Chrom
| Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Allgemein | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Name, Symbol, Ordnungszahl | Chrom, Cr, 24 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Serie | Übergangsmetalle | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Gruppe, Periode, Block | 6 , 4, d | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Aussehen | silbrig metallisch | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomar | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Atommasse | 51,9961 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomradius (berechnet) | 140 (166) pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kovalenter Radius | 127 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| van der Waals-Radius | - | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronenkonfiguration | [Ar]3d54s1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronen pro Energieniveau | 2, 8, 13, 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Oxidationszustände (Oxide) | 6, 3, 2 (stark sauer) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronegativität | 1,66 (Pauling-Skala) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1. Ionisierungsenergie | 652,9 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2. Ionisierungsenergie | 1590,6 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3. Ionisierungsenergie | 2987 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 4. Ionisierungsenergie | 4743 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 5. Ionisierungsenergie | 6702 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 6. Ionisierungsenergie | 8744,9 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Physikalisch | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Aggregatzustand | fest | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Dichte (Mohshärte) | 7140 kg/m3 (8,5) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Magnetische Ordnung | AFM (genauer: SDW) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Schmelzpunkt | 2130 K (1857 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Siedepunkt | 2945 K (2672 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kristallstruktur | bcc | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Molares Volumen | 7,23 · 10-6 m3/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Verdampfungswärme | 344,3 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Schmelzwärme | 16,9 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Dampfdruck | 990 Pa bei 2130 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Schallgeschwindigkeit | 5940 m/s bei 293,15 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Verschiedenes | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Spezifische Wärmekapazität | 450 J/(kg · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektrische Leitfähigkeit | 7,74 · 106 S/m | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Wärmeleitfähigkeit | 93,7 W/(m · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Isotope | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| NMR-Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Normbedingungen. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Chrom (von griech. chroma = Farbe) ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Cr und der Ordnungszahl 24.
Geschichte
1761 entdeckte Johann Gottlob Lehmann ein orange-rotes Bleichromat-Mineral (PbCrO4) im Ural, das er Rotbleierz nannte. Weil er es als eine Blei-Eisen-Selen-Verbindung identifizierte, blieb Chrom noch unentdeckt.
1770 fand Peter Simon Pallas an gleicher Stelle ein rotes Bleimineral, das wegen seiner Rotfärbung Krokoit (von griech. krokos, safranfarben) genannt wurde. Die Verwendung von Rotbleierz als Farbpigment nahm schnell zu. Ein aus Krokoit gewonnenes strahlendes Gelb, das Chromgelb, wurde zur Modefarbe. Vielen sicher noch als "Postgelb" in Erinnerung.
1797 gewann Nicolas-Louis Vauquelin Chrom(III)oxid (Cr2O3) aus Krokoit und Salzsäure. 1798 erhielt er verunreinigtes elementares Chrom durch Reduktion von Chrom(III)oxid mit Holzkohle. Dieses neu isolierte Element erhielt aufgrund der Vielfarbigkeit seiner Salze den Namen Chrom (von griech. chroma, Farbe). Spuren des neuen Elementes konnte Vauquelin auch in Edelsteinen wie Rubin und Smaragd nachweisen. Im 19. Jahrhundert wurden Chromverbindungen überwiegend als Farbpigmente verwandt. Ende des 20. Jahrhunderts werden Chrom und Chromverbindungen hauptsächlich zur Herstellung von korrosions- und hitzebeständigen Legierungen eingesetzt.
Vorkommen
Chrom wurde fast nur als Chromit oder Chromeisenstein, (FeCr2O4) im Tagebau oder in geringer Teufe abgebaut. Metallisches Chrom wird durch Reduktion des Erzes mit Aluminium oder Silizium gewonnen.
Südafrika fördert ungefähr die Hälfte des Weltbedarfs an Chromit. Andere nennenswerte Förderländer sind Kasachstan, Indien und die Türkei.
Im Jahr 2000 wurden ungefähr 15 Millionen Tonnen marktfähiges Chromiterz gefördert. Hieraus ließen sich 4 Millionen Tonnen Ferrochrom mit einem Marktwert von 2,5 Milliarden Dollar gewinnen. Metallisches Chrom kommt in Lagerstätten sehr selten vor. In der Udachnaya Mine in Russland wird eine diamantenhaltige Kimberlit "Pipe" ausgebeutet. In der reduzierenden Matrix bildeten sich Diamanten und metallisches Chrom.
Gewinnung und Darstellung
Das geförderte Chromiterz wird vom tauben Gestein befreit. Im zweiten Schritt erfolgt ein oxidierender Aufschluss in der Hitze zum Dichromat. Anschließend wird mit Kohlenstoff zum Chrom(III)-oxid und mit Aluminium zum elementaren Chrom reduziert. Chrom kann nicht durch Reduktion mit Kohle aus den oxidischen Erzen gewonnen werden, da hierbei Chromkarbid entsteht. Reineres Chrom wird durch elektrolytische Abscheidung des Cr3+-Ions aus schwefelsaurer Lösung dargestellt. Entsprechende Lösungen werden durch Auflösen von Chrom(III)-oxid oder Ferrochrom in Schwefelsäure hergestellt. Ferrochrom als Ausgangsstoff erfordert allerdings eine vorherige Abtrennung des Eisens.
Extrem reines Chrom wird durch weitere Reinigungsschritte nach dem Verfahren von van Arkel und de Boer erzeugt.
Ferrochrom wird durch Reduktion von Chromit im Lichtbogenofen bei 2800 °C erzeugt.
Eigenschaften
Chrom ist ein stahlgraues, korrosions- und anlaufbeständiges hartes Metall.Im Urzustand zäh, form- u. schmiedbar. In der Oxidationsstufe +6 ist es ein sehr starkes, aber auch giftiges Oxidationsmittel. Häufige Oxidationsstufen des Chroms sind +2, +3, und +6, wobei +3 die beständigste ist.
Verwendung
Chrom und Chromverbindungen werden für die verschiedenstartigen Anwendungen eingesetzt:
- Hartverchromung
Galvanisches Aufbringen einer etwa 500 μm Verschleiß- und Korrosionsschutzschicht direkt auf Stahl. - Dekorverchromung.
Galvanisches Aufbringen einer < 1 μm dicken Cr-Schicht als Dekor mit einer korrosionsschützenden Zwischenschicht aus Nickel oder Nickel-Kupfer - Legierungselement in korrosions- und hitzebeständigen Edelstählen und NE-Legierungen
- als Katalysator
- als Chromit zur Herstellung von Formen für das Brennen von Ziegelsteinen
- Färben von Glas.
Chrom(III)-Verbindungen färben Glas smaragdgrün, Chrom(VI)-Verbindungen gelb - Chromate und Chromoxide werden als Farbpigmente in Farben und Färbemitteln verwandt
- Kaliumdichromat wird als Reinigungsmittel für Laborgeräte aus Glas und als Titrationsmittel verwendet, sowie als Fixiermittel in industriellen Färbebädern
- Chrom(IV)-oxid, Chromdioxid, CrO2, ein schwarzes ferromagnetisches Pulver für die Herstellung von Magnetbändern mit einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis als konventionelle Eisenoxid-Magnetbänder, da Chromdioxid eine höhere Koerzivität besitzt.
Physiologisches
Dreiwertiges Chrom ist ein für den menschlichen Zuckerstoffwechsel essentielles Spurenelement, hauptsächlich weil es ein Bestandteil des Glucosetoleranzfaktors ist. Defizite können die Wirkung von Insulin zur Stabilisierung der Zuckerkonzentration beeinflussen.
Der Wirkungsmechanismus von Chrom im menschlichen Stoffwechsel ist bisher nicht geklärt, man nimmt aber an, dass Chrom als Bestandteil des Glucosetoleranzfaktors die Sensibilität von Insulin auf die Insulinrezeptoren (Tyrosinkinaserezeptoren) erhöht. Somit hat es Einfluß auf die Entstehung von Glukoseintolernaz, Diabetes Mellitus Typ I und Typ II sowie auf den Blutlipidspiegel. Der Schätzwert der ÖGE (Österreichische Gesellschaft für Ernährung) für den Bedarf liegt in Anbetracht der lückenhaften Datensituation bei 30-100µg/d.
Verbindungen
Das orangefarbene Kaliumdichromat ist ein kräftiges Oxidationsmittel: In schwefelsaurer Lösung werden primäre Alkohole leicht in die betreffenden Aldehyde umgewandelt, was man zum halbquantitativen Nachweis von Alkohol in der Ausatemluft nutzen kann. Im Laborbereich wird es in Form von Chromschwefelsäure zur Reinigung von Glasgeräten verwendet. Beim Kontakt mit Chloridionen wird jedoch das flüchtige, krebserregende Chromylchlorid CrO2Cl2 gebildet (Abzug!).
Chromgrün, das grüne Chrom(III)-oxid Cr2O3 wird als Emaillefarbe und zum Glasfärben (grüne Flaschen) verwendet. Chromgelb, ein gelbes Bleichromat PbCrO4, dient als brillant gelbes Farbpigment und wird zur iodometrischen Bestimmung von Blei genutzt. Chromsäure mit der hypothetischen Struktur H2CrO4 existiert nur in verdünnter wässriger Lösung. Als Anion existiert sie in einigen Chromaten und Dichromaten.
Das Anhydrid der Chromsäure, Chrom(VI)-oxid wird als Chromsäure bezeichnet.
Sicherheitshinweise
Metallisches Chrom und Chrom(III)-Verbindungen sind gewöhnlich nicht gesundheitsschädigend. Oral aufgenommene Chrom(VI)-Verbindungen sind im Gegensatz dazu als äußerst giftig einzustufen. Die letale Dosis entspricht einem halben Teelöffel. Chrom(VI)-Verbindungen sind seit langem als krebserregend bekannt. Die meisten Chrom(VI)-Verbindungen verursachen Irritationen an Augen, Haut und Schleimhäuten. Chronischer Kontakt mit Chrom(VI)-Verbindungen kann bei unterlassener Behandlung zu bleibenden Augenschäden führen.
1958 empfahl die World Heath Organization für Chrom(VI)-Verbindungen eine maximal zulässige Konzentration von 0,05 mg/Liter im Trinkwasser. Auch nachfolgende Untersuchungen führten zu keiner Anpassung dieser Empfehlung.