Хром и его соединения
Элемент №24. Один из самых твердых металлов. Обладает высокой химической стойкостью. Один из важнейших металлов, используемых в производстве легированных сталей. Большинство соединений хрома имеет яркую окраску, причем самых разных цветов. За эту особенность элемент и был назван хромом, что в переводе с греческого означает "краска".
Как его нашли
Минерал, содержащий хром, был открыт близ Екатеринбурга в 1766 г. И. Г. Леманном и назван "сибирским красным свинцом". Сейчас этот минерал называется крокоитом. Известен и его состав - РbCrО4. А в свое время "сибирский красный свинец" вызвал немало разногласий среди ученых. Тридцать лет спорили о его составе, пока, наконец, в 1797 г. французский химик Луи Никола Воклен не выделил из него металл, который (тоже, кстати, после некоторых споров) назвали хромом.
Воклен обработал крокоит поташем К2CO3: хромат свинца превратился в хромат калия. Затем с помощью соляной кислоты хромат калия был превращен в окись хрома и воду (хромовая кислота существует только в разбавленных растворах). Нагрев зеленый порошок окиси хрома в графитовом тигле с углем, Воклен получил новый тугоплавкий металл.
Парижская академия наук по всей форме засвидетельствовала открытие. Но, скорее всего, Воклен выделил не элементарный хром, а его карбиды. Об этом свидетельствует иглообразная форма полученных Вокленом светлосерых кристаллов.
Название "хром" предложили друзья Воклена, но оно ему не понравилось - металл не отличался особым цветом. Однако друзьям удалось уговорить химика, ссылаясь на то, что из ярко окрашенных соединений хрома можно получать хорошие краски. (Кстати, именно в работах Воклена впервые объяснена изумрудная окраска некоторых природных силикатов бериллия и алюминия; их, как выяснил Воклен, окрашивали примеси соединений хрома.) Так и утвердилось за новым элементом это название.
Между прочим, слог "хром", именно в смысле "окрашенный", входит во многие научные, технические и даже музыкальные термины. Широко известны фотопленки "изопанхром", "панхром" и "ортохром". Слово "хромосома" в переводе с греческого означает "тело, которое окрашивается". Есть "хроматическая" гамма (в музыке) и есть гармоника "хромка".
Где он находится
В земной коре хрома довольно много - 0,02%. Основной минерал, из которого промышленность получает хром, - это хромовая шпинель переменного состава с общей формулой (Mg, Fe) О - (Сr, Al, Fе)2O3. Хромовая руда носит название хромитов или хромистого железняка (потому, что почти всегда содержит и железо). Залежи хромовых руд есть во многих местах. Наша страна обладает огромными запасами хромитов. Одно из самых больших месторождений находится в Казахстане, в районе Актюбинска; оно открыто в 1936 г. Значительные запасы хромовых руд есть и на Урале.
Хромиты идут большей частью на выплавку феррохрома. Это - один из самых важных ферросплавов, абсолютно необходимый для массового производства легированных сталей.
Ферросплавы - сплавы железа с другими элементами, применяемыми главным обрядом для легирования и раскисления стали. Феррохром содержит не менее 60% Cr.
Царская Россия почти не производила ферросплавов. На нескольких доменных печах южных заводов выплавляли низкопроцентные (по легирующему металлу) ферросилиций и ферромарганец. Да еще на реке Сатке, что течет на Южном Урале, в 1910 г. был построен крошечный заводик, выплавлявший мизерные количества ферромарганца и феррохрома.
Молодой Советской стране в первые годы развития приходилось ввозить ферросплавы из-за рубежа. Такая зависимость от капиталистических стран была недопустимой. Уже в 1927...1928 гг. началось сооружение советских ферросплавных заводов. В конце 1930 г. была построена первая крупная ферросплавная печь в Челябинске, а в 1931 г. вступил в строй Челябинский завод - первенец ферросплавной промышленности СССР. В 1933 г. были пущены еще два завода - в Запорожье и Зестафони. Это позволило прекратить ввоз ферросплавов. Всего за несколько лет в Советском Союзе было организовано производство множества видов специальных сталей - шарикоподшипниковой, жароупорной, нержавеющей, автотракторной, быстрорежущей... Во все эти стали входит хром.
На XVII съезде партии нарком тяжелой промышленности Серго Орджоникидзе говорил: "...если бы у нас не было качественных сталей, у нас не было бы автотракторной промышленности. Стоимость расходуемых нами сейчас качественных сталей определяется свыше 400 млн руб. Если бы надо было ввозить, это - 400 млн руб. ежегодно, вы бы, черт побери, в кабалу попали к капиталистам..."
Завод на базе Актюбинского месторождения построен позже, в годы Великой Отечественной войны. Первую плавку феррохрома он дал 20 января 1943 г. В сооружении завода принимали участие трудящиеся города Актюбинска. Стройка была объявлена народной. Феррохром нового завода шел на изготовление металла для танков и пушек, для нужд фронта.
Прошли годы. Сейчас Актюбинский ферросплавный завод - крупнейшее предприятие, выпускающее феррохром всех марок. На заводе выросли высококвалифицированные национальные кадры металлургов. Из года в год завод и хромитовые рудники наращивают мощность, обеспечивая нашу черную металлургию высококачественным феррохромом.
В нашей стране есть уникальное месторождение природно легированных железных руд, богатых хромом и никелем. Оно находится в оренбургских степях. На базе этого месторождения построен и работает Орско-Халиловский металлургический комбинат. В доменных печах комбината выплавляют природно легированный чугун, обладающий высокой жароупорностью. Частично его используют в виде литья, но большую часть отправляют на передел в никелевую сталь; хром при выплавке стали из чугуна выгорает.
Большими запасами хромитов располагают Куба, Югославия, многие страны Азии и Африки.
Как его получают
Хромит применяется преимущественно в трех отраслях промышленности: металлургии, химии и производстве огнеупоров, причем металлургия потребляет примерно две трети всего хромита.
Сталь, легированная хромом, обладает повышенной прочностью, стойкостью против коррозии в агрессивных и окислительных средах.
Получение чистого хрома - дорогой и трудоемкий процесс. Поэтому для легирования стали применяют главным образом феррохром, который получают в дуговых электропечах непосредственно из хромита. Восстановителем служит кокс. Содержание окиси хрома в хромите должно быть не ниже 48%, а отношение Cr: Fe не менее 3: 1.
Полученный в электропечи феррохром обычно содержит до 80% хрома и 4...7% углерода (остальное - железо).
Но для легирования многих качественных сталей нужен феррохром, содержащий мало углерода (о причинах этого - ниже, в главе "Хром в сплавах"). Поэтому часть высокоуглеродистого феррохрома подвергают специальной обработке, чтобы снизить содержание углерода в нем до десятых и сотых долей процента.
Из хромита получают и элементарный, металлический хром. Производство технически чистого хрома (97...99%) основано на методе алюминотермии, открытом еще в 1865 г. известным русским химиком Н. Н. Бекетовым. Сущность метода - в восстановлении окислов алюминием, реакция сопровождается значительным выделением тепла.
Но предварительно надо получить чистую окись хрома Сr2О3. Для этого тонко измельченный хромит смешивают с содой и добавляют к этой смеси известняк или окись железа. Вся масса обжигается, причем образуется хромат натрия:
2Сr2О3 + 4Na2CO3 + 3О2 > 4Na2CrO4 + 4CO2
Затем хромат натрия выщелачивают из обожженной массы водой; щелок фильтруют, упаривают и обрабатывают кислотой. В результате получается бихромат натрия Na2Cr2O7. Восстанавливая его серой или углеродом при нагревании, получают зеленую окись хрома.
Металлический хром можно получить, если чистую окись хрома смешать с порошком алюминия, нагреть эту смесь в тигле до 500...600°C и поджечь с помощью перекиси бария, Алюминий отнимает у окиси хрома кислород. Эта реакция Сr2О3 + 2Аl > Аl2O3 + 2Сr - основа промышленного (алюминотермического) способа получения хрома, хотя, конечно, заводская технология значительно сложнее. Хром, полученный алюминотермически, содержит алюминия и железа десятые доли процента, а кремния, углерода и серы - сотые доли процента.
Используют также силикотермический способ получения технически чистого хрома. В этом случае хром из окиси восстанавливается кремнием по реакции: хром химический элемент сплав
2Сr2О3 + 3Si > 3SiO2 + 4Сr
Эта реакция происходит в дуговых печах. Для связывания кремнезема в шихту добавляют известняк. Чистота силикотермического хрома примерно такая же, как и алюминотермического, хотя, разумеется, содержание в нем кремния несколько выше, а алюминия несколько ниже. Для получения хрома пытались применить и другие восстановители - углерод, водород, магний. Однако эти способы не получили широкого распространения.
Хром высокой степени чистоты (примерно 99,8%) получают электролитически.
Технически чистый и электролитический хром идет главным образом на производство сложных хромовых сплавов.
Константы и свойства хрома
Атомная масса хрома 51,996. В менделеевской таблице он занимает место в шестой группе. Его ближайшие соседи и аналоги - молибден и вольфрам. Характерно, что соседи хрома, так же как и он сам, широко применяются для легирования сталей.
Температура плавления хрома зависит от его чистоты. Многие исследователи пытались ее определить и получили значения от 1513 до 1920°C. Такой большой "разброс" объясняется прежде всего количеством и составом содержащихся в хроме примесей. Сейчас считают, что хром плавится при температуре около 1875°C. Температура кипения 2199°C. Плотность хрома меньше, чем железа; она равна 7,19.
По химическим свойствам хром близок к молибдену и вольфраму. Высший окисел его CrО3 - кислотный, это - ангидрид хромовой кислоты Н2CrО4. Минерал крокоит, с которого мы начинали знакомство с элементом №24, - соль этой кислоты. Кроме хромовой, известна двухромовая кислота H2Cr2O7, в химии широко применяются ее соли - бихроматы. Наиболее распространенный окисел хрома Cr2О3 - амфотерен. А вообще в разных условиях хром может проявлять валентности от 2 до 6. Широко используются только соединения трех - и шестивалентного хрома.
Хром обладает всеми свойствами металла - хорошо проводит тепло и электрический ток, имеет характерный металлический блеск. Главная особенность хрома - его устойчивость к действию кислот и кислорода.
Для тех, кто постоянно имеет дело с хромом, стала притчей во языцех еще одна его особенность: при температуре около 37°C некоторые физические свойства этого металла резко, скачкообразно меняются. При этой температуре - явно выраженный максимум внутреннего трения и минимум модуля упругости. Почти также резко изменяются электросопротивление, коэффициент линейного расширения, термоэлектродвижущая сила.
Объяснить эту аномалию ученые пока не могут.
Известны четыре природных изотопа хрома. Их массовые числа 50, 52, 53 и 54. Доля самого распространенного изотопа 52Cr - около 84%
Хром в сплавах
Вероятно, было бы противоестественным, если бы рассказ о применении хрома и его соединений начался не со стали, а с чего-либо иного. Хром - один из самых важных легирующих элементов, применяемых в черной металлургии. Добавка хрома к обычным сталям (до 5% Сr) улучшает их физические свойства и делает металл более восприимчивым к термической обработке. Хромом легируют пружинные, рессорные, инструментальные, штамповые и шарикоподшипниковые стали. В них (кроме шарикоподшипниковых сталей) хром присутствует вместе с марганцем, молибденом, никелем, ванадием. А шарикоподшипниковые стали содержат лишь хром (около 1,5%) и углерод (около 1%). Последний образует с хромом карбиды исключительной твердости: Cr3С. Cr7С3 и Cr23С6. Они придают шарикоподшипниковой стали высокую износостойкость.
Если содержание хрома в стали повысить до 10% и более, сталь становится более стойкой к окислению и коррозии, но здесь вступает в силу фактор, который можно назвать углеродным ограничением. Способность углерода связывать большие количества хрома приводит к обеднению стали этим элементом. Поэтому металлурги оказываются перед дилеммой: хочешь получить коррозионную стойкость - уменьшай содержание углерода и теряй на износостойкости и твердости.
Нержавеющая сталь самой распространенной марки содержит 18% хрома и 8% никеля. Содержание углерода в ней очень невелико - до 0,1%. Нержавеющие стали хорошо противостоят коррозии и окислению, сохраняют прочность при высоких температурах. Из листов такой стали сделана скульптурная группа В. И. Мухиной "Рабочий и колхозница", которая установлена в Москве у Северного входа на Выставку достижений народного хозяйства. Нержавеющие стали широко используются в химической и нефтяной промышленности.
Высокохромистые стали (содержащие 25...30% Cr) обладают особой стойкостью к окислению при высокой температуре. Их применяют для изготовления деталей нагревательных печей.
Теперь несколько слов о сплавах на основе хрома. Это сплавы, содержащие более 50% хрома. Они обладают весьма высокой жаропрочностью. Однако у них есть очень большой недостаток, сводящий на нет все преимущества: эти сплавы очень чувствительны к поверхностным дефектам: достаточно появиться царапине, микротрещине, и изделие быстро разрушится
Похожие статьи
-
Важнейшие строительные материалы и их соединения - Химия в строительстве
Большинство строительных материалов представляют собой смеси разнообразных химических соединений, которые, в свою очередь, состоят из химических...
-
Применение кобальта и его комплексных соединений - Свойства кобальта и его комплексных соединений
Кобальт в виде порошка используют в основном в качестве добавки к сталям. При этом повышается жаропрочность стали, улучшаются ее механические свойства...
-
История открытия - Хром. Элемент периодической системы химических элементов
Хром(Cromium) в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева занимает 24 место, являясь элементом VI группы, побочной подгруппы,...
-
Третья проблема заключается в расширении производства элементоорганических соединений на базе органического синтеза. В первой половине двадцатого века...
-
Предмет органической химии. Изучая неорганическую химию, мы знакомились с веществами самого разнообразного состава и при этом ни разу не встречали, чтобы...
-
Оксид кадмия CdO можно получить сжиганием металла на воздухе или в кислороде, обжигом его сульфида или термическим разложением некоторых соединений. Это...
-
Физико-химические свойства хрома - Хром. Элемент периодической системы химических элементов
Хром является серебристо-белым, твердым, блестящим, но в то же время довольно хрупким металлом. Ранее считалось, что хром практически не обладает...
-
ОСОБЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТА И ЕГО СОЕДИНЕНИЙ, ИХ ПРИМЕНЕНИЕ. - Галлий
Не стоит брать этот элемент в руки - тепла человеческого тела достаточно, чтобы этот серебристый мягкий (его можно резать ножом) металл превратился в...
-
Полимеры в машиностроении - Полимерные соединения
Ничего удивительного в том, что эта отрасль - главный потребитель чуть ли не всех материалов, производимых в нашей стране, в том числе и полимеров....
-
Порфиразины с аннелированными шестичленными N - гетероциклами - пиридиновыми и пиразиновыми кольцами, среди которых первыми были синтезированы...
-
ВВЕДЕНИЕ - Свойства кобальта и его комплексных соединений
Соединения кобальта представляют особый интерес, так как из трех основных ферромагнитных металлов - железа, никеля и кобальта - последний обладает...
-
Хлорорганические соединения - Химико-токсилогический анализ на отдельные группы веществ. Пестициды
Физико-химические свойства и применение. Хлорорганические соединения (ХОС) широко применяют в качестве инсектицидов, акарицидов и фунгицидов для борьбы с...
-
Сплавы. Применение алюминия и его соединений - Алюминий и его свойства
5 .1 Сплавы алюминия Алюминий всех марок содержит более 99% чистого алюминия. В зависимости от химического состава он подразделяется на алюминий особой,...
-
Осторожно! Яд! - Сера и ее соединения
Как известно, в природе сера часто встречается в соединениях с металлами в форме сульфидов металлов. Широко используемый в лабораториях сульфид железа...
-
Отбор проб воды является очень существенным этапом в экоаналитическом контроле. Ошибки, возникающие при отборе проб, как правило, исправить не удается....
-
Реагирует с неметаллами: 4Al + 3O2 > 2Al2O3 ; 2Al + 3Br2 > 2AlBr3 c оксидами металлов:2Al + Fe2O3 > Al2O3 + 2Fe (алюмотермия)c водой (если...
-
Магнийорганические соединения. - Химический элемент Магний
Соединения магния с органическими кислотами. Ацетат магния Mg(CH3COO)2 - хорошо растворимое в воде соединение. Оксалат магния MgC2O4 - труднорастворимое...
-
Соединение Магния., Неорганические соединения магния. - Химический элемент Магний
Для аналитической химии магния имеют значение его труднорастворимые и особенно внутрикомплексные (бесцветные, окрашенные или флуорисцирующие) соединения....
-
Химические свойства алюминия и его соединений - Алюминий и его свойства
Алюминий легко взаимодействует с кислородом при обычных условиях и покрыт оксидной пленкой (она придает матовый вид). I. Взаимодействие с простыми...
-
Соединения железа - Химия железа
Железный купорос FeSO4.7H2O получают путем растворения обрезков стали в 20-30%-ной серной кислоте: Железный купорос - светло-зеленые кристаллы, хорошо...
-
Как компонент термита, смесей для алюмотермии Алюминий применяют для восстановления редких металлов из их оксидов или галогенидов Сплавы на основе...
-
Токсикодинамика (от токсико... и греч... dynamis -- сила) динамика отравления, вызываемого ядом; процесс отравления, его развитие. Термин употребляется...
-
Морфология, биохимия кожи препятствуют резорбции большинства токсикантов. Для водорастворимых веществ кожа представляет непреодолимый барьер. Некоторой...
-
Электронные пары, Ионная связь, Соединения металлов - Химия в строительстве
Некоторые химические элементы, атомы которых укомплектованы на электронных орбитах 8 электронами, не склонны вступать в соединения с другими элементами....
-
Важнейшие алкалоиды. - Гетероциклические соединения. Алкалоиды
Атропин. Алкалоид, содержащийся в растениях семейства пасленовых (белена, красавка, дурман и др.). В медицине применяют в виде водных растворов...
-
Алкалоиды. - Гетероциклические соединения. Алкалоиды
C древнейших времен человек использовал алкалоиды как лекарства, яды и колдовские зелья, однако структура многих из этих соединений была определена...
-
Выводы - Свойства нейтральной формы гибридного соединения
1. Отработана методика синтеза гибридного соединения QD-L на основе квантовой точки CdS (QD) и фотоактивного лиганда -...
-
Среди азотсодержащих соединений обладающих радиопротекторными свойствами можно выделить следующие группы: 1. Аминотиолы; 2. Соединения содержащие...
-
Для проверки фотоактивности и возможности управления люминесценцией гибридного соединения за счет изменения изомерного состояния органического лиганда,...
-
Для получения модифицированной квантовой точки (гибридного соединения) были использованы квантовые точки CdS (КТ, QD) с диаметром 2,5 нм и...
-
МЕТОДЫ ПОДГОТОВКИ СЫРЬЯ - Свойства кобальта и его комплексных соединений
В настоящее время известно много способов по переработке и обогащения сырья. Кобальт 1) Кобальт - относительно редкий металл, и богатые им месторождения...
-
Кислоты и их соли - Фосфор и его соединения
А) Фосфористая кислотаH3PO3. Безводная фосфористая кислота Н3РО3образует кристаллы плотностью 1,65 г/см3, плавящиеся при 74°С. Структурная формула: При...
-
Коротко о соединениях цинка - Понятие о микроэлементах (цинк)
Еще при первых попытках выплавить цинк из руды у средневековых химиков получался белый налет, который в книгах того времени называли двояко: либо "белым...
-
Области применения германия и его соединений - Свойства германия
Германий высоко ценится в производстве, благодаря своим физическим свойствам. Благодаря прозрачности в инфракрасной области спектра металлический...
-
Молекулярные кристаллы фуллеренов -- полупроводники, однако в начале 1991 г. было установлено, что легирование твердого С60 небольшим количеством...
-
Коротко о соединениях цинка. - Цинк
Еще при первых попытках выплавить цинк из руды у средневековых химиков получался белый налет, который в книгах того времени называли двояко: либо "белым...
-
Получаем сульфиды, Горение сероводорода - Сера и ее соединения
Чтобы рассмотреть окраску выпадающих в осадок сульфидов металлов, пропустим сероводород через растворы различных солей металлов. Сульфиды марганца,...
-
Пластмассовые ракеты, Пластмассовый шлюз, Сварка без нагрева - Полимерные соединения
Оболочку двигателя ракет изготавливают из углепластика, наматывая на трубу ленту из углеволокна, предварительно пропитанную эпоксидными смолами. После...
-
Заключение - Азот, его соединение и свойства. Азот в природе
Проделанная работа позволяет сделать вывод о том, что азоту принадлежит одна из главных ролей среди многочисленных химических элементов. Для человечества...
-
СЕРА И ЕЕ СОЕДИНЕНИЯ, Растворяем серу - Сера и ее соединения
Сера широко распространена на Земле. Многочисленные залежи серы в свободном состоянии находятся в Мексике, Польше, на острове Сицилия, в США, СССР и...
Хром и его соединения