عنصر کروم

کروم (Chromium) یک عنصر شیمیایی با نماد Cr و عدد اتمی 24 است. این عنصر اولین عنصر در گروه 6 است. کروم یک فلز واسطه است که رنگی خاکستری، و سطحی براق دارد، و سخت و شکننده است.

کروم افزودنی اصلی در تولید فولاد زنگ‌نزن است که باعث خاصیت ضدخوردگی آن می‌شود. همچنین کروم به عنوان فلزی که دارای خاصیت جلاپذیری بالا بوده. و در مقابل کدر شدن نیز مقاومت بسیار خوبی دارد از اهمیت فراوانی برخوردار است. کروم صیقل‌کاری شده تقریباً 70% از طیف مرئی و تقریباً 90% از نور مادون قرمز را منعکس می‌کند. نام این عنصر از کلمه یونانی χρῶμα، chrōma به معنی رنگ گرفته شده است. زیرا بسیاری از ترکیبات کروم به شدت رنگی هستند.

آلیاژ فِروکروم به صورت تجاری از طریق واکنش‌های سیلیکوترمی یا آلومینوترمی کرومیت تولید می‌شود. و فلز کروم با فرآیندهای پخت (roasting) و سنگ شویی و سپس کاهش کربن و آلومینیوم تولید می‌شود. فلز کروم از نظر مقاومت در برابر خوردگی و سختی بالا از ارزش بالایی برخوردار است. یک پیشرفت عمده در تولید فولاد کشف این بود که می‌توان با افزودن کروم فلزی. به فولاد آن را شدیداً در برابر خوردگی و تغییر رنگ مقاوم کرد، و فولاد زنگ نزن تولید نمود. تولید فولاد زنگ‌نزن و آبکاری کروم در کنار هم حدود 85% از مصرف تجاری کروم را تشکیل می‌دهند.

بزرگترین تولیدکنندگان کروم در سال 2019 آفریقای جنوبی (39%)، ترکیه (23%)، قزاقستان (15%) و هند (9%) بوده‌اند و 14% باقیمانده مربوط به سایر کشورها است. ارزش بازار جهانی این ماده در سال 2016 برابر 13.07 میلیارد دلار بوده و پیش‌بینی می‌شود. این مقدار در سال 2025 به 16.55 میلیارد دلار برسد.

تاریخچه عنصر کروم

یوهان گوتلوب لمن در سال 1761 در کوه‌های اورال ماده معدنی نارنجی-قرمز رنگی پیدا کرد که نام آن را سرب قرمز سیبریایی نهاد. گرچه او به اشتباه آن را ترکیب سرب با آهن و سلنیوم انگاشت، آن ماده معدنی در حقیقت کرومات سرب (PbCrO4) بود.

پیتر سیمون پالاس در سال 1770 این ماده معدنی سربی قرمز رنگ (سرب قرمز سیبریایی). را در همان مکانی که لمن قبلاً دیده بود، مشاهده کرد که خصوصیات مفید زیادی داشت. از جمله این خصوصیات کاربرد آن بعنوان رنگدانه در تولید رنگ بود. که استفاده از این ویژگی به سرعت توسعه یافت. رنگ زرد درخشانی که از کروکوئیت ساخته شد به یک رنگ بسیار رایج تبدیل گشت.

سال 1797 نیکلاس لوئی واکلین نمونه‌هایی از سنگ معدن کروکوئیت را پیدا کرد. او با مخلوط کردن کروکوئیت و اسید هیدروکلریک موفق به تهیه اکسید کروم (Cro3) گشت. سال 1798 واکلین متوجه شد که با حرارت دهی این اکسید در کوره‌های ذغالی می‌توان کروم فلزی به دست آورد. او موفق به شناسایی مقدار کمی کروم در سنگ‌های قیمتی از جمله یاقوت و زمرد شد.

در طول دهه اول قرن نوزدهم از کروم بیشتر به عنوان سازه‌ای در رنگ‌ها استفاده می‌شد. اما امروزه عمده کاربرد آن (85%) در آلیاژهای فلزی است و مابقی موارد استفاده آن در صنایع شیمیایی، مواد نسوز و صنایع پایه است.

کاربردها عنصر کروم

در متالورژی برای مقاوم سازی در مقابل پوسیدگی و در براقی نهائی:

• بعنوان یک جزء در آلیاژها: بطور مثال در فولاد ضدزنگ
• در آبکاری با کروم
• در آلومینیوم آنادایز
• بعنوان یک کتالیزور
• از کرومیت برای ساخت قالب‌های پخت آجر استفاده می‌شود.
• نمک‌های کروم باعث سبز شدن رنگ شیشه می‌شود.
• کرومات‌ها و اکسیدها در رنگ مو و رنگ‌های معمولی به کار می‌روند.
• دی کرومات پتاسیم یک معرف شیمیایی است که در تمیز کردن ظروف شیشه‌ای آزمایشگاهی و به عنوان یک عامل تیترات مورد استفاده قرار می‌گیرد. این عنصر همچنین به صورت دندانه (بطور مثال، عامل ثابت نگه دارنده) در رنگرزی بکار می‌رود.
• دی اکسید کروم (CrO2) در تولید نوارهای مغناطیسی مصرف می‌شود. این نوارها نسبت به نوارهای اکسید آهن دارای مقاومت در برابر میدانهای مغناطیسی بیشتری بوده، لذا کارایی بهتری دارند.
• جهت ذوب کردن در پوشش کربن شبه الماس (DLC)

نقش بیولوژیکی

کروم سه ظرفیتی فلزی است که مقدار کم آن بسیار ضروری است و برای سوخت و ساز کامل قند در بدن انسان مورد نیاز است. کمبودهای کروم می‌تواند بر توانایی انسولین در ثابت نگه داشتن میزان قند خود تأثیر بگذارد. بر خلاف سایر فلزاتی که مقدار کم آنها ضروری است. برای کروم عملکرد بیولوژیکی در متالوپروتئین دیده نشده است.

خاصیت ضدزنگ کردن

این فلز می‌تواند بسیار از فلزات دیگر را ضدزنگ کرده و از آنها در برابر خوردگی و زنگ زدن محافظت کند. از همین رو یکی از آلیاژهای اصلی فولاد ضدزنگ یا استنلس استیل را کروم تشکیل می‌دهد.

البته باید مدنظر قرار داد که زیر ۴ درصد کروم، خاصیت ضدزنگ ایجاد نمی‌کند. وجود کمتر از 4 درصد کروم در کنار کربن به استحکام قطعه می‌افزاید.

پیدایش

کروم به شکل سنگ معدن کرومیت Fe, Mg)Cr2O۴) استخراج می‌شود. و با غلظت 21 ذره در میلیون بیست و یکمین عنصر از نظر فراوانی در پوسته زمین است. این عنصر را به صورت تجاری با حرارت دهی این سنگ معدن در حضور آلومینیوم یا سیلیسیوم تهیه می‌کند. نزدیک به نیمی از سنگ معدن کرومیت جهان در آفریقای جنوبی تولید می‌شود. و قزاقستان، هند، زیمباوه، ایران، فنلاند، برزیل، روسیه و ترکیه نیز از تولیدکنندگان عمده آن هستند. مقدار کرومیت استخراج نشده بسیار زیاد است. اما از نظر جغرافیایی در قزاقستان و آفریقای جنوبی متمرکز هستند. در سال 2000 حدود 4.4 میلیون تن سنگ معدن کرومیت قابل فروش تولید شد. که 3.3 میلیون تن آهن-کروم به ارزش تقریبی 2.5 میلیارد دلار آمریکا از آن حاصل شد.

اگرچه وجود کروم خالص بسیار نادر است. مقادیری کروم خالص کشف شده است. معدن اوداچنایا در روسه نمونه‌هایی از کروم خالص تولید می‌کند. این معدن یک استوانه کیمبرلیت غنی از الماس است که در آن هم کروم خالص و هم الماس تولید می‌کند.

تولید

در سال 2013 تقریباً 28.8 میلیون تن سنگ معدن کرومیت قابل فروش تولید شده و به 7.5 تن فِروکروم تبدیل شد. طبق تحقیقات سازمان زمین‌شناسی آمریکا، فروکروم اصلی‌ترین کاربرد نهایی سنگ معدنی کرومیت بوده، و تولید فولاد زنگ نزن اصلی‌ترین کاربرد فروکروم است.

در محصول اصلی تصفیه سنگ کروم، فروکروم فلزی هستند. فرایند تولید این دو محصول تفاوت زیادی با هم دارد. برای تولید فروکروم، سنگ معدن کرومیت (FeCr₂O₄). در مقیاس بزرگ در کوره قوس الکتریکی یا در کارخانه‌های ذوب کوچکتر، با آلومینیوم یا سیلیسیم در یک واکنش آلومینوترمی کاهش می‌یابد.

برای تولید کروم خاصل، آهن باید در یک فرایند دو مرحله‌ای پخت و سنگ شویی از کروم جدا شود. سنگ معدن کرومیت با مخلوطی از کربنات کلسیم و کربنات سدیم در حضور هوا گرم می‌شود. کروم اکسید می‌شود و به شکل شش ظرفیتی تبدیل می‌شود.

در حالی که آهن به شکل پایدار Fe₂O₃ تبدیل می‌شود. سپس سنگ شویی در دمای بالاتر باعث حل شدگی کرومات‌ها می شود و اکسید آهن نامحلول را باقی می‌گذارد. کرومات توسط اسید سولفوریک به دی کرومات تبدیل می‌شود. دی کرومات با کاهش با کربن به اکسید کروم (lll) تبدیل می‌شود. و سپس در واکنش آلومینوترمی به کروم کاهش می‌یابد.

عنصر کروم

ترکیبات

دی کرومات پتاسیم عامل اکسید کننده بسیار قوی است. و این ترکیب برای تمیز کردن ظروف آزمایشگاهی، ارجح‌تر از سایر ترکیبات آلی است. اکسید کرومیک همان اکسید کروم سبز است (Cr2O3) که در نقاشی لعابی و رنگ کردن شیشه مورد استفاده قرار می‌گیرد.

زردینه کروم رنگدانه زرد درخشانی است (PbCrO4) که مورد استفاده نقاشان قرار می‌گیرد. اسید کرومیک دارای ساختار فرضی H2CrO4 است. نه اسید کرومیک و نه اسید دی کرومیک در طبیعت یافت نمی‌شوند. اما آنیون‌های آنها در ترکیبات متنوعی یافت می‌شود. تری اکسید کروم CrO3، اسید بدون آب اسید کرومیک – به صورت تجاری، به عنوان اسید کرومیک بفروش می‌رسد.

عنصر کروم

ایزوتوپ‌ها

کروم به طور طبیعی متشکل از 3 ایزوتوپ پایدار Cr-53,Cr-54,Cr52 است که فراوان‌ترین آنها Cr-52 (با فراوانی طبیعی 789/83%) است. 19 رادیو ایزوتوپ که پایدارترین آنها Cr-50 با نیمه عمر بیش از 1.8E17 سال و Cr-51. با نیمه عمر 7025.27 روز است برای این عنصر معلوم و مشخص ست.. مابقی ایزوتوپ‌های رادیواکیو آن از نیمه عمر کمتر از 24 ساعت برخوردارند که نیمه عمر اکثر آنها کمتر از یک دقیقه است. این عنصر همچنین دارای 2 حالت برانگیخته است. کروم 53 محصول فروپاشی پرتوزاد Mn-53 است. محتویات ایزوتوپی کروم معمولاً با محتویات ایزوتوپی منگنز ترکیب می‌شود. و در زمین‌شناسی ایزوتوپی کاربرد دارد.

نسبت‌های ایزوتوپ Mn-Cr شواهدی را که از Pd-107,Al-26 دربارۀ تاریخ ابتدایی مورد حاصل تقویت می‌کند. اختلاف در نسبت‌های Cr-53/Cr-52 و Mn-Cr در چندین شهاب سنگ بیانگر یک نسبت Mn-53/Mn-55 است. که نشان می‌دهد رده‌بندی ایزوتوپ Mn-Cr باید از فروپاشی ثابت Mn-53 در پیکره سیاره‌های مجزا ناشی شده باشد. بنابراین Cr-53 دلایلی بیشتر را دربارۀ فرایندهای نوکلئوسنتری بلافاصله قبل از یکپارچگی منظومه شمسی در اختیار می‌گذارد.

ایزوتوپ‌های کروم از نظر وزن اتمی، در بازه 43amu (کروم 43) تا 67amu (کروم 67) قرار دارند. حالت فروپاشی اتمی بلافاصله قبل از فراوان‌ترین ایزوتوپ پایدار (کروم 52). جذب الکترون است و حالت بلافاصله بعد از آن کاهش بتا است.

هشدارها

فلز کروم و ترکیبات (lll) معمولاً برای سلامتی خطرناک نیستند. اما ترکیبات کروم 71 در صورت بلع سمی هستند. مقدار تقریباً نصف قاشق جای خوری ترکیبات کروم سمی (71) کشنده می‌باشد. و سرطانزا بودن مقادیر غیرکشنده کروم 71 به اثبات رسیده است. بیشتر ترکیبات کروم 71 برا چشم، پوست و همچنین بافت‌های مخاطی مضر هستند. تماس دائمی با این ترکیبات در صورت درمان نشدن می‌تواند آثار همیشگی داشته باشد.

در سال 1958 سازمان بهداشت جهانی حداکثر میزان مصرف مجاز کروم 71 از جنبه سلامتی را 05/0 میلی‌گرم در هر لیتر آب آشامیدنی پیشنهاد کرد. این پیشنهاد بارها بررسی شد و در این فاصله مقدار اعلام شده تغییر نکرد.

عنصر کروم

منابع