додати матеріал

приховати рекламу

Хімічний елемент хром

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

Хром

Елемент № 24. Один із самих твердих металів. Має високу хімічну стійкість. Один з найважливіших металів, використовуваних у виробництві легованих сталей. Більшість сполук хрому має яскраве забарвлення, причому самих різних кольорів. За цю особливість елемент і був названий хромом, що в перекладі з грецького означає «фарба».
Як його знайшли
Мінерал, що містить хром, був відкритий біля Єкатеринбурга в 1766 р. І.Г. Леманном і названий «сибірським червоним свинцем». Зараз цей мінерал називається Крокоитом. Відомий і його склад - РbCrО 4. А свого часу «сибірський червоний свинець» викликав чимало розбіжностей серед вчених. Тридцять років сперечалися про його склад, поки, нарешті, в 1797 р. французький хімік Луї Нікола Воклен не виділив з нього метал, який (теж, до речі, після деяких суперечок) назвали хромом.
Воклен обробив крокоит поташем До 2 CO 3: хромат свинцю перетворився на хромат калію. Потім за допомогою соляної кислоти хромат калію був перетворений на окис хрому і воду (хромова кислота існує лише в розбавлених розчинах). Нагрівання зелений порошок окису хрому в графітовому тиглі з вугіллям, Воклен отримав новий тугоплавкий метал.
Паризька академія наук за всією формою засвідчила відкриття. Але, швидше за все, Воклен виділив не елементарний хром, а його карбіди. Про це свідчить голкоподібних форма отриманих Вокленом світлосірих кристалів.
Назва «хром» запропонували друзі Воклена, але воно йому не сподобалося - метал не відрізнявся особливим кольором. Однак друзям вдалося вмовити хіміка, посилаючись на те, що з яскраво забарвлених сполук хрому можна отримувати гарні фарби. (До речі, саме в роботах Воклена вперше пояснена смарагдова забарвлення деяких природних силікатів берилію та алюмінію; їх, як з'ясував Воклен, фарбували домішки сполук хрому.) Так і закріпилася за новим елементом цю назву.
Між іншим, склад «хром», саме в сенсі «пофарбований», входить в багато наукові, технічні і навіть музичні терміни. Широко відомі фотоплівки «ізопанхром», «панхром» і «ортохром». Слово «хромосома» в перекладі з грецького означає «тіло, яке фарбується». Є «хроматична» гамма (в музиці) і є гармоніка «хромка».
Де він знаходиться
У земній корі хрому досить багато - 0,02%. Основний мінерал, з якого промисловість отримує хром, - це хромова шпінель змінного складу із загальною формулою (Mg, Fe) Про · (Сr, Al, Fе) 2 O 3. Хромова руда носить назву хромітів або хромистого залізняку (тому, що майже завжди містить і залізо). Поклади хромових руд є в багатьох місцях. Наша країна має величезні запаси хромітів. Одне з найбільших родовищ знаходиться в Казахстані, в районі Актюбінська; воно відкрито в 1936 р. Значні запаси хромових руд є і на Уралі.
Хроміти йдуть здебільшого на виплавку ферохрому. Це - один з найважливіших феросплавів, абсолютно необхідний для масового виробництва легованих сталей.
Феросплави - сплави заліза з іншими елементами, застосовуваними головним обрядом для легування і розкислення сталі. Феррохром містить не менше 60% Cr.
Царська Росія майже не виробляла феросплавів. На кількох доменних печах південних заводів виплавляли низькопроцентні (за легуючих металів) феросиліцій і феромарганець. Та ще на річці Сатке, що тече на Південному Уралі, в 1910 р. був побудований крихітний заводик, виплавляли мізерні кількості феромарганцю і ферохрому.
Молодий Радянській країні в перші роки розвитку доводилося ввозити феросплави з-за кордону. Така залежність від капіталістичних країн була неприпустимою. Вже в 1927 ... 1928 рр.. почалося спорудження радянських феросплавних заводів. В кінці 1930 р. була побудована перша велика феросплавна піч у Челябінську, а в 1931 р. став до ладу Челябінський завод - первісток феросплавної промисловості СРСР. У 1933 р. були пущені ще два заводи - у Запоріжжі та Зестафоні. Це дозволило припинити ввезення феросплавів. Всього за кілька років у Радянському Союзі було організовано виробництво багатьох видів спеціальних сталей - шарикопідшипникової, жаротривкої, нержавіючої, автотракторної, швидкорізальної ... У всі ці стали входить хром.
На XVII з'їзді партії нарком важкої промисловості Серго Орджонікідзе говорив: «... якщо б у нас не було якісних сталей, у нас не було б автотракторної промисловості. Вартість витрачених нами зараз якісних сталей визначається понад 400 млн руб. Якби треба було ввозити, це - 400 млн руб. щорічно, ви б, чорт забирай, в кабалу потрапили до капіталістів ... »
Завод на базі Актюбінської родовища побудований пізніше, в роки Великої Вітчизняної війни. Першу плавку ферохрому він дав 20 січня 1943 р. у спорудження заводу брали участь трудящі міста Актюбінська. Будівництво було оголошено народною. Феррохром нового заводу йшов на виготовлення металу для танків і гармат, для потреб фронту.
Пройшли роки. Зараз Актюбинский феросплавний завод - найбільше підприємство, що випускає феррохром всіх марок. На заводі виросли висококваліфіковані національні кадри металургів. З року в рік завод і хромітові рудники нарощують потужність, забезпечуючи нашу чорну металургію високоякісним ферохрому.
У нашій країні є унікальне родовище природнолегірованого залізних руд, багатих хромом і нікелем. Воно знаходиться в оренбурзьких степах. На базі цього родовища побудований і працює Орсько-Халиловский металургійний комбінат. У доменних печах виплавляють комбінату природнолегірованого чавун, що володіє високою жаротривкого. Частково його використовують у вигляді лиття, але більшу частину відправляють на переділ в нікелеву сталь із хром при виплавці сталі з чавуну вигоряє.
Великими запасами хромітів розташовують Куба, Югославія, багато країн Азії і Африки.
Як його отримують
Хроміт застосовується переважно в трьох галузях промисловості: металургії, хімії та виробництві вогнетривів, причому металургія споживає приблизно дві третини всього хроміту.
Сталь, легована хромом, володіє підвищеною міцністю, стійкістю проти корозії в агресивних і окисних середовищах.
Отримання чистого хрому - дорогий і трудомісткий процес. Тому для легування сталі застосовують головним чином ферохром, який отримують в дугових електропечах безпосередньо з хроміту. Відновлювачем служить кокс. Зміст окису хрому в хромі повинно бути не нижче 48%, а отношеніеCr: Fe не менш 3: 1.
Отриманий в електропечі феррохром звичайно містить до 80% хрому і 4 ... 7% вуглецю (інше - залізо).
Але для легування багатьох якісних сталей потрібен ферохром, містить мало вуглецю (про причини цього - нижче, у розділі «Хром в сплавах»). Тому частина високовуглецевого ферохрому піддають спеціальній обробці, щоб знизити вміст вуглецю в ньому до десятих і сотих часток відсотка.
З хроміту отримують і елементарний, металевий хром. Виробництво технічно чистого хрому (97 ... 99%) засновано на методі алюмінотермії, відкритому ще в 1865 р. відомим російським хіміком М.М. Бекетовим. Суть методу - у відновленні оксидів алюмінієм, реакція супроводжується значним виділенням тепла.
Але попередньо треба отримати чистий окис хрому Сr 2 О 3. Для цього тонко подрібнений хроміт змішують з содою і додають до цієї суміші вапняк або окис заліза. Вся маса обпалюється, причому утворюється хромат натрію:
2Сr 2 О 3 + 4Na 2 CO 3 + 3О 2 → 4Na 2 CrO 4 + 4CO 2.
Потім хромат натрію витравлюють з обпаленої маси водою; луг фільтрують, упарюють і обробляють кислотою. У результаті виходить біхромат натрію Na 2 Cr 2 O 7. Відновлюючи його сірим або вуглецем при нагріванні, одержують зелену окис хрому.
Металевий хром можна отримати, якщо чистий окис хрому змішати з порошком алюмінію, нагріти цю суміш у тиглі до 500 ... 600 ° C і підпалити з допомогою перекису барію, Алюміній забирає в окису хрому кисень. Ця реакція Сr 2 О 3 + 2Аl → Аl 2 O 3 + 2Сr - основа промислового (алюмінотермічним) способу одержання хрому, хоча, звичайно, заводська технологія значно складніше. Хром, отриманий алюмінотермічним, містить алюмінію і заліза десяті частки відсотка, а кремнію, вуглецю і сірки - соті частки відсотка.
Використовують також силікотермічним спосіб отримання технічно чистого хрому. У цьому випадку хром з окису відновлюється кремнієм з реакції
2Сr 2 О 3 + 3Si → 3SiO 2 + 4СR.
Ця реакція відбувається в дугових печах. Для зв'язування кремнезему в шихту додають вапняк. Чистота силікотермічним хрому приблизно така ж, як і алюмінотермічним, хоча, зрозуміло, вміст у ньому кремнію трохи вище, а алюмінію трохи нижче. Для одержання хрому намагалися застосувати й інші відновники - вуглець, водень, магній. Однак ці способи не отримали широкого розповсюдження.
Хром високого ступеня чистоти (приблизно 99,8%) отримують електролітично.
Технічно чистий і електролітичний хром іде головним чином на виробництво складних хромових сплавів.
Константи і властивості хрому
Атомна маса хрому 51,996. У менделєєвської таблиці він займає місце в шостій групі. Його найближчі сусіди і аналоги - молібден і вольфрам. Характерно, що сусіди хрому, так само як і він сам, широко застосовуються для легування сталей.
Температура плавлення хрому залежить від його чистоти. Багато дослідників намагалися її визначити і отримали значення від 1513 до 1920 ° C. Такий великий «розкидання» пояснюється передусім кількістю та складом містяться в хромі домішок. Зараз вважають, що хром плавиться при температурі близько 1875 ° C. Температура кипіння 2199 ° C. Щільність хрому менше, ніж заліза; вона дорівнює 7,19.
За хімічними властивостями хром близький до молібдену і вольфраму. Вищий оксид його CrО 3 - кислотний, це - ангідрид хромової кислоти Н 2 CrО 4. Мінерал крокоит, з якого ми починали знайомство з елементом № 24, - сіль цієї кислоти. Крім хромової, відома двухромову кислота H 2 Cr 2 O 7, в хімії широко застосовуються її солі - біхромати. Найбільш поширений оксид хрому Cr 2 О 3 - амфотерами. А взагалі в різних умовах хром може проявляти валентності від 2 до 6. Широко використовуються тільки з'єднання трьох-і шестивалентного хрому.
Хром має всі властивості металу - добре проводить тепло і електричний струм, має характерний металевий блиск. Головна особливість хрому - його стійкість до дії кислот і кисню.
Для тих, хто постійно має справу з хромом, стала притчею во язицех ще одна його особливість: при температурі близько 37 ° C деякі фізичні властивості цього металу різко, стрибкоподібно змінюються. При цій температурі - явно виражений максимум внутрішнього тертя і мінімум модуля пружності. Майже також різко змінюються електроопір, коефіцієнт лінійного розширення, термоелектрорушійної сила.
Пояснити цю аномалію вчені поки не можуть.
Відомі чотири природні ізотопу хрому. Їх масові числа 50, 52, 53 і 54. Частка найпоширенішого ізотопу 52 Cr - близько 84%
Хром в сплавах
Ймовірно, було б протиприродним, якби розповідь про застосування хрому і його сполук почався не зі сталі, а з чого-небудь іншого. Хром - один з найважливіших легуючих елементів, що застосовуються у чорній металургії. Добавка хрому до звичайних сталей (до 5% Сr) покращує їх фізичні властивості і робить метал більш сприйнятливим до термічної обробки. Хромом легують пружинні, ресорні, інструментальні, штампові і шарикопідшипникові сталі. У них (крім шарикопідшипникових сталей) хром присутня разом з марганцем, молібденом, нікелем, ванадієм. А шарикопідшипникові стали містять лише хром (близько 1,5%) і вуглець (близько 1%). Останній утворює з хромом карбіди виняткової твердості: Cr 3 С. Cr 7 З 3 та Cr 23 С 6. Вони надають шарикопідшипникової стали високу зносостійкість.
Якщо вміст хрому в сталі підвищити до 10% і більше, сталь стає більш стійкою до окислення і корозії, але тут вступає в силу чинник, який можна назвати вуглецевим обмеженням. Здатність вуглецю пов'язувати великі кількості хрому призводить до збіднення стали цим елементом. Тому металурги опиняються перед дилемою: хочеш отримати корозійну стійкість - зменшуй вміст вуглецю і втрачай на зносостійкості і твердості.
Нержавіюча сталь найпоширенішою марки містить 18% хрому і 8% нікелю. Зміст вуглецю в ній дуже невелика - до 0,1%. Нержавіючі стали добре протистоять корозії і окислення, зберігають міцність при високих температурах. З аркушів такої сталі зроблена скульптурна група В.І. Мухіної «Робітник і колгоспниця», яка встановлена ​​в Москві біля Північного входу на Виставку досягнень народного господарства. Нержавіючі стали широко використовуються в хімічній та нафтовій промисловості.
Високохромистого сталі (що містять 25 ... 30% Cr) мають особливою стійкістю до окислення при високій температурі. Їх застосовують для виготовлення деталей нагрівальних печей.
Тепер кілька слів про сплави на основі хрому. Це сплави, що містять більше 50% хрому. Вони мають досить високу жароміцність. Проте у них є дуже великий недолік, що зводить нанівець всі переваги: ​​ці сплави дуже чутливі до поверхневих дефектів: досить з'явитися подряпині, мікротріщини, і виріб швидко руйнуватиметься під навантаженням. У більшості сплавів подібні недоліки усуваються термомеханічної обробкою, але сплави на основі хрому такій обробці не піддаються. Крім того, вони надто тендітні при кімнатній температурі, що також обмежує можливості їх застосування.
Більше цінні сплави хрому з нікелем (у них часто вводяться як легуючі добавки та інші елементи). Найпоширеніші сплави цієї групи - ніхромом містять до 20% хрому (решта нікель) і застосовуються для виготовлення нагрівальних елементів. У ніхромом - велике для металів електроопір, при пропущенні струму вони сильно нагріваються.
Добавка до хромонікелевого сплаву молібдену та кобальту дозволяє отримати матеріали, що мають високу жароміцністю, здатністю виносити великі навантаження при 650 ... 900 ° C. З цих сплавів роблять, наприклад, лопатки газових турбін.
Жароміцністю, мають також хромокобальтового сплави, що містять 25 ... 30% хрому. Промисловість використовує хром і як матеріал для антикорозійних і декоративних покриттів.
Головна хромова руда - хроміт використовується і у виробництві вогнетривів. Магнезітохромітовие цеглини хімічно пасивні і термостійкі, вони витримують багаторазові різкі зміни температур. Тому їх використовують в конструкціях склепінь мартенівських печей. Стійкість магнезітохромітових склепінь в 2 ... 3 рази більше, ніж динасових.
Дінас - кислий вогнетривку цеглу, що містить не менше 93% кремнезему. Вогнетривкість динасів 1680 ... 1730 ° C. У виданому в 1952 р. 14-му томі Великої Радянської Енциклопедії (2-е видання) Дінас названий незамінним матеріалом для склепінь мартенівських печей. Це твердження слід вважати застарілим, хоча Дінас і зараз широко застосовується в якість вогнетриву.
Хіміки отримують з хроміту в основному біхромати калію і натрію К 2 Cr 2 O 7 і Na 2 Cr 2 O 7.
Бпхромати і хромові галун KCr (SO 4); застосовуються для дублення шкіри. Звідси і йде назва «хромові» чоботи. Шкіра. дублена хромовими сполуками, володіє красивим блиском, міцна і зручна у використанні.
З хромату свинцю РbCrО 4. виготовляють різні барвники. Розчином біхромату натрію очищають і труять поверхню сталевого дроту перед цинкуванням, а також освітлюють латунь. Хроміт та інші сполуки хрому широко застосовуються в якості барвників керамічної глазурі та скла.
Нарешті, з біхромату натрію отримують хромову кислоту, яка використовується в якості електроліту при хромуванні металевих деталей.
Що ж далі?
Хром і в майбутньому збереже своє значення як легіруюча добавка до сталі і як матеріал для металопокриттів; не втратять цінності і сполуки хрому, використовувані у хімічній та вогнетривкої промисловості.
Набагато складніше йде справа зі сплавами на основі хрому. Велика крихкість і виняткова складність механічної обробки поки не дозволяють широко застосовувати ці сплави, хоча за жароміцності і зносостійкості вони можуть позмагатися з будь-якими матеріалами. В останні роки намітився новий напрямок у виробництві хромсодержащих сплавів - легування їх азотом. Цей зазвичай шкідливий в металургії газ утворює з хромом міцні з'єднання - нітриди. Азотування хромистих сталей підвищує їх зносостійкість, дозволяє зменшити вміст дефіцитного нікелю в «нержавійка». Бути може, цей метод дозволить подолати і «необрабативаемость» сплавів на основі хрому? Або тут прийдуть на допомогу інші, поки не відомі методи? Так чи інакше, треба думати, що в майбутньому ці сплави займуть гідне місце серед потрібних техніці матеріалів.
Три або шість?
Оскільки хром добре пручається окислювання на повітрі і дії кислот, його часто наносять на поверхню інших матеріалів, щоб захистити їх від корозії. Метод нанесення давно відомий - це електролітичне осадження. Однак на перших порах при розробці процесу електролітичного хромування виникли несподівані труднощі.
Відомо, що звичайні гальванічні покриття наносять за допомогою електролітів, в яких іон наноситься елементу має позитивний заряд. З хромом так не виходило: покриття виявлялися пористими, легко відшаровувалися.
Майже три чверті століття працювали вчені над проблемою хромування і тільки в 20-х роках нашого століття знайшли, що електроліт хромованою ванни повинен містити не тривалентний хром, а хромову кислоту, тобто шестивалентний хром. При промисловому хромуванні у ванну додають солі сірчаної і плавикової кислот; вільні кислотні радикали каталізують процес гальванічного осадження хрому.
Вчені не прийшли поки до єдиної думки про механізм осадження шестивалентного хрому на катоді гальванічної ванни. Є припущення, що шестивалентний хром переходить спочатку в тривалентний, а потім вже відновлюється до металу. Однак більшість фахівців сходиться на тому, що хром в катода відновлюється відразу з шестивалентного стану. Деякі вчені вважають, що в цьому процесі бере участь атомарний водень, деякі - що шестивалентний хром просто отримує шість електронів.
Декоративні та тверді
Хромові покриття бувають двох видів: декоративні та тверді. Найчастіше доводиться стикатися з декоративними: на годиннику, дверних ручках і інших предметах. Тут шар хрому наноситься на подслой іншого металу, найчастіше нікелю або міді. Сталь захищена від корозії цим подслоем, а тонкий (0,0002 ... 0,0005 мм.) Шар хрому надає виробу парадний вигляд.
Тверді покриття побудовані інакше. Хром наносять на сталь значно більш товстим шаром (до 0,1 мм), але без підшарів. Такі покриття підвищують твердість і зносостійкість сталі, а також зменшують коефіцієнт тертя.
Хромування без електроліту
Є й інший спосіб нанесення хромових покриттів - дифузний. Цей процес йде не в гальванічних ваннах, а в печах.
Сталеву деталь поміщають в порошок хрому і нагрівають у відновній атмосфері. За 4 години при температурі 1300 ° C на поверхні деталі утворюється збагачений хромом шар товщиною 0,08 мм. Твердість і корозійна стійкість цього шару значно більше, ніж твердість сталі в масі деталі. Але цей, здавалося б, простий метод доводилося неодноразово вдосконалювати. На поверхні сталі утворювалися карбіди хрому, які перешкоджали дифузії хрому в сталь. Крім того, порошок хрому при температурі близько тисячі градусів спікається. Щоб цього не сталося, до нього домішують порошок нейтрального вогнетриву. Спроби замінити порошок хрому сумішшю окису хрому з вугіллям не дали позитивних результатів.
Більш життєвим виявилася пропозиція застосовувати як носія хрому його летючі галоїдні солі, наприклад CrCl 2. Гарячий газ омиває хромируемое виріб, при цьому йде реакція:
СrСl 2 + Fe ↔ FeСl 2 + Сr.
Використання летючих галоїдних солей дозволило знизити температуру хромування.
Хлорид (чи йодид) хрому отримують зазвичай, у самій установці для хромування, пропускаючи пари відповідної галоидоводородной кислоти через порошкоподібний хром або феррохром. Утворився газоподібний хлорид омиває хромируемое виріб.
Процес триває довго - декілька годин. Нанесений таким чином шар набагато міцніше з'єднаний з основним матеріалом, ніж нанесений гальванічно.
Все почалося з миття посуду ...
У будь-якій аналітичної лабораторії коштує велика бутель з темною рідиною. Це «хромова суміш» - суміш насиченого розчину біхромату калію з концентрованою сірчаною кислотою. Навіщо вона потрібна?
На пальцях людини завжди є жирові забруднення, які легко переходять на скло. Саме ці відкладення покликана змивати хромова суміш. Вона окисляє жир і видаляє його залишки. Але з цією речовиною звертатися треба обережно. Кілька крапель хромової суміші, що потрапили на костюм, здатні перетворити його на подобу решета: в суміші дві речовини, і обидва «розбійники» - сильна кислота і сильний окислювач.
Хром і деревина
Навіть у наш вік скла, алюмінію, бетону і пластиків не можна не визнати деревину відмінним будівельним матеріалом. Головне її достоїнство в простоті обробки, а головні недоліки - в пожежонебезпеки, схильності руйнування грибками, бактеріями, комахами. Деревину можна зробити більш стійкою, просочивши її спеціальними розчинами, до складу яких обов'язково входять хромати і біхромати плюс хлорид цинку, сульфат міді, арсенат натрію і деякі інші речовини. Просочення у багато разів збільшує стійкість деревини до дії грибків, комах, полум'я.
Дивлячись на малюнок
Ілюстрації в друкованих виданнях робляться з кліше - металевих пластинок, на яких цей малюнок (вірніше, його дзеркальне відображення) вигравіруваний хімічним способом або вручну. До винаходу фотографії кліше гравірували тільки вручну; це трудомістка робота, що вимагає великої майстерності.
Але ще в 1839 р. відбулося відкриття, здавалося не мали ніякого відношення до поліграфії. Було встановлено, що папір, просочений біхроматом натрію або калію, після висвітлення яскравим світлом стає раптом коричневою. Потім з'ясувалося, що біхроматной покриття на папері після засвічування не розчиняються у воді, а, будучи змоченими, набувають синюватого відтінку. Цією властивістю скористались поліграфісти. Потрібний малюнок фотографували на платівку з колоїдним покриттям, що містить біхромат. Засвічені місця при промиванні не розчинялися, а незасвічені розчинялися, і на пластині залишався малюнок, з якого можна було друкувати.
Зараз в поліграфії використовують інші світлочутливі матеріали, застосування біхроматной гелів скорочується. Але не варто забувати, що «першопроходцям» фотомеханічного методу в поліграфії допоміг хром.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Хімія | Реферат | 44,8кб. | скачати

Схожі роботи:
Хімічний елемент Францій
Хімічний елемент калій
Хімічний елемент Олово
Хімічний елемент ванадій
Хімічний елемент Мідь
Хром 22
Хром і кисень
Молібден і хром в організмі людини
Хром і методи його визначення
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru