| Chrom 24Cr | ||||||
| engl. Chromium; griech. chroma („Farbe“) | ||||||
|
||||||
     
|
 Physikalisch-chemische Eigenschaften |
||||||||||||
Reines
Chrom ist ein silbrig glänzendes Metall, das sich gut dehnen und schmieden
lässt. Chrom ist das härteste Metall aller Elemente. Bei geringfügigen
Verunreinigungen mit Wasserstoff oder Sauerstoff steigt die Härte noch an, während es gleichzeitig sehr spröde wird.
Kompaktes
Chrom in Form von Stangen oder Blech ist an der Luft beständig, da
es von einer dünnen Oxidschicht überzogen wird, die das
Metall vor weiterer Korrosion schützt. Entfernt man die
Schutzschicht durch Anschleifen, zersetzt es sich mit verdünnter Salzsäure oder Schwefelsäure unter Wasserstoff-Entwicklung.
Kristallines Chrom besitzt genügend Oberfläche, damit eine
Säure angreifen kann. Daher reagiert kristallines Chrom
stürmisch mit verdünnter Salzsäure und mit
Salpetersäure.
Bei hohen Temperaturen reagiert Chrom mit den meisten Nichtmetallen. Mit Chlor bildet sich Chrom(III)-chlorid. Mit Sauerstoff verbrennt es zu Chrom(III)-oxid. 2 Cr + 3 Cl2  2 CrCl3
ΔHR = −1114 kJ/mol
4 Cr + 3 O2 2 Cr2O3 ΔHR = −2280 kJ/mol
Chromverbindungen treten in den Oxidationsstufen −2 bis +6 auf. Am häufigsten verwendet werden die Salze mit den Oxidationsstufen +2, +3 und +6.
Oxidationsstufe +2: Die Chromverbindungen der Oxidationsstufe +2 gehen leicht in Chrom(III)-Verbindungen über. Sie lassen sich daher aus diesen nur schwer und auch nur mit starken Reduktionsmitteln herstellen. Chrom(II)-chlorid CrCl2 erhält man zum Beispiel durch eine Reduktion von Chrom(III)-chlorid mit Wasserstoff bei 600 °C unter Ausschluss von Wasser. Eine andere Herstellungsmöglichkeit wäre die Reaktion von Chlorwasserstoff mit Chrom bei 1000 °C. Oxidationsstufe +3: Diese Chromverbindungen sind chemisch sehr beständig und kaum in Wasser löslich. Chrom(III)-oxid ist ein grünes Pulver, das unter dem Namen Chromoxidgrün als Pigment verwendet wird. Im Gegensatz zum Oxid der Oxidationsstufe +6 besitzt dieses nur ein geringes toxisches Potenzial und ist auch nicht als krebserzeugend eingestuft. Wasserfreies Chrom(III)-chlorid CrCl3 bildet in reinem Zustand rotviolette Kristalle. Ist es mit geringen Spuren von Chrom(II)-chlorid verunreinigt, erfolgt eine stürmische Auflösung im Wasser unter Wärmeentwicklung. Dabei entsteht das grüne Hexahydrat. Oxidationsstufe +6: Chrom(VI)-oxid bildet dunkelrote Plättchen, die an der Luftfeuchtigkeit gerne zerfließen. Mit Feuchtigkeit entsteht die gelbe Chromsäure H2CrO4, die nur in verdünnter wässriger Lösung stabil ist. Chrom(VI)-oxid ist krebserzeugend und erbgutschädigend. Es wirkt giftig beim Verschlucken, beim Einatmen der Stäube besteht sogar Lebensgefahr. Das ebenfalls krebserzeugende Kaliumchromat bildet gelbe Kristalle, die mit wässrigen Bleisalz-Lösungen gelbes Bleichromat ausfällen. Dieses wurde früher unter dem Namen Chromgelb als Pigment verwendet. Noch toxischer und auch stärkere Oxidationsmittel sind die orange gefärbten Salze Ammoniumdichromat und Kaliumdichromat. Die genannten Chrom(VI)-Verbindungen sind mit Ausnahme des Bleichromats im Wasser gut löslich.
|
| Physiologie – Toxikologie |
Chrom
ist ein essenzielles Spurenelement. Es
ist für den Glucose- und Proteinstoffwechsel von Bedeutung. In der
medizinischen Literatur werden Mangelerscheinungen beschrieben [Lit 16], aber teilweise
auch kontrovers diskutiert. Personen wie Diabetiker mit einer gestörten
Glucosetoleranz reagieren positiv auf eine zuzsätzliche Chromversorgung
unter medizinischer Aufsicht. Hülsenfrüchte, Keimlinge, Schokolade,
Bierhefe oder zahlreiche Obst- und Gemüsesorten enthalten besonders
viel von diesem Spurenelement.
Für das Metall in
reiner Form und für die Chrom(III)-Salze wird die toxische Wirkung
nicht so gravierend angenommen wie für die Chrom(VI)-Verbindungen wie Chrom(VI)-oxid, Kaliumdichromat und Kaliumchromat. Diese wirken auf Haut
und Schleimhäute stark ätzend, verursachen innerlich eingenommen
Magen- und Darmschäden, Leber- und Nierenentzündungen und gelten
als krebserzeugend, erbgutverändernd
oder fortpflanzungsgefährdend. |
| Vorkommen |
|||||
Häufigkeit relativ häufig
Chrom kommt elementar in Meteoriten vor. Darüber hinaus findet man es in gediegener Form in bestimmten Gesteinsarten. Das wichtigste Chromerz ist der Chromit. Ein weiteres Chromerz von geringerer Bedeutung ist der Krokoit. Die wichtigsten Chromit-Lagerstätten finden sich in Südafrika. Bedeutende Förderländer für Chromerze sind auch Kasachstan, Russland, Simbabwe, die Türkei, Finnland oder Indien.
|
| Geschichte |
|||
Der russische Naturwissenschaftler und Dichter Michail Wassiljewitsch Lomonossow erwähnte 1753 in seinem Reisebericht ein rotes Bleierz. Er hatte es beim Chemiker Johann Gottlob Lehmann in St. Petersburg gesehen. Die Stücke stammten aus dem Oblast Swerdlowsk im russischen Ural. In der Folgezeit erhielt das Mineral verschiedene Namen. Abraham Gottlob Werner nannte es 1774 „Rothes Bleierz“, Wallerius 1778 „minera plumbi rubra“. Allerdings konnte bis dahin die exakte Zusammensetzung nicht ermittelt werden.
Der französische Chemiker Louis Nicolas Vauquelin (1763–1829) entdeckte das Element Chrom im Jahr 1797 bei Untersuchungen des roten Bleierzes und stellte das Metall in unreiner Form dar. Mit Hilfe von Salzsäure oder Schwefelsäure gewann er aus dem roten Bleierz Chromsäure, die er vor dem Lötrohr auf Holzkohle zu einem Metallkorn reduzieren konnte. Im gleichen Jahr erkannte der deutsche Chemiker Martin Heinrich Klaproth (1743–1817) ebenfalls im roten Bleierz das neue Element. Der französische Mineraloge Abbé-Just Haüy (1743–1822) schlug den Namen Chrom (franz. Chrome) aufgrund der Vielfarbigkeit seiner Salze vor. Der Name ist vom griechischen Wort chroma („Farbe“) abgeleitet. Der schwedische Chemiker J.J. Berzelius führte 1814 das Symbol Cr ein.
Ab 1818 wurde aus dem roten Bleierz das gelbe Pigment Chromgelb hergestellt. Dieses gelbe Bleichromat wurde dann zum Inbegriff des Postgelbs. Vincent van Gogh setzte das Pigment gerne ein. Aufgrund seiner krebserzeugenden Wirkung ist es heute verboten. Der deutsche Mineraloge August Breithaupt (1791–1873) verwendete 1841 erstmals den heute gültigen Namen Krokoit für das Rotbleierz. Reines Chrom stellte erstmals R.W. Bunsen im Jahre 1854 durch eine Elektrolyse von wässrigen Chromchlorid-Lösungen her. Die erste Reduktion aus Chromoxid mit Koks entwickelte 1893 H.F.-F. Moissan. 1898 erhielt H. Goldschmidt ein sehr reines, kohlenstofffreies Metall durch die Reduktion mit Aluminium. Die Holländer Eduard van Arkel und Jan Hendrik de Boer stellten im Jahr 1930 das Van-Arkel-de-Boer-Verfahren vor: Dabei wird ein zu reinigendes Metall wie Chrom im Vakuum bei 800 °C zusammen mit Iod in einem Behälter erhitzt. Es entsteht gasförmiges Chromiodid, das sich an einem glühenden Wolframdraht zu hochreinem Chrom zersetzt. Der österreichische Ingenieur Max Mauermann (1868–1929) entwickelte 1912 einen nicht rostenden Stahl, den er ein Jahr später auf der Wiener Adria-Ausstellung vorstellte: Die im Stahl legierten Elemente Chrom und Nickel erhöhten die Korrosionsbeständigkeit im Stahl erheblich. Eine solche Legierung wurde bei den Krupp-Werken als „V2A-Stahl“ und später bei der WMF als „Cromarganstahl“ bekannt, sie ist heute in fast jedem hochwertigen Kochgeschirr oder Besteck enthalten. Der Markenname Cromargan lehnt sich an den Chromgehalt im Stahl und an den Kunstbegriff „Argan“ an, weil der Stahl ein silberähnliches Aussehen besitzt. Der deutsche Elektrochemiker Erik Liebreich (1884–1946) legte 1920 mit seinem Patent Verfahren zur elektrolytischen Abscheidung von metallischem Chrom die Grundlage für das Verchromen von Metallen wie Eisen oder Stahl in einem elektrolytischen Chrombad. Die entstehende Chromschicht auf der Oberfläche schützt das darunter liegende Metall vor Oxidation, und sie erzeugt einen hohen Glanz. |
| Herstellung |
Als
Ausgangsmaterial dient das Mineral Chromit. Das Erz wird durch Flotation
angereichert, fein zermahlen und mit Kalk und Soda vermischt. Unter Luftzufuhr
erhält man bei etwa 1200 ° Natriumchromat:
4 FeCr2O4 + 8 Na2CO3 + 7 O2
8 Na2CrO4 + 2 Fe2O3
+ 8 CO2 Nach der Extraktion des
Chromats mit heißem Wasser wird konzentrierte Schwefelsäure hinzugegeben, so dass Natriumdichromat entsteht:
2 Na2CrO4 + H2SO4 + H2O
Na2Cr2O7 + Na2SO4
+ 2 H2O Das Natriumdichromat
kristallisiert beim Abkühlen als Dihydrat aus der Lösung. Durch
eine nachfolgende Reduktion mit Kohle erhält man Chrom(III)-oxid:
Na2Cr2O7 . 2 H2O + 2 C
Cr2O3 + Na2CO3
+ 2 H2O +
CO Dann erfolgt die aluminothermische
Reduktion des Chrom(III)-oxids zu Chrom:
Cr2O3 + 2 Al Al2O3
+ 2 Cr Das gewonnene Chrom besitzt
einen Reinheitsgrad um die 99 Prozent. Reineres Chrom erhält man durch die
Elektrolyse von Chrom(III)-Salz-Lösungen oder nach dem oben beschriebenen
Van-Arkel-de-Boer-Verfahren. In der Technik wird Chrom jedoch meist als
unreines Ferrochrom (FeCr) hergestellt. Hierbei wird der Chromit direkt
mit Kohle oder Schwefel unter Zugabe von Flussmitteln wie Kalk reduziert:
FeO + Cr2O3 + 4 C Fe
+ 2 Cr + 4 CO Man erhält Ferrochrom, eine wichtige Legierung zur Herstellung von Chromstahl. |
| Verwendung |
|||
Chrom
ist neben Nickel das wichtigste Legierungsmetall zur Herstellung von rostbeständigem Stahl. Eingesetzt wird dieser zum Beispiel für Maschinenteile, Achsen, Räder, Werkzeuge, Kugellager, Besteck, Kochgeschirr oder chemische Apparate. Beim galvanischen Verchromen
werden dünne Chromschichten auf die zu beschichtenden Metalle
aufgetragen. Als Elektrolytflüssigkeit dient ein Gemisch aus Wasser
und Schwefelsäure, das einen hohen Anteil Chrom(VI)-oxid und einen
geringen Anteil Chrom(III)-oxid enthält. Die vorvernickelten Metalle
werden als Kathode in die Lösung gehalten. Sie erhalten so einen wirksamen
Rostschutz.
Chrom dient auch zur Herstellung von Cermets (ceramic metals).
Darunter versteht man Verbundwerkstoffe, bei denen keramische Bestandteile wie
Aluminiumoxid mit metallischen Anteilen gemischt sind. Chrom(III)-oxid
ist ein wichtiger Katalysator bei chemischen Synthesen und wird als grünes
Pigment Chromoxidgrün verwendet. Chromsalze wie Kaliumdichromat werden als Gerbstoffe eingesetzt. Bei der Chromgerbung werden die Abwässer allerdings mit Chromsalzen belastet. Beim um 1900 verbreiteten und heute nicht mehr angewandten Lichtdruck trug man eine Mischung aus Gelatine und Kaliumdichromat oder Ammoniumdichromat auf eine Glasplatte auf. Nach dem Trocknen unter Lichtabschluss erhielt man eine lichtempflindliche Schicht. |
| Chromverbindungen |
|||||||||||||||
|
| Chromminerale |
|||||
|
