ГЕОХИМИЯ ПОРТНОВ / ХРОМ ГЕОХИМИЯ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ

Кафедра Прикладной геохимии

Реферат по геохимии отдельного элемента

“Хром”

Выполнил:

Преподаватель:

Портнов А. М.

Москва 2018 г.

Введение

История открытия

Открыт на Среднем Урале, в Березовском золоторудном месторождении. Впервые упоминается в труде М. В. Ломоносова «Первые основания металлургии» (1763 год), как красная свинцовая руда, PbCrO₄. Современное название — крокоит. В 1797 году французский химик  Луи Никола Воклен выделил из него новый тугоплавкий металл (скорее всего, Воклен получил карбид хрома).

Название элемент получил от греч. χρῶμα — цвет, краска — из-за разнообразия окраски своих соединений.

Значение в развитии человека и цивилизации и использование

Хром является довольно распространённым элементом (0,02 масс. долей, %).

Хром встречается в природе в основном в виде хромистого железняка Fe(CrO₂)₂ (хромит железа). Из него получают феррохром восстановлением в электропечах коксом (углеродом):{\displaystyle {\mathsf {Fe(CrO_{2})_{2}+4C\rightarrow Fe+2Cr+4CO}}}

Fe(CrO₂)₂+ 4C → Fe + 2Cr + 4CO↑

Феррохром применяют для производства легированных сталей.

Чтобы получить чистый хром, реакцию ведут следующим образом:

1) сплавляют хромит железа с карбонатом натрия (кальцинированная сода) на воздухе:

{\displaystyle {\mathsf {4Fe(CrO_{2})_{2}+8Na_{2}CO_{3}+7O_{2}\rightarrow 8Na_{2}CrO_{4}+2Fe_{2}O_{3}+8CO_{2}}}}4Fe(CrO₂)₂ + 8Na₂CO₃ + 7O₂ → 8Na₂CrO₄ + 2Fe₂O₃ + 8CO₂↑

2) растворяют хромат натрия и отделяют его от оксида железа;

3) переводят хромат в дихромат, подкисляя раствор и выкристаллизовывая дихромат;

4) получают чистый оксид хрома восстановлением дихромата натрия углём:

{\displaystyle {\mathsf {Na_{2}Cr_{2}O_{7}+2C\rightarrow Cr_{2}O_{3}+Na_{2}CO_{3}+CO}}}Na₂Cr₂O₇ + 2C → Cr₂O₃ + Na₂CO₃ + CO↑

5) с помощью алюминотермии получают металлический хром:

{\displaystyle {\mathsf {Cr_{2}O_{3}+2Al\rightarrow Al_{2}O_{3}+2Cr+130kcal}}}Cr₂O₃+ 2Al → Al₂O₃ + 2Cr + 130 ккал

6) с помощью электролиза получают электролитический хром из раствора хромового ангидрида в воде, содержащего добавку серной кислоты. При этом на катодах совершаются в основном 3 процесса:

• восстановление шестивалентного хрома до трехвалентного с переходом его в раствор;

• разряд ионов водорода с выделением газообразного водорода;

• разряд ионов, содержащих шестивалентный хром, с осаждением металлического хрома;

{\displaystyle {\mathsf {Cr_{2}O_{7}^{2-}+14H^{+}+12e^{-}\rightarrow 2Cr+7H_{2}O}}}Cr₂O₇²⁻ + 14Н⁺ + 12е⁻ = 2Cr + 7H₂O

Хром — важный компонент во многих легированных сталях (в частности, нержавеющих), а также и в ряде других сплавов. Добавка хрома существенно повышает твердость и коррозийную стойкость сплавов.

Используется в качестве износоустойчивых и красивых гальванических покрытий (хромирование).

Хром применяется для производства сплавов: хром-30 и хром-90, незаменимых для производства сопел мощных плазмотронов(генератор плазмы) и в авиакосмической промышленности.

Хром — один из биогенных элементов, постоянно входит в состав тканей растений и животных. У животных хром участвует в обмене липидов, белков (входит в состав фермента трипсина), углеводов. Снижение содержания хрома в пище и крови приводит к уменьшению скорости роста, увеличению холестерина в крови.

В чистом виде хром довольно токсичен, металлическая пыль хрома раздражает ткани лёгких. Соединения хрома(III) вызывают дерматиты. Соединения хрома в степени окисления +6 особо токсичны.

Геохимия

Среднее содержание хрома в различных изверженных породах резко непостоянно. В ультраосновных породах (перидотитах) оно достигает 2 кг/т, в основных породах (базальтах и др.) — 200 г/т, а в гранитах десятки г/т. Кларк хрома в земной коре 83 г/т. Он является типичным литофильным элементом и почти весь заключен в минералах типа хромшпинелидов. Хром вместе с железом, титаном, никелем, ванадием и марганцем составляют одно геохимическое семейство.

Различают три основных минерала хрома: магнохромит (Mn, Fe)Cr₂O₄, хромпикотит (Mg, Fe)(Cr, Al)₂O₄ и алюмохромит (Fe, Mg)(Cr, Al)₂O₄. По внешнему виду они неразличимы и их неточно называют «хромиты». Состав их изменчив:

• Cr₂O₃ 18—62 %,

• FeO 1—18 %,

• MgO 5—16 %,

• Al₂O₃ 0,2 — 0,4 (до 33 %),

• Fe₂O₃ 2 — 30 %,

• примеси TiO₂ до 2 %,

• V₂O₅ до 0,2 %,

• ZnO до 5 %,

• MnO до 1 %; присутствуют также Co, Ni и др.

Собственно хромит, то есть FeCr₂O₄ сравнительно редок. Помимо различных хромитов, хром входит в состав ряда других минералов — хромовой слюды (фуксита), хромового хлорита, хромвезувиана, хромдиопсида, хромтурмалина, хромового граната (уваровита) и др., которые нередко сопровождают руды, но сами промышленного значения не имеют. В экзогенных условиях хром, как и железо, мигрирует в виде взвесей и может накапливаться в глинах. Наиболее подвижной формой являются хроматы.

Химические и физические свойства элемента,определяющие его миграцию

Положение в таблице Менделеева и в геохимической таблице Гольдшмидта

Порядковый номер: 24, группа: vi; период: 4; электронное строение: 3d⁵ 4s¹; атомная масса: 51,996; характерные степени окисления: +6.

По Гольдшмидту литофильный элемент, то есть входит в список элементов, которые при дифференциации образовали земную кору и верхнюю мантию.

Главные физические и физикохимические константың

Цвет элемента: серебристый; электроотрицательность: 1,66; температура плавления: 1857?С; температура кипения: 2672?С; плотность (г/см3): 7,19. Хром относится к наиболее устойчивым из всех тугоплавких металлов. Плотность в нормальных условиях составляет 7200 кг/куб. м, это меньше чем у железа. Твердость по шкале Мооса составляет 5. Хром является самым твердым металлом из известных, уступает только урану, иридию, вольфраму и бериллию. Модуль упругости при 20 С составляет 294 ГПа. Это довольно умеренный показатель. В нормальных условиях теплопроводность вещества равна 93.7 Вт/(м•K). Удельная теплоемкость в тех же условиях – 0.45 Дж/(г•K).

Строение атома, изотопы, валентность в природе

Атом хрома состоит из положительно заряженного ядра (+24), внутри которого есть 24 протона и 28 нейтронов, а вокруг, по четырем орбитам движутся 24 электрона (⁵²₂₄Cr). 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹.

Известно, что в природе хром может находиться в виде четырех стабильных изотопов ⁵⁰Cr, ⁵²Cr, ⁵³Cr и ⁵⁴Cr. Их массовые числа равны 50, 52, 53 и 54 соответственно. Ядро атома изотопа хрома ⁵⁰Cr содержит двадцать четыре протона и двадцать шесть нейтронов, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные изотопы хрома с массовыми числами от 42-х до 67-ми, среди которых наиболее стабильным является ⁵⁹Cr с периодом полураспада равным 42,3 минуты, а также один ядерный изотоп.

Энергетическая диаграмма (строится только для электронов внешнего энергетического уровня, которые по-другому называют валентными):

Наличие шести неспаренных электронов свидетельствует о том, что хром в своих соединениях может проявлять валентность IV (Cr^VIO₃, Cr^VICl₆, Cr^IVO₂Cl₆, K₂Cr^VI₂O₇ и т.д.).

Известно, что для хрома также характерны валентности II (Cr^IIO, Cr^II(OH)₂, Cr^IICl₂) и III(Cr^III₂O₃, Cr^III(OH)₃, KCr^IIIO₂, Cr^IIICl₃).

Типы ионов, сродство с другими элементами

Электроотрицательность

1,6

Ионный потенциал

Отношение валентности и ионного радиуса дает ионный потенциал. У хрома он 3/0,04=50

Катионо-анионогенность

Хром аморфмное вещество,в земной коре может образовывать как катионы так и анионы. Можно сказать,что он катионно-анионногенный.

Окислительно-восстановительный потенциал(Eh)

Окислитель с малой ролью. Хром участвует в реакциях земной коры как окислитель и восстановитель(в зависимости от валентного состояния и условий среды).

Влияние кислотности-щелочности(Ph) на растворимость соединений и выпадение гидроксидов

Анионные элементы лучше мигрируют в щелочных водах(Cr⁶⁺).

Кристаллохимические свойства

Атомный и ионные радиусы

Атомный радиус = 1,27 å; ионные радиусы Cr²⁺ = 0,83 å, Cr³⁺ = 0,64 å, Cr⁶⁺ = 0,52 å.

Минералы

Главные минералы

Крокоит (др.греч. κρόκος — шафран). Синонимы: красная свинцовая руда, хромат свинца. Химическая формула PbCrO4.

Крокоит не имеет самостоятельного промышленного применения и является спутником свинцовых руд, но благодаря своей редкости и красоте считается ценным коллекционным минералом. Ценится коллекционерами как первый из открытых в России новых минералов.

Находки крокоита отмечены в России на Урале (Березовское месторождение), в Австралии на острове Тасмания, в Бразилии, во Франции, в Германии, в США.

Уваровит — минерал, кальциево-хромовый силикат, разновидность граната изумрудно-зелёного цвета. Назван в честь одного из президентов Российской академии наук графа С.С.Уварова. Химическая формула Ca3Cr2(SiO4)3.

Иногда этот минерал называют уральским изумрудом, поскольку изначально он был обнаружен на Урале и его окраска схожа с окраской изумруда. Яркий цвет уваровита связан с присутствием хрома. Крупные кристаллы редки, обычно образует мелкозернистые щётки и агрегаты с размером кристаллов не более 2—3 мм.

Месторождения открыты в России (Урал, Сарановское месторождение), Финляндии, Норвегии, Канаде, США, ЮАР, Турции.

Применяется как ювелирный камень. Обычно вставляется в кольца, броши и браслеты в виде щёток. Для коллекционеров представляет исключительный интерес, так как его образцы очень красивы и относительно редки.

Йедлинит (англ. Yedlinite) — редкий минерал, галогенид свинца. Назван в честь минералога-коллекционера Лео Нила Йедлина. Химическая формула Pb6CrCl6O(OH)7. Образует красновато-фиолетовые призматические кристаллы длиной до 1 мм. Как минерал утвержден относительно недавно - в 1974.

Кеммерерит/клинохлор. Синонимы: родохром или хромовый хлорит. Фиолетовый или красный минерал из группы хлоритов. Химическая формула: (Mg,Fe)5Al[AlSi3O10](OH)8.

Описан в 1842 году Н. Норденшёльдом. Назван от фамилии русского горного инженера Aлександра Кеммерера.

Часто образует тонкочешуйчатые розовые налеты и жилки на хромите. Кеммерерит впервые был встречен в трещинах хромитовых залежей в Сарановском месторождении на Урале.

Хромит — минерал хрома, крайний член изоморфного ряда хромшпинелидов переменного состава магнезиохромит (MgCr2O4) — хромит (FeCr2O4).

Наряду с другими хромшпинелидами относится к группе (семейству) шпинели.

Хромиты являются ценной хромовой рудой и в случаях, когда образуют большие скопления, добываются в промышленных масштабах.

В России значительные месторождения имеются в Якутии и на Урале.

Крупные месторождения хромитов, разрабатываемые промышленным способом, находятся в странах Турция, ЮАР, Финляндия, Казахстан, Куба, Албания, Филиппины, Зимбабве, Индия.

Кларки элемента в земной коре

Кларки

Среднее содержание в иверженных породах.

Кларки в осадочных породах.