Хром

Хром — это химический элемент с атомным номером 24 и обозначением Cr (от лат. Chromium). Относится к переходным металлам, входит в шестую группу периодической системы Д. И. Менделеева. Представляет собой твёрдый металл голубовато-белого цвета, известный своей высокой коррозионной стойкостью и твёрдостью. Хром широко применяется в металлургии для производства нержавеющих сталей и сплавов, а также в гальванотехнике для нанесения защитных и декоративных покрытий. Соединения хрома используются в кожевенной, лакокрасочной и химической промышленности, а также в производстве огнеупорных материалов.

История

Открытие

В 1761 году немецкий минералог Иоганн Готлоб Леман обнаружил в уральских горах оранжево-красный минерал, который назвал «сибирским красным свинцом» (крокоит). Впоследствии выяснилось, что это хромат свинца. В 1770 году шведский химик Петер Якоб Хельм, исследуя образцы крокоита, выделил из него оксид хрома, но не смог получить чистый металл. В 1797 году французский химик Луи-Никола Воклен, обработав крокоит соляной кислотой, выделил оксид хрома (CrO₃), а затем, прокалив его с углём в графитовом тигле, получил металлический хром. Воклен назвал новый элемент «хромом» (от греч. χρῶμα — «цвет», «краска») из-за разнообразия окраски его соединений.

Промышленное освоение

В XIX веке хром оставался лабораторной редкостью. Первое промышленное производство началось в 1820-х годах в России, на Урале, где были открыты богатые месторождения хромитов. В 1827 году русский химик Фёдор Фёдорович Рейсс разработал способ получения хрома из хромита. Однако широкое применение хрома началось только после изобретения в 1865 году процесса выплавки феррохрома — сплава железа и хрома, используемого в сталелитейной промышленности. В 1893 году французский инженер Анри Муассан впервые получил чистый хром в электродуговой печи. В XX веке, с развитием авиационной и автомобильной промышленности, спрос на хром резко вырос, что привело к созданию крупных горнодобывающих и перерабатывающих предприятий по всему миру.

Нахождение в природе

Хром — относительно распространённый элемент, занимает 21-е место по содержанию в земной коре (около 0,037 % по массе). В свободном виде в природе не встречается. Основные минералы хрома:

• Хромит (FeCr₂O₄) — главный промышленный источник хрома. Представляет собой чёрный или буро-чёрный минерал, магматического происхождения. Крупнейшие месторождения хромитов находятся в ЮАР (Бушвелдский комплекс), Казахстане (Кемпирсайское месторождение), Индии, Турции, России (Урал, Кольский полуостров), Зимбабве и Финляндии.
• Крокоит (PbCrO₄) — редкий минерал ярко-оранжевого цвета, используется как коллекционный камень.
• Уваровит (Ca₃Cr₂(SiO₄)₃) — редкий зелёный гранат, содержащий хром.

Мировые запасы хромитов оцениваются в миллиарды тонн. Крупнейшие производители хромовой руды (по состоянию на 2023 год): ЮАР, Казахстан, Индия, Турция, Россия.

Физические свойства

Хром — металл серебристо-голубоватого цвета, с характерным блеском. Основные физические характеристики:

• Атомная масса: 51,9961 а. е. м.
• Плотность: 7,19 г/см³ (при 20 °C).
• Температура плавления: 1907 °C.
• Температура кипения: 2672 °C.
• Твёрдость по шкале Мооса: 8,5 (один из самых твёрдых металлов).
• Электропроводность: высокая (удельное сопротивление 12,7 мкОм·см при 20 °C).
• Теплопроводность: 93,7 Вт/(м·К) (при 20 °C).
• Магнитные свойства: антиферромагнетик при температурах ниже 38 °C (точка Нееля), выше — парамагнетик.

Хром обладает высокой коррозионной стойкостью благодаря образованию на поверхности тонкой, прочной и прозрачной оксидной плёнки (пассивация). Эта плёнка защищает металл от дальнейшего окисления на воздухе и в воде.

Химические свойства

Хром — химически активный металл, но в обычных условиях пассивирован. Основные химические свойства:

• Взаимодействие с кислородом: при нагревании выше 600 °C хром сгорает, образуя зелёный оксид хрома(III) (Cr₂O₃).
• Взаимодействие с кислотами: в разбавленных серной и соляной кислотах хром растворяется с выделением водорода, образуя соли хрома(II). В концентрированных азотной и серной кислотах хром пассивируется.
• Взаимодействие со щелочами: в обычных условиях не реагирует, но при сплавлении с щелочами и окислителями образует хроматы.
• Степени окисления: наиболее характерны +2, +3, +6. Соединения хрома(II) — сильные восстановители, хрома(III) — наиболее устойчивы, хрома(VI) — сильные окислители (например, хромовый ангидрид CrO₃).

Важнейшие соединения

• Оксид хрома(III) (Cr₂O₃) — зелёный порошок, используется как пигмент (хромовая зелень) и абразив.
• Хромовый ангидрид (CrO₃) — красные кристаллы, сильный окислитель, применяется в гальванике и органическом синтезе.
• Дихромат калия (K₂Cr₂O₇) — оранжево-красные кристаллы, используется как окислитель в лабораторной практике и в пиротехнике.
• Хромат калия (K₂CrO₄) — жёлтые кристаллы, применяется как пигмент и протрава при крашении.

Получение

Промышленное получение хрома осуществляется в несколько этапов:

1. Обогащение руды: хромитовую руду дробят, измельчают и обогащают магнитной сепарацией или флотацией.
2. Восстановление углеродом: в электродуговых печах при температуре 1500–1600 °C хромит восстанавливают углеродом (коксом) с получением феррохрома (сплава железа и хрома). Феррохром — основной продукт металлургии хрома.
3. Получение чистого хрома: для получения чистого металла феррохром обрабатывают кислотами или щелочами, затем восстанавливают оксид хрома(III) алюминием (алюминотермия) или кремнием (силикотермия). Лабораторный метод — электролиз водных растворов солей хрома.

Применение

Металлургия

Около 90 % добываемого хрома используется в металлургии для производства легированных сталей и сплавов. Основные области применения:

• Нержавеющие стали: добавка хрома (не менее 10,5 %) придаёт стали коррозионную стойкость. Примеры: AISI 304 (18 % Cr, 8 % Ni), AISI 316 (16 % Cr, 10 % Ni, 2 % Mo).
• Инструментальные стали: хром повышает твёрдость, износостойкость и прокаливаемость. Примеры: сталь Х12МФ (12 % Cr), сталь ШХ15 (1,5 % Cr).
• Жаропрочные сплавы: хром входит в состав никелевых и кобальтовых суперсплавов для газотурбинных двигателей и авиационной техники.
• Феррохром: используется как добавка в сталь для регулирования содержания хрома.

Гальванотехника

Хромирование — процесс нанесения тонкого слоя хрома на поверхность металлических изделий. Различают:

• Декоративное хромирование: придаёт блестящий, зеркальный вид (автомобильные детали, сантехника, мебель).
• Твёрдое хромирование: увеличивает износостойкость и твёрдость (поршневые кольца, валы, штампы, инструмент).

Химическая промышленность

• Пигменты: хромовая зелень (Cr₂O₃), хромовый жёлтый (PbCrO₄), хромовый оранжевый (PbCrO₄·PbO) — используются в производстве красок, эмалей, пластмасс.
• Дубильные вещества: соли хрома(III) применяются в кожевенной промышленности для дубления кож (хромовое дубление).
• Катализаторы: оксид хрома(III) используется в каталитических процессах (например, в синтезе аммиака, дегидрировании углеводородов).
• Огнеупоры: хромит используется в производстве огнеупорных кирпичей и футеровок для металлургических печей.

Прочие области

• Абразивы: оксид хрома(III) применяется в составе полировальных паст и шлифовальных кругов.
• Пиротехника: хроматы и дихроматы используются для получения красных и зелёных огней в фейерверках.
• Медицина: изотоп хрома-51 используется в радиоизотопной диагностике (например, для определения объёма циркулирующей крови).
• Ядерная энергетика: хром входит в состав некоторых жаропрочных сплавов для оболочек тепловыделяющих элементов.

Биологическая роль и токсичность

Хром является микроэлементом, необходимым для нормального обмена веществ у человека и животных. Трёхвалентный хром (Cr³⁺) участвует в регуляции углеводного и липидного обмена, повышает чувствительность тканей к инсулину. Суточная потребность взрослого человека составляет около 50–200 мкг. Дефицит хрома может приводить к нарушению толерантности к глюкозе, повышению уровня холестерина и развитию атеросклероза.

Соединения шестивалентного хрома (Cr⁶⁺) высокотоксичны и канцерогенны. Они вызывают раздражение кожи и слизистых оболочек, аллергические реакции, поражение почек и печени, а при длительном воздействии — рак лёгких. Шестивалентный хром отнесён к канцерогенам 1-й группы (доказанный канцероген для человека) Международным агентством по изучению рака (МАИР). Предельно допустимая концентрация (ПДК) хрома шестивалентного в воздухе рабочей зоны в России составляет 0,01 мг/м³.

Интересные факты

• Название «хром» происходит от греческого слова «цвет» из-за разнообразия окраски его соединений: соединения хрома(II) — синие, хрома(III) — зелёные и фиолетовые, хрома(VI) — жёлтые, оранжевые и красные.
• Хром — один из немногих металлов, который при комнатной температуре сохраняет антиферромагнитные свойства.
• В 2011 году российские учёные из Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН обнаружили новый минерал хрома — хромоферрит, в образцах с Кольского полуострова.
• Хром используется в производстве рубинов — искусственные рубины получают легированием оксида алюминия хромом(III).

Источники

• Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. — М.: Мир, 1969.
• Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
• Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1990.
• ГОСТ 5905-2004. Хром металлический. Технические условия.
• Вредные вещества в промышленности. Справочник / под ред. Н. В. Лазарева. — Л.: Химия, 1977.
• Данные Международного агентства по изучению рака (IARC) — Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans, Volume 100C, 2012.