Фізичні властивості та механічні характеристики металу хром та його сполук. Застосування хрому

ВИЗНАЧЕННЯ

Хром- 24-ий елемент Періодичної таблиці. Позначення – Cr від латинського «chromium». Розташований у четвертому періоді, VIB групі. Належить до металів. Заряд ядра дорівнює 24.

Хром міститься в земної кориу кількості 0,02% (мас.). У природі він зустрічається головним чином як хромистого залізняку FeO×Cr 2 O 3 .

Хром є твердим блискучим металом (рис. 1), що плавиться при 1890 o С; густина його 7,19 г/см 3 . При кімнатній температурі хром стійкий і до води, і повітря. Розведені сірчана та соляна кислотирозчиняють хром із виділенням водню. У холодній концентрованій азотній кислоті хром нерозчинний і після обробки стає пасивним.

Рис. 1. Хром. Зовнішній вигляд.

Атомна та молекулярна маса хрому

ВИЗНАЧЕННЯ

Відносна молекулярна маса речовини(M r) - це число, що показує, у скільки разів маса даної молекули більша за 1/12 маси атома вуглецю, а відносна атомна маса елемента(A r) — у скільки разів середня маса атомів хімічного елемента більша за 1/12 маси атома вуглецю.

Оскільки у вільному стані хром існує у вигляді одноатомних молекул Cr, значення його атомної та молекулярної мас збігаються. Вони дорівнюють 51,9962.

Ізотопи хрому

Відомо, що у природі хром може бути у вигляді чотирьох стабільних ізотопів 50 Cr, 52 Cr, 53 Cr та 54 Cr. Їхні масові числа дорівнюють 50, 52, 53 і 54 відповідно. Ядро атома ізотопу хрому 50 Cr містить двадцять чотири протони і двадцять шість нейтронів, інші ізотопи відрізняються від нього лише числом нейтронів.

Існують штучні ізотопи хрому з масовими числами від 42 до 67, серед яких найбільш стабільним є 59 Cr з періодом напіврозпаду рівним 42,3 хвилини, а також один ядерний ізотоп.

Іони хрому

На зовнішньому енергетичному рівні атома хрому є шість електронів, які є валентними:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 1 .

Через війну хімічного взаємодії хром віддає свої валентні електрони, тобто. є їх донором, і перетворюється на позитивно заряджений іон:

Cr 0 -2e → Cr 2+;

Cr 0 -3e → Cr 3+;

Cr 0 -6e → Cr 6+ .

Молекула та атом хрому

У вільному стані хром існує як одноатомних молекул Cr. Наведемо деякі властивості, що характеризують атом та молекулу хрому:

Сплави хрому

Металевий хром використовується для хромування, а також як один з найважливіших компонентів легованих сталей. Введення хрому в сталь підвищує її стійкість проти корозії як водних середовищахпри нормальних температурах, і у газах при підвищених температурах. Крім того, хромисті сталі мають підвищену твердість. Хром входить до складу нержавіючих кислототривких, жароміцних сталей.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

ПРИКЛАД 2

Хром (Cr), хімічний елемент VI групи періодичної системи Менделєєва. Належить до перехідного металу з атомним номером 24 і атомною масою 51,996. У перекладі з грецької назва металу означає «колір». Такій назві метал зобов'язаний різноманітною колірній гаміяка властива його різним сполукам.

Фізичні характеристики хрому

Метал має достатню твердість і крихкість одночасно. За шкалою Мооса твердість хрому оцінюється 5,5. Цей показник означає, що хром має максимальну твердість з усіх відомих на сьогодні металів, після урану, іридію, вольфраму та берилію. Для простої речовинихрому характерний блакитно-біле забарвлення.

Метал не відноситься до рідкісних елементів. Його концентрація у земній корі досягає 0,02% мас. часткою. У чистому виглядіхром ніколи не зустрічається. Він міститься в мінералах та рудах, які є головним джерелом видобутку металу. Хроміт (хромистий залізняк, FeO*Cr 2 O 3) вважається основною сполукою хрому. Ще одним досить поширеним, проте менш важливим мінералом є крокоїт PbCrO 4 .

Метал легко піддається плавці за температури 1907 0 С (2180 0 До або 3465 0 F). При температурі 2672 0 С - закипає. Атомна маса металу становить 51996 г/моль.

Хром є унікальним металом завдяки своїм магнітним властивостям. В умовах кімнатної температури йому притаманне антиферомагнітне впорядкування, в той час, як інші метали володіють ним в умовах виключно знижених температур. Однак, якщо хром нагріти вище 37 0 С, Фізичні властивостіхрому змінюються. Так, істотно змінюється електроопір та коефіцієнт лінійного розширення, модуль пружності досягає мінімального значення, а внутрішнє тертя значно збільшується. Таке явище пов'язане з проходженням точки Нееля, за якої антиферо магнітні властивостіматеріалу здатні змінюватися на парамагнітні. Це означає, що перший рівень пройдено, і речовина різко збільшилася обсягом.

Будова хрому є об'ємно-центрованими гратами, завдяки яким метал характеризується температурою крихко-в'язкого періоду. Однак, у випадку з даним металом, величезне значення має ступінь чистоти, тому величина знаходиться в межах -50 0 С - +350 0 С. Як показує практика, розкристалізований метал не має ніякої пластичності, але м'який відпал і формування роблять його ковким.

Хімічні властивості хрому

Атом має наступну зовнішню конфігурацію: 3d 5 4s 1 . Як правило, у сполуках хром має наступні ступені окислення: +2, +3, +6, серед яких найбільшу стійкість виявляє Сr 3+ . , +4, +5.

Метал не відрізняється особливою хімічною активністю. Під час знаходження хрому у звичайних умовах, метал виявляє стійкість до вологи та кисню. Однак, дана характеристикане відноситься до з'єднання хрому і фтору - CrF 3 , яке при впливі температур, що перевищують 600 0 С, взаємодіє з парами води, утворюючи в результаті реакції Сr 2 Про 3 а також азотом, вуглецем і сіркою.

Під час нагрівання металевого хрому він взаємодіє з галогенами, сіркою, кремнієм, бором, вуглецем, а також деякими іншими елементами, в результаті чого виходять наступні хімічні реакціїхрому:

Cr + 2F 2 = CrF 4 (з домішкою CrF 5)

2Cr + 3Cl 2 = 2CrCl 3

2Cr + 3S = Cr 2 S 3

Хромати можна отримати, якщо нагріти хром із розплавленою содою на повітрі, нітратами або хлоратами лужних металів:

2Cr + 2Na 2 CO 3 + 3O 2 = 2Na 2 CrO 4 + 2CO 2 .

Хром не має токсичності, чого не можна сказати про деякі його сполуки. Як відомо, пил даного металу, при попаданні в організм, може дратувати легені, через шкіру він не засвоюється. Але оскільки в чистому вигляді він не зустрічається, то його потрапляння в людський організм є неможливим.

Тривалентний хром потрапляє в довкілля під час видобутку та переробки хромової руди. У людський організм попадання хрому ймовірно у вигляді харчової добавки, яка використовується в програмах схуднення. Хром із валентністю, що дорівнює +3, є активним учасником синтезу глюкози. Вчені встановили, що надмірне вживання хрому особливої ​​шкоди людському організму не завдає, оскільки не відбувається його всмоктування, проте він здатний накопичуватися в організмі.

Сполуки, в яких бере участь шестивалентний метал, є вкрай токсичними. Імовірність їх потрапляння в організм людини з'являється під час виробництва хроматів, хромування предметів, під час проведення деяких зварювальних робіт. Попадання такого хрому в організм може призвести до серйозних наслідків, оскільки сполуки, в яких присутній шестивалентний елемент, є сильними окислювачами. Тому, можуть викликати кровотечу в шлунку та кишечнику, іноді з проривом кишечника. У разі потрапляння таких сполук на шкіру виникають сильні хімічні реакції у вигляді опіків, запалень, виникнення виразок.

Залежно від якості хрому, яке необхідно отримати на виході, існує кілька способів виробництва металу: концентрованих електролізом водних розчинівоксиду хрому, електролізом сульфатів, а також відновленням оксиду кремнію. Однак останній спосіб не дуже популярний, так як при ньому на виході виходить хром з величезною кількістю домішок. Крім того, він також є економічно невигідним.

Має необхідні властивості для успішного використання у металургійній промисловості. Цей метал відрізняє сталевий відтінок та висока щільність. У природних умовах його видобувають із копалини хромистого залізняку.

Сировину піддають відновленню (алюмінотермічним або силіконотермічним способом) на металургійних підприємствах шляхом застосування коксу.

Для виробництва цього металу може застосовуватися спосіб металотермічної плавки, при якому вдається домогтися зниження витрати алюмінію. Зростає вилучення хрому до 92%.

Температура виплавки хрому має значення 2300 градусів за Цельсієм, у складі цього металу можна виділити: 98,9-99,2% Хрому (Cr), 0,01-0,2% Вуглецю (С), 0,07-0,12 % Кремнію (Si), 0,25-0,4 % Заліза та Алюмінію (Al, Fe), 0,005% Фосфору (P).

Цей метал незамінний, коли потрібно надати сталевим виробам високу жаростійкість та стійкість до корозії. З його допомогою виробляють легування сплавів, підвищують міцність сталі. замінює собою ферохром, і за його допомогою вдається отримувати сталь спеціальних марок, у яких процентний змістзаліза суворо обмежено.

Для виробництва сталі береться хром без сторонніх домішок та сторонніх включень, допускаються лише сліди окислювальної плівки. Використовуються шматки металу масою менше 10 кг, до місця застосування хром підвозять у спеціальних контейнерах – металевих барабанах та дерев'яних ящиках.

Виробництво металевого хрому ведеться відповідно до вимог ГОСТ 5905-79, у його складі може міститися невелика домішкова кількість свинцю, вуглецю, сірки, кобальту, фосфору, кремнію і т.д.

Додаванням хрому домагаються зменшення розмірів зерна сталі, підвищення міцності, пластичності та підняття її прожарювання. При високих температурах хром не впливає на окислюваність.

Сфера використання даного матеріалу- це авіабудування, створення космічних апаратів, хімічне виробництвота виробництво реактивних двигунів, газових турбін та ін.

Ніхром, шарикопідшипники, жароміцні та нержавіючі сплави - все це створюється завдяки вмілому використанню чудових властивостей металевого хрому. Вироби, виконані з хромованої сталі, мають набагато більший термін служби та високу стійкість до хімічних та інших впливів.

ВАТ "Каменськ-Уральський завод з обробки кольорових металів" збільшило обсяг реалізації кольорового металопрокату для підприємств російської машинобудівної галузі. Постачання з початку...

Тверський районний суд Москви обрав домашній арешт як тимчасовий запобіжний захід для генерального директораАТ "Загорський трубний завод" Дениса Сафіна, якого підозрюють у нецільовій...

Хром, перехідний метал, який широко використовується в промисловості завдяки своїй міцності та стійкості до нагрівання та корозії. Ця стаття дасть вам розуміння деяких важливих властивостей та можливостей використання цього перехідного металу.

Хром відноситься до категорії перехідних металів. Це твердий, але крихкий метал сіро сталевого кольору з атомним номером 24. Цей блискучий метал поміщають у групи 6 періодичної таблиці, та позначають символом «Cr».

Ім'я хромій є похідним від грецького слова хрому, що означає колір.

Вірний своєму імені, хром утворює кілька інтенсивно забарвлених сполук. Сьогодні практично весь хром, що комерційно використовується, витягується з руди хроміту заліза або окису хрому (FeCr2O4).

Властивості хрому

• Хром є найбільш поширеним елементом на земній корі, але він ніколи не відбувається у чистому вигляді. В основному видобувається із шахт, таких як хромітові копальні.

• Розплавляють хром при температурі 2180 або 3465°F, а температура кипіння становить 2944 або 4840°F. його атомна вага 51996 г/моль, і за шкалою Моосу становить 5,5.

• Хром зустрічається в багатьох окислювальних станах, таких як +1, +2, +3, +4, +5 і +6, з яких +2, +3 і +6 є найбільш поширеними, а +1, +4, А +5 це рідкісне окислення. У +3 ступеня окиснення є найбільш стабільним станом хрому. Хром (III) може бути отриманий розчиненням елементарного хрому в соляній чи сірчаній кислоті.

• Цей металевий елементвідомий своїми унікальними магнітними властивостями. При кімнатній температурі він має антиферомагнітне впорядкування, яке показано на інших металах при відносно низьких температурах.

• Антиферомагнетизм - це де сусідні іони, які поводяться як магніти приєднуються до протилежних чи антипаралельних механізмів через матеріал. В результаті, магнітне поле, створюване магнітними атомами або іонами, орієнтуються в одному напрямку, скасовуючи магнітні атоми або іони, збудовані в протилежному напрямку, так, що матеріал не виявляє жодних грубих зовнішніх магнітних полів.

• При температурі вище 38°C хром стає парамагнетиком, тобто його приваблює зовні прикладене магнітне поле. Іншими словами, хром приваблює зовнішнє магнітне поле за температури вище 38°С.

• Хром не піддається водневому крихтенню, т. е. не стають крихкими при дії атомарного водню. Але при впливі азоту він втрачає свою пластичність і стає крихким.

• Хром має високу стійкість до корозії. Тонка захисна оксидна плівка утворюється на поверхні металу, коли він вступає в контакт із киснем у повітрі. Цей шар перешкоджає дифузії кисню в основний матеріал і таким чином захищає його від подальшої корозії. Цей процес називається пасивація, пасивація хромом дає стійкість до дії кислот.

• Існує три основні ізотопи хрому, які називаються 52Cr, 53Cr, 54Cr і, ​​з яких 52 CR є найбільш поширеним ізотопом. Хром реагує з більшістю кислот, але не взаємодіє із водою. За кімнатної температури він реагує з киснем, утворюючи оксид хрому.

Застосування

Виробництво нержавіючої сталі

Хром знайшов широкий спектр застосування завдяки своїй твердості та стійкості до корозії. Він використовується в основному в трьох галузях промисловості - металургійної, хімічної та вогнетривкої. Він широко використовується для виробництва нержавіючої сталі, оскільки це запобігає корозії. Сьогодні це важливий легуючий матеріал для сталей. Він також використовується для виготовлення ніхрену, що використовується в нагрівальних елементахопору через його здатність витримувати високі температури.

Покриття поверхонь

Кислий хромат або дихромат також використовується для покриття поверхонь. Зазвичай це робиться за допомогою методу гальваніки, в якому тонкий шар хрому наноситься на металеву поверхню. Інший спосіб - це хромування деталей, через який хромати використовуються для нанесення захисного шару на певні метали, такі як алюміній (Al), кадмій (CD), цинк (Zn), срібло та магній (MG).

Збереження деревини та дублення шкір

Солі хрому (VI) є токсичними, тому вони використовуються для збереження деревини від пошкодження та руйнування грибком, комахами та термітами. Хром (III), особливо хромові галун або сульфат калію використовується в шкіряній промисловості, оскільки він допомагає стабілізувати шкіру.

Барвники та пігменти

Хром також використовується для виготовлення пігментів чи барвників. Жовтий хром і хромат свинцю широко використовувалися як пігмент у минулому. Через екологічні проблеми, його використання суттєво знизилося, а потім, нарешті, його замінили свинець та хромові пігменти. Інші пігменти на основі хрому, червоного хрому, оксиду зеленого хрому, які є сумішшю жовтої та берлінської блакиті. Окис хрому використовується для надання зеленого кольору скла.

Синтез штучних рубінів

Смарагди завдячують своїм зеленим відтінкомхрому. Окис хрому застосовується також для синтетичних рубінів. Природні рубіни корунди або кристали оксиду алюмінію, які набувають червоного відтінку через присутність хрому. Синтетичні чи штучні рубіни зроблені легуванням хрому (III) на синтетичних кристалах корунду.

Біологічні функції

Хром (III) або тривалентний хром, необхідний в організмі людини, але в дуже невеликих кількостях. Це, як вважають, відіграє важливу роль у ліпіді та метаболізмі цукру. В даний час він використовується в багатьох дієтичних добавках, які, як стверджують, мають кілька переваг для здоров'я, однак це є спірним питанням. Біологічна роль хрому не була перевірена належним чином, і багато експертів вважають, що це не важливо для ссавців, в той час як інші розглядають його як найважливіший мікроелемент для людини.

Інше використання

Висока температура плавлення та теплостійкість зробити хром ідеальним вогнетривким матеріалом. Він знайшов собі застосування в доменних печах, цементних печах та металевих. Багато сполук хрому застосовуються як каталізатори для переробки вуглеводнів. Хром (IV) використовується, щоб зробити магнітні стрічки, що використовуються в аудіо та відеокасетах.

Шестивалентний хром або хром (VI) називається токсичною та мутагенною речовиною, а хром (IV) є відомим своїми канцерогенними властивостями. Хромат солі також викликає алергічні реакції в деяких людей. Завдяки турботі про охорону здоров'я та екологічним проблемамдеякі обмеження були накладені на використання сполук хрому в різних частинахсвіту.

За рахунок того, що має чудові антикорозійні властивості. Хромування захищає будь-який інший метал від іржі. Крім того, легування сталей хромом надає їм таку ж стійкість до корозії, яка властива і металу.

Отже, давайте обговоримо сьогодні, які технічні та окисні характеристики матеріалу хром, основні амфотерні, відновлювальні властивості та одержання металу також торкнуться. А ще ми дізнаємося, який вплив хрому на властивості сталі.

Хром – метал 4 періоди 6 групи побічної підгрупи. Атомний номер 24, атомна маса - 51, 996. Це твердий метал сріблясто-блакитного кольору. У чистому вигляді відрізняється ковкістю та в'язкістю, але найменші домішки азоту або вуглецю надають йому крихкості та твердості.

Хром часто відносять до чорних металів за рахунок кольору його основного мінералу – хромистого залізняку. А ось свою назву – від грецького «колір», «фарба», він отримав завдяки своїм сполукам: солі та оксиди металу з різним ступенем окиснення пофарбовані у всі кольори веселки.

• У нормальних умоваххром інертен і не взаємодіє з киснем, азотом чи водою.
• На повітрі він одразу пасивується – покривається тонкою оксидною плівкою, яка повністю перекриває кисню доступ до металу. З тієї ж причини речовина не взаємодіє із сірчаною та азотною кислотою.
• При нагріванні метал стає активним і вступає в реакції з водою, киснем, кислотами та лугами.

Для нього характерні об'ємно-центровані кубічні грати. Фазові переходи відсутні. При температурі 1830 С можливий перехід до гранецентрованих грат.

Проте хром має одну цікаву аномалію. При температурі 37 С деякі фізичні властивості металу різко змінюються: змінюється електроопір, коефіцієнт лінійного розширення, падає до мінімуму модуль пружності і підвищується внутрішнє тертя. Пов'язано це з проходженням точки Нееля: при цій температурі речовина змінює свої антиферомагнітні властивості на парамагнітні, що є перехід першого рівня і означає різке збільшення обсягу.

Хімічні властивості хрому та його сполук описані в цьому відео:

Хімічні та фізичні властивості хрому

Температура плавлення та кипіння

Фізичні характеристики металу залежать від домішок настільки, що складним виявилося встановити навіть температуру плавлення.

• Відповідно до сучасних вимірів температура плавлення вважається величина в 1907 С. Метал відноситься до тугоплавких речовин.
• Температура кипіння дорівнює 2671°С.

Нижче буде дано Загальна характеристикафізичних та магнітних властивостей металу хром.

Загальні властивості та характеристики хрому

Фізичні особливості

Хром відноситься до найбільш стійких із усіх тугоплавких металів.

• Щільність у нормальних умовах становить 7200 кг/куб. м, це менше ніж у .
• Твердість за шкалою Мооса становить 5, за шкалою Брінелля 7-9 Мн/м2. Хром є самим твердим металомз відомих, поступається тільки урану, іридію, вольфраму та берилію.
• Модуль пружності при 20°С становить 294 ГПа. Це досить скромний показник.

Завдяки будові – об'ємно-центровані грати, хром має таку характеристику, як температура крихко-в'язкого періоду. Ось тільки коли йдеться про цей метал, ця величина виявляється сильно залежить від ступеня чистоти і коливається від -50 до +350 С. На практиці розкристалізований хром ніякої пластичності не має, але після м'якого відпалу і формування стає ковким.

Міцність металу також зростає при холодній обробці. Легуючі добавки теж помітно посилюють цю якість.

Теплофізичні характеристики

Як правило, тугоплавкі метали мають високий рівеньтеплопровідності та, відповідно, низький коефіцієнт теплового розширення. Однак хром помітно відрізняється за своїми якостями.

У точці Нееля коефіцієнт теплового розширення робить різкий стрибок, а потім зі збільшенням температури продовжує помітно зростати. При 29 С (до стрибка) величина коефіцієнта становить 6.2 · 10-6 м/(м K).

Теплопровідність підкоряється цій самій закономірності: у точці Нееля вона падає, хоча й настільки різко і зменшується зі зростанням температури.

• У нормальних умовах теплопровідність речовини дорівнює 93.7 Вт/(м K).
• Питома теплоємність у тих самих умовах – 0.45 Дж/(г K).

Електричні властивості

Незважаючи на нетипову «поведінку» теплопровідності хром є одним з найкращих провідниківструму, поступаючись за цим параметром тільки сріблу та золоту.

• При нормальній температуріелектропровідність металу складе 7.9 · 106 1/(Ом м).
• Питома електричний опір- 0.127 (Ом мм2)/м.

До точки Нееля – 38 С, речовина є антиферомагнетиком, тобто під дією магнітного поляі за його відсутності жодних магнітних властивостей не проявляється. Вище 38 С хром стає парамагнетиком: виявляє магнітні властивості під дією зовнішнього магнітного поля.

Токсичність

У природі хром зустрічається лише у зв'язаному вигляді, тому потрапляння чистого хрому в організм людини виключено. Однак відомо, що металевий пил дратує тканини легень, через шкіру не засвоюється. Сам метал не токсичний, але про його з'єднання цього сказати не можна.

• Тривалентний хромвиявляється у навколишньому середовищіпри та її переробці. Проте в організм людини може потрапити і до складу харчової добавки – піколінату хрому, що використовується у програмах зі зменшення ваги. Як мікроелемент тривалентний метал бере участь у синтезі глюкози та необхідний. Надлишок його, судячи з досліджень, певної небезпеки не становить, оскільки не всмоктується стінками кишківника. Однак у організмі може накопичуватися.
• З'єднання шестивалентного хромутоксичні більш ніж у 100–1000 разів. Потрапити в організм він може при виробництві хроматів, при хромуванні предметів, при деяких зварювальних роботах. Сполуки шестивалентного елемента є сильними окислювачами. Потрапляючи в ШКТ, вони викликають кровотечу шлунка та кишечника, можливо з проривом кишечника. Через шкіру речовини майже не всмоктуються, але мають сильну роз'їдну дію – можливі опіки, запалення, поява виразок.

Хром – обов'язковий легуючий елемент при отриманні нержавіючих та жароміцних. Його здатність протистояти корозії і передавати цю якість сплавам залишається найбільш затребуваною якістю металу.

Хімічні властивості сполук хрому та його окисно-відновлювальні властивості розглянуті у цьому відео: