Недавно мы говорили, друзья мои, об очень «красивом» переходном металле, который носит очень элегантное имя «ванадий». В ядре этого химического элемента содержится 23 протона. А сегодня мы поговорим еще об одном металле, который имеет 24 протона. В некоторых аспектах это фактически «брат» ванадия, поскольку некоторые свойства элементов очень похожи. Иногда настолько, что, как мы увидели в статье о ванадии, даже были некоторые сомнения относительно того, кто его открыл. Наш сегодняшний герой, как уже отмечалось выше, это металл. Соединения которого имеют очень красивые цвета. И это свойство отражено в его названии. Сегодня мы поговорим о химическом элементе под названием хром.
Серебристый и полезный
Учитывая его «среднее» место в периодической таблице, это элемент очень хорошо иллюстрирует свойства переходных металлов: он достаточно твёрдый, пластичный и ковкий, имеет красивый серебристый цвет и очень хорошо проводит тепло и электричество. Однако небольшие различия в электронной конфигурации различных переходных металлов придают им широкий спектр свойств. И в случае с хромом эти свойства в совокупности делают его действительно особенным и чрезвычайно полезным металлом. Настолько распространённым даже в быту, что я готов съесть свою военно-космическую фуражку (оставленную мене военными властями в целях реализации права на ношение военной формы одежды), если Вы не трогали хром сегодня.
Хром двадцать первый по распространённости химический элемент в земной коре. Конечно это не значит, что Вы можете найти в процессе ежедневного поиска нефти у себя на заднем дворе кусок чистого хрома. Поскольку, как и почти все металлы с аналогичными характеристиками, при определённых условиях, таких как температура и давление внутри Земли, хром жадно соединяется с кислородом. Как и другие охочие до электронов элементы, окисляющиеся и образующие много самых разных соединений.
Именно по этой причине, несмотря на его вездесущность, хром достаточно «новый» элемент (в том смысле, что человечество открыло его совсем недавно). При этом хром присутствует во многих горных породах. Но обычно в незначительных концентрациях, что затрудняет его обнаружение.
Именно примеси хрома отвечают за красивый красный цвет рубина, который без этого металла был бы не чем иным, как банальной окисью алюминия. Однако несмотря на то, что о существовании рубина было известно очень давно, никто не подозревал, что за его великолепным интенсивным цветом стоит какой-то неизвестный элемент. И в итоге не рубин, а гораздо менее знаменитый минерал позволил людям в конце концов осознать, что у них под носом имеется ранее неизвестный металл.
Немцы и красные… минералы
Эта история началась в Сибири в 1745 году. Именно тогда на Урале был открыт знаменитый Берёзовский рудник, который стал очень важным источником золота для Российской империи. Но помимо золота, в Берёзовском руднике было открыто множество других полезных ископаемых. Некоторые из них были уникальными. И никогда не видели солнечного света.
Это место было настолько интересным, что в 1761 году немецкий геолог Иоганн Готлоб Леман (почему не швед?), находившийся в России по приглашению Императорской Академии наук, отправился на Урал в город Свердловск (шутка), чтобы исследовать некоторые из самых интересных обнаруженных здесь горных пород.
Один из минералов буквально заворожил учёного своим необыкновенным красным цветом. Проведя анализ, Леман определил, что в нем содержится большое количество свинца. И поэтому немец (всё ещё не имеющий к тому моменту почему-то шведского гражданства) назвал новую породу «красным свинцом». Этот минерал известен сегодня как крокоит. Название этого камня происходит от знаменитых уральских крокодилов, которые были широко распространены в реках и болотах Южного Урала в те времена (шутка). Нет конечно же. Последнего крокодила видели в этих местах в конце 15 века (снова штука).
На самом деле название «крокоит» происходит от греческого слова «crocos» – шафран. Эта специя имеет характерный оранжевый цвет, похожий на цвет минерала.
Среди других компонентов крокоита Леман идентифицировал кислород и другие известные металлы. Однако новый элемент, ответственный за чудесный красный цвет, снова проскользнул незамеченным буквально под носом у человека.
Однако крокоит оказался весьма полезной породой. По химическому составу это была соль свинца, поэтому, помимо всего прочего её можно было растворять, чтобы вводить в состав красителей и красок. И минерал стал достаточно известен среди европейских минералогов последней трети XVIII века.
Французский химик
Наконец, в 1797 году он попал в руки нашего старого знакомого французского химика Луи Николя Воклена, первооткрывателя бериллия. Воклен неистово, как и другие химики того времени, пытался выделить новые элементы практически во всем, что попадалось ему на пути. С особенным остервенением он делал это с горными породами, так как они казались неисчерпаемым источником таких открытий.
Воклен немного поразмышлял, сидя на подаренной ему коллегами деревянной табуретке, разглядывая купленный на китайском рынке образец крокоита. Он не знал, что ему делать с ним дальше. Но затем, используя внезапно пришедшую откуда-то решимость, издалека бросил крокоит в стоящее в углу избы ведро с соляной кислотой. Спрятавшись за шкафом, Воклен стал осторожно наблюдать за происходящим. Не будем описывать происходящие процессы, отметим лишь одно – в итоге химик получил то, что после соответствующих анализов оказалось оксидом нового элемента. А именно – триоксид хрома CrO3.
Как это часто бывает, окончательное выделение элемента было несколько более трудной задачей. Хотя в данном случае всё случилось достаточно быстро. Воклену на это понадобился всего один год. И в 1798 г. он смог получить после прокаливания в печи оксида хрома чистейший металлический хром.
Впоследствии Воклен обнаружил небольшое количество хрома во многих других минералах, имеющих по большей части очень красивые и яркие цвета, такие, например, как рубины и изумруды. Отсюда и название нового элемента, хром, от греческого «χρώμα», цвет.
Как и в случае с ванадием, хром имеет несколько различных степеней окисления и очень яркие цвета. И прежде всего среди них выделяется красный. И ещё, как мы вскоре увидим, жёлтый. На самом деле, несмотря на серебристую красоту чистой формы хрома, на протяжении многих лет основным его применением и причиной интереса к нему людей были цвета его окисленных состояний, с помощью которых изготавливали различные красители и краски.
Жёлтые автобусы и даже самолёты
Жёлтый хром (PbCrO4) стал одним из популярных химических соединений, и его получали сначала из крокоита. Но впоследствии был открыт новый минерал, гораздо более эффективный в качестве источника хрома. Это хромит, FeCr2O4. Большую часть хрома вообще, а жёлтого хрома в частности получают сегодня именно из него. Вы наверняка хорошо знакомы с этим своеобразным цветом, потому что это не что иное, как цвет многих почтовых организаций мира. Этим же пигментом многие годы красили школьные автобусы в США и других странах. И конечно же, самолёты.
Сегодня этот пигмент используется всё меньше и меньше. По двум причинам. Прежде всего потому, что он содержит свинец, который не рекомендуется использовать в быту. Во-вторых, хром тоже может быть токсичным в зависимости от степени окисления. И хром, присутствующий в PbCrO4, как оказалось, очень токсичен. К тому же много лет назад ещё не было достаточного количества дешёвых красивых жёлтых красителей. Но сегодня они есть. И они не содержат токсичные металлы.
Цвет соединений хрома был не единственной исключительной особенностью этого элемента: в чистом виде этот металл также обладал очень интересными свойствами. Из них можно выделить два. Первое заключается вот в чём: когда чистый хром подвергался воздействию воздуха, он окислялся. Что неудивительно, конечно. Однако в отличие от других металлов и сплавов, таких как обычное железо или сталь, оксидный слой хрома является очень тонким и плотным. И кислород воздуха не может проникнуть сквозь него. Что хорошо препятствует коррозии. Нечто подобное наблюдается и при воздействии на хром некоторых кислот. Эти свойства хрома используются для производства сплавов, высокоустойчивых к окислению и коррозии. Например, сталь с высоким содержанием хрома очень цениться среди потребителей продукции металлургической промышленности.
Ложки, вилки и мотоциклы
Вы наверняка прикасались сегодня к хрому (если Вы, конечно, не старовер и не едите деревянными ложками). Поскольку почти все столовые приборы сделаны из нержавеющей стали. Как и множество других металлических предметов, используемых в повседневной жизни.
Чтобы дать Вам представление о важности хрома как компонента стали, докладываю, что около 85% ежегодно производимого хрома используется именно для этой цели. Сегодня этот металл по-прежнему получают из хромита, и почти половина его поступает из Южной Африки.
Поскольку хромит содержит и железо, и хром, большая часть этого минерала идёт на производство нержавеющих сталей, минуя этап извлечения чистого хрома, что упрощает и удешевляет процесс производства.
Но не весь хром смешивается с железом. Он имеет множество и других применений. Очень часто металлические части автомобилей и мотоциклов, детали кранов и т. д. покрывают слоем хрома. Поскольку этот металл отлично отражает свет. Полированный хром имеет ни с чем не сравнимый блеск, что делает красоту металлического изделия дорогой и богатой. Хром также защищает изделия от химических воздействий, в том числе от окисления.
Хотя хорошая защита достигается, конечно, только в том случае, если слой хрома достаточно толстый.
Другие менее известные свойства некоторых соединений хрома сделали его очень полезным элементом, используемым при производстве промышленных печей. Поскольку оксиды хрома и сам хромит имеют очень высокую температуру плавления и являются тугоплавкими материалами. Но есть проблема: как было сказано выше, в зависимости от степени окисления хрома он может быть очень токсичным. И при воздействии высоких температур могут образовываться его сильно окислённые состояния, которые очень ядовиты. Поэтому, как и в случае с красками, хром в этих целях используется все реже.
Ядовитый ион
Хром, как и ванадий, предшествующий ему в таблице, может приобрести химическую стабильность, если избавится от одного или нескольких электронов, то есть окислится. Однако наиболее распространёнными степенями окисления являются Cr3+ и Cr6+, то есть результат потери трех или шести электронов соответственно. Казалось бы, разница между одним и другим незначительна. Но для нашего организма это совсем не так.
Металлический хром (неокисленный) не опасен, а хром (III) — степень окисления, при которой потеряны три электрона – даже принимает участие в некоторых метаболических реакциях человеческого организма. Хотя и в очень незначительных количествах. Следов Cr3+, присутствующих в обычном рационе, достаточно, чтобы не беспокоиться об этом. И единственные подтверждённые случаи дефицита хрома известны у людей, которые находились на внутривенном питании.
Но с хромом (VI) всё по-другому! Он очень ядовит!
Проглатывание Cr6+ очень опасно, так как этот ион является очень сильным окислителем. И вызывает, среди прочего, повреждение почек и печени.
Именно по этой причине мы сегодня используем так мало жёлтого хрома. Дело в том, что со временем краска с его использованием деградирует. И абсолютно непонятно, где и в какой момент может оказаться ядовитый Cr6+. Триоксид хрома, полученная Вокленом, был, кстати, окисью хрома (VI). Так что, надеюсь, с французом сейчас всё в порядке, и он не подвергался чрезмерному воздействию ядовитого вещества.
Носите с собой респиратор!
Вдыхать Cr6+ в виде пыли является не очень хорошей идеей, так как это занятие вызывает повреждение клеточной ДНК. И, следовательно, это делает Cr6+ весьма канцерогенным агентом. Это стало известно в конце XIX века, когда хром в основном применялся в качестве красителя. В какой-то момент стало очевидно, что заболеваемость раком среди работников красильного завода, использующего соли хрома, значительно превышает норму.
В обычной жизни, конечно, сложно попасть под воздействие пыли шестивалентного хрома. Однако хотя бы один раз в жизни Вы когда-то были рядом с ним. Поскольку образуется этот ион, например, при сварке нержавеющей стали, в которой, как мы выяснили, много хрома. И если когда-нибудь мне придётся по роду службы сваривать детали из нержавейки, я не задумываюсь надену респиратор.
Итак, что такое хром: это что-то красивое, блестящее, жёсткое и ядовитое. Отличный пример того, как один и тот же химический элемент, в зависимости от условий и состояния, может быть чрезвычайно полезным или опасным. А также того, что переходные металлы почти все похожи друг на друга. Однако все они имеют свои особенности.
Всем добра!
Интересуетесь металлами? Вы можете найти прекрасную книгу про металлы по этой ссылке.
«Реклама». ООО Яндекс, ИНН 7736207543
