zuivere vorm neemt chroom een ​​kubusvormige kristallijne structuur aan, gecentreerd op het lichaam (cc of bcc, voor zijn acroniem in het Engels). Dit betekent dat het chromiumatoom zich in het midden van een kubus bevindt, waarvan de randen bezet zijn door andere chromos (zoals in de afbeelding hierboven).

Deze structuur is verantwoordelijk voor het chroom met hoge smelt- en kookpunten, evenals een hoge hardheid. Koperatomen overlappen hun s en d orbitalen om geleidingsbanden te vormen volgens de bandentheorie.

Beide bands zijn dus halfvol. Waarom? Omdat de elektronische configuratie [Ar] 4s is¹3d⁵ en hoe de orbitalen twee elektronen kunnen bevatten, en de orbitalen d tien. Dan wordt slechts de helft van de banden gevormd door hun overlappingen bezet door elektronen.

Met deze twee perspectieven - de kristallijne structuur en de metaalbinding - kunnen veel van de fysische eigenschappen van dit metaal in theorie worden verklaard. Noch verklaart echter waarom chroom verschillende oxidatietoestanden of -getallen kan hebben.

Dit vereist een diep begrip van de stabiliteit van het atoom met betrekking tot elektronische spins.

Oxidatie nummer

Omdat de elektronische configuratie van het chroom [Ar] 4s is¹3d⁵ kan tot één of twee elektronen verdienen (Cr^1- en Cr^2-), of ga ze verliezen om verschillende oxidatienummers te verkrijgen.

Dus als het chroom een ​​elektron verliest, zou het hetzelfde zijn als [Ar] 4s⁰3d⁵; als je drie verliest, [Ar] 4s⁰3d³; en als je ze allemaal verliest, [Ar], of wat hetzelfde is, zou het iso-elektronisch zijn om te argoneren.

Chroom verliest of wint geen elektronen door louter grillen: er moet een soort zijn die doneert of accepteert om van het ene oxidatie-getal naar het andere te gaan.

Chroom heeft de volgende oxidatiecijfers: -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5 en +6. Van hen de +3, Cr³⁺, het is het meest stabiele en daarom overheersend van alles; gevolgd door +6, Cr⁶⁺.

Cr (-2, -1 en 0)

Het is zeer onwaarschijnlijk dat chroom elektronen zal krijgen, omdat het een metaal is en daarom is het van nature om ze te doneren. Het kan echter worden gecoördineerd met liganden, dat wil zeggen moleculen die interageren met het metaalcentrum via een datieve link.

Een van de bekendste is koolmonoxide (CO), dat de hexacarbonylverbinding van chroom vormt.

Deze verbinding heeft een molecuulformule Cr (CO)₆, en aangezien de liganden neutraal zijn en geen lading verschaffen, heeft de Cr een oxidatiegetal van 0.

Dit kan ook worden waargenomen in andere organometallische verbindingen zoals bis (benzeen) chroom. In het laatste geval is chroom omgeven door twee benzeenringen in een moleculaire structuur van het sandwich-type:

Van deze twee organometallische verbindingen kunnen er vele andere van Cr (0) ontstaan.

Er zijn zouten gevonden waarbij ze een wisselwerking hebben met natriumkationen, wat impliceert dat de Cr een negatief oxidatiegetal moet hebben om positieve ladingen aan te trekken: Cr (-2), Na₂[Cr (CO)₅] en Cr (-1), Na₂[Cr₂(CO)₁₀].

Cr (I) en Cr (II)

De Cr (I) of Cr¹⁺ het wordt geproduceerd door de oxidatie van de zojuist beschreven organometallische verbindingen. Dit wordt bereikt door het oxideren van liganden, zoals CN of NO, waardoor aldus bijvoorbeeld verbinding K wordt gevormd₃[Cr (CN)₅NO].

Hier is het feit dat je drie K-kationen hebt⁺ impliceert dat het chroomcomplex drie negatieve ladingen heeft; evenzo de CN-ligand^- geeft vijf negatieve ladingen, zodat tussen de Cr en de NO twee positieve ladingen moeten worden opgeteld (-5 + 2 = -3).

Als het NO neutraal is, dan is het Cr (II), maar het heeft een positieve lading (NO⁺), is in dat geval Cr (I).

Aan de andere kant zijn de verbindingen van Cr (II) overvloediger, wat de volgende is: chroom (II) chloride (CrCl)₂), chroomacetaat (Cr₂(O₂CCH₃)₄), chroom (II) oxide (CrO), chroom (II) sulfide (CrS) en andere.

Cr (III)

Van alle is het die van grotere stabiliteit, omdat het in feite het product is van vele oxidatiemiddelreacties van de chromaationen. Misschien is de stabiliteit ervan te danken aan de elektronische configuratie³, waarin drie elektronen drie d orbitalen van lagere energie innemen in vergelijking met de andere twee meer energetische (het ontvouwen van d orbitalen).

De meest representatieve verbinding van dit oxidatiegetal is chroom (III) oxide (Cr₂O₃). Afhankelijk van de liganden die daarmee zijn gecoördineerd, zal het complex een of andere kleur vertonen. Voorbeelden van deze verbindingen zijn: [CrCl₂(H₂O)₄] Cl, Cr (OH)₃, CrF₃, [Cr (H₂O)₆]³⁺, etc.

Hoewel de chemische formule het op het eerste gezicht niet laat zien, heeft chroom meestal een octaëdrische coördinatiesfeer in zijn complexen; dat wil zeggen, het bevindt zich in het centrum van een octaëder waar de hoekpunten liganden zijn (zes in totaal).

Cr (IV) en Cr (V)

De verbindingen waar Cr deel van uitmaakt⁵⁺ ze zijn zeer weinigen, als gevolg van de elektronische instabiliteit van genoemd atoom, bovendien wordt het gemakkelijk geoxideerd tot Cr⁶⁺, veel stabieler door iso-elektronisch te zijn met betrekking tot argon edelgas.

Cr (V) -verbindingen kunnen echter onder bepaalde omstandigheden worden gesynthetiseerd, zoals hoge druk. Ook hebben ze de neiging te ontleden bij gematigde temperaturen, wat hun mogelijke toepassingen onmogelijk maakt omdat ze geen thermische weerstand hebben. Sommigen van hen zijn: CrF₅ en K₃[Cr (O₂)₄] (de O₂^2- is het peroxide-anion).

Aan de andere kant de Cr⁴⁺ Het is relatief stabieler, in staat om zijn gehalogeneerde verbindingen te synthetiseren: CrF₄, CrCl₄ en CrBr₄. Ze zijn echter ook vatbaar voor ontleding door redoxreacties om chroomatomen te produceren met betere oxidatiegetallen (zoals +3 of +6).

Cr (VI): het chromaat-dichromaatpaar

2 [CrO₄]^2- + 2H⁺  (Geel) => [Cr₂O₇]^2- + H₂O (oranje)

De bovenstaande vergelijking komt overeen met de zure dimerisatie van twee chromaationen om dichromaat te produceren. De variatie van de pH veroorzaakt een verandering in de interacties rond het metalen centrum van Cr⁶⁺, bewezen ook in de kleur van de oplossing (van geel naar oranje of vice versa). Dichromaat bestaat uit een brug O₃Cro-CrO₃.

De verbindingen van Cr (VI) hebben de kenmerken dat ze schadelijk en zelfs carcinogeen zijn voor het menselijk lichaam en de dieren.

Hoe? Studies beweren dat CrO-ionen₄^2- ze kruisen de celmembranen door de werking van de eiwitten die sulfaten transporteren (beide ionen hebben in feite vergelijkbare afmetingen).

Reductiemiddelen in de cellen verlagen Cr (VI) tot Cr (III), wat zich ophoopt door onomkeerbare coördinatie met specifieke plaatsen van macromoleculen (zoals DNA).

Verontreinigd de cel door een overmaat van het chroom, deze kan niet weggaan vanwege het gebrek aan mechanisme dat het terug door de membranen transporteert.

Chrome gebruikt

Als een kleurstof of pigmenten

Chroom heeft een breed scala aan toepassingen, van kleurstof voor verschillende soorten stoffen tot beschermend materiaal dat metalen onderdelen verfraait in wat bekend staat als chroom, dat kan worden gedaan met zuiver metaal of met verbindingen van Cr (III) of Cr (VI).

Chromisch fluoride (CrF)₃), bijvoorbeeld, wordt gebruikt als een kleurstof voor wollen kleding; het chroomsulfaat (Cr₂(SO₄)₃), is bedoeld voor het kleuren van email, keramiek, verven, inkten, vernissen en dient ook voor het chromeren van metalen; en chroomoxide (Cr₂O₃) vindt ook gebruik waar de aantrekkelijke groene kleur vereist is.

Daarom kan elk chroommineraal met intense kleuren worden bestemd om een ​​structuur te verven, maar daarna ontstaat het feit of genoemde verbindingen gevaarlijk zijn of niet voor het milieu of voor de gezondheid van de individuen..

In feite worden de giftige eigenschappen gebruikt om hout en andere oppervlakken te beschermen tegen insectenaanvallen.

In verchroomd of metallurgisch

Eveneens worden kleine hoeveelheden chroom aan het staal toegevoegd om het tegen oxidatie te versterken en de helderheid te verbeteren. Dit komt omdat het in staat is om grijsachtige carbiden te vormen (Cr₃C₂) zeer bestendig om te reageren met zuurstof in de lucht.

Omdat chroom kan worden gepolijst om glanzende oppervlakken te verkrijgen, zijn verchroomde dan zilveren ontwerpen en kleuren als een goedkoper alternatief voor deze doeleinden.

voedingswaarde

Sommigen discussiëren over de vraag of chroom kan worden beschouwd als een essentieel element, dat is onmisbaar in de dagelijkse voeding. Het is aanwezig in sommige voedingsmiddelen in zeer kleine concentraties, zoals groene bladeren en tomaten.

Daarnaast zijn er eiwitsupplementen die de activiteit van insuline reguleren en spiergroei bevorderen, zoals het geval is met chroompolynicotinaat..

Waar is het?

Chroom wordt gevonden in een grote verscheidenheid aan mineralen en edelstenen zoals robijnen en smaragden. Het belangrijkste mineraal waaruit chroom wordt geëxtraheerd is chromiet (MCr₂O₄), waarbij M elk ander metaal kan zijn waarmee chroomoxide is geassocieerd. Deze mijnen zijn rijk aan Zuid-Afrika, India, Turkije, Finland, Brazilië en andere landen.

Elke bron heeft een of meer varianten van chromiet. Op deze manier ontstaat voor elke M (Fe, Mg, Mn, Zn, etc.) een ander chroommineraal.

Om het metaal te extraheren, is het noodzakelijk om het mineraal te verminderen, dat wil zeggen om het metaalcentrum van chroom te laten winnen met elektronen door de werking van een reductiemiddel. Dit gebeurt met koolstof of aluminium:

FeCr₂O₄ + 4C => Fe + 2Cr + 4CO

Ook wordt chromiet gevonden (PbCrO₄).

Meestal in elk mineraal waar het Cr ion³⁺ kan Al vervangen³⁺, beide met enigszins vergelijkbare ionische stralen, vormt een onzuiverheid die resulteert in een andere natuurlijke bron van dit verbazingwekkende, maar schadelijke metaal.

referenties

1. Tenenbaum E. chromium. Genomen uit: chemistry.pomona.edu
2. Wikipedia. (2018). Chromium. Genomen uit: en.wikipedia.org
3. Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (6 april 2018). Wat is het verschil tussen Chrome en Chromium? Genomen uit: thoughtco.com
4. N.V. Mandich. (1995). Chemie van chroom. [PDF]. Genomen uit: citeseerx.ist.psu.edu
5. Chemie LibreTexts. Chemie van chroom. Genomen uit: chem.libretexts.org
6. Saul 1. Shupack. (1991). De chemie van chroom en enkele resulterende analytische problemen. Beoordeeld door: ncbi.nlm.nih.gov
7. Advameg, Inc. (2018). Chromium. Genomen uit: chemistryexplained.com