الكروم: الخصائص والخصائص والاستخدامات - كيمياء - 2025

و الكروم (الكروم) هو عنصر معدني من المجموعة 6 (VIB) من الجدول الدوري. يتم إنتاج أطنان من هذا المعدن سنويًا من خلال استخراجه من معدن الكروميت للحديد أو المغنيسيوم (FeCr ₂ O ₄ ، MgCr ₂ O ₄) ، والتي يتم تقليلها بالفحم للحصول على المعدن. إنها تفاعلية للغاية ، وفقط في ظل ظروف مختصرة للغاية تكون في شكلها النقي.

اسمها مشتق من الكلمة اليونانية "chroma" ، والتي تعني اللون. تم إعطاؤه هذا الاسم بسبب الألوان المتعددة والمكثفة التي تظهرها مركبات الكروم ، سواء كانت غير عضوية أو عضوية ؛ من المواد الصلبة السوداء أو الحلول إلى الأصفر والبرتقالي والأخضر والبنفسجي والأزرق والأحمر.

تمساح الكروم. التمساح الفضي الكروم المعدني موديل التمساح. المصدر: Maxpixel

ومع ذلك ، فإن لون الكروم المعدني وكربيداته رمادي فضي. يتم استغلال هذه الخاصية في تقنية الطلاء بالكروم لإعطاء العديد من الهياكل بريق فضي (مثل تلك التي تظهر في التمساح في الصورة أعلاه). وبالتالي ، من خلال "الاستحمام بالكروم" ، يتم منح القطع بريقًا ومقاومة كبيرة للتآكل.

يتفاعل الكروم الموجود في المحلول بسرعة مع الأكسجين الموجود في الهواء لتكوين أكاسيد. اعتمادًا على درجة الحموضة وظروف الأكسدة للوسط ، يمكن أن يكتسب أعدادًا مختلفة من الأكسدة ، مع كون (III) (Cr ³⁺) الأكثر استقرارًا على الإطلاق. وبالتالي ، فإن أكسيد الكروم (III) الأخضر (Cr ₂ O ₃) هو أكثر أكاسيده ثباتًا.

يمكن أن تتفاعل هذه الأكاسيد مع معادن أخرى في البيئة ، مسببة ، على سبيل المثال ، صبغة الرصاص الأحمر السيبيري (PbCrO ₄). هذا الصباغ أصفر برتقالي أو أحمر (حسب قلويته) ، ومنه عزل العالم الفرنسي لويس نيكولاس فوكلين النحاس المعدني ، ولهذا حصل على لقب مكتشفه.

معادنه وأكاسيده ، بالإضافة إلى جزء صغير من النحاس المعدني ، يجعل هذا العنصر يحتل المرتبة 22 من أكثر العناصر وفرة في قشرة الأرض.

إن كيمياء الكروم متنوعة للغاية لأنها يمكن أن تشكل روابط مع الجدول الدوري بأكمله تقريبًا. يعرض كل مركب من مركباته ألوانًا تعتمد على رقم الأكسدة ، وكذلك الأنواع التي تتفاعل معها. وبالمثل ، فإنه يشكل روابط مع الكربون ، ويتدخل في عدد كبير من المركبات العضوية المعدنية.

الخصائص والخصائص

الكروم معدن فضي في شكله النقي ، برقم ذري 24 ويبلغ وزن جزيئي حوالي 52 جم / مول (⁵² كرون ، أكثر نظائره استقرارًا).

نظرًا لروابطها المعدنية القوية ، فإنها تتمتع بنقاط انصهار عالية (1907 درجة مئوية) ونقاط غليان (2671 درجة مئوية). كما أن تركيبته البلورية تجعله معدنًا كثيفًا جدًا (7.19 جم / مل).

لا يتفاعل مع الماء لتكوين هيدروكسيدات ، لكنه يتفاعل مع الأحماض. يتأكسد مع الأكسجين الموجود في الهواء ، وينتج عمومًا أكسيد الكروم ، وهو صبغة خضراء شائعة الاستخدام.

تخلق طبقات الأكسيد هذه ما يعرف بالتخميل ، وتحمي المعدن من المزيد من التآكل ، لأن الأكسجين لا يستطيع اختراق الجيوب المعدنية.

تكوينه الإلكتروني هو 4s ¹ 3d ⁵ ، مع عدم ازدواج جميع الإلكترونات ، وبالتالي ، فإنه يعرض الخصائص المغناطيسية. ومع ذلك ، يمكن أن يحدث تزاوج الدورات الإلكترونية إذا تعرض المعدن لدرجات حرارة منخفضة ، ويكتسب خصائص أخرى مثل المغناطيسية المضادة.

التركيب الكيميائي للكروم

بواسطة ملفات PNG الأصلية بواسطة Daniel Mayer ، DrBob ، تم تتبعه في Inkscape بواسطة المستخدم: Stannered (هيكل كريستال) ، عبر ويكيميديا ​​كومنز

ما هو هيكل معدن الكروم؟ يفترض الكروم في شكله النقي بنية بلورية مكعبة محورها الجسم (سم مكعب أو نسخة مخفية الوجهة). هذا يعني أن ذرة الكروم تقع في وسط مكعب ، تشغل حوافه كروميات أخرى (كما في الصورة أعلاه).

هذا الهيكل مسؤول عن وجود درجات انصهار وغليان عالية للكروم ، فضلاً عن صلابة عالية. تتداخل ذرات النحاس مع مداريها s و d لتشكيل نطاقات توصيل وفقًا لنظرية النطاق.

وهكذا ، فإن كلا النطاقين نصف ممتلئين. لماذا ا؟ نظرًا لأن تكوينه الإلكتروني هو 4s ¹ 3d ⁵ وباعتباره مدارًا s يمكنه استيعاب إلكترونين ، والمدارات d عشرة. ثم تشغل الإلكترونات نصف النطاقات التي تشكلت بسبب تداخلها.

من خلال هذين المنظورين - التركيب البلوري والرابطة المعدنية - يمكن تفسير العديد من الخصائص الفيزيائية لهذا المعدن من الناحية النظرية. ومع ذلك ، لا يفسر أي منهما لماذا يمكن أن يكون للكروم حالات أو أعداد أكسدة مختلفة.

وهذا يتطلب فهماً عميقاً لاستقرار الذرة فيما يتعلق بالدوران الإلكتروني.

عدد التأكسد

نظرًا لأن تكوين الإلكترون للكروم هو 4s ¹ 3d ^{5 فإنه} يمكن أن يكتسب ما يصل إلى إلكترون واحد أو إلكترونين (Cr ^1– و Cr ^2–) ، أو يفقدهما للحصول على أرقام أكسدة مختلفة.

وبالتالي ، إذا فقد الكروم إلكترونًا ، فسيكون 4s ⁰ 3d ⁵ ؛ إذا فقد ثلاثة ، 4s ⁰ 3d ³ ؛ وإذا فقد كل منهم ، أو ما هو نفسه ، فسيكون الأرجون متساويًا إلكترونيًا.

لا يفقد الكروم أو يكتسب الإلكترونات لمجرد نزوة: يجب أن يكون هناك نوع يتبرع بها أو يقبلها من أجل الانتقال من رقم أكسدة إلى آخر.

يحتوي الكروم على أرقام الأكسدة التالية: -2 ، -1 ، 0 ، +1 ، +2 ، +3 ، +4 ، +5 ، +6. من بين هؤلاء ، +3 ، Cr ³⁺ ، هو الأكثر استقرارًا وبالتالي السائد على الإطلاق ؛ متبوعًا بـ +6 ، Cr ⁶⁺.

كر (-2 ، -1 و 0)

من المستبعد جدًا أن يكتسب الكروم إلكترونات ، لأنه معدن ، وبالتالي فإن طبيعته هي التبرع بها. ومع ذلك ، يمكن أن تنسق مع الروابط ، أي الجزيئات التي تتفاعل مع المركز المعدني من خلال رابطة dative.

أحد أشهرها هو أول أكسيد الكربون (CO) ، الذي يشكل مركب hexacarbonyl من الكروم.

يحتوي هذا المركب على الصيغة الجزيئية Cr (CO) ₆ ، وبما أن الروابط محايدة ولا توفر أي شحنة ، فإن Cr لديها عدد أكسدة يساوي 0.

يمكن ملاحظة ذلك أيضًا في المركبات المعدنية العضوية الأخرى مثل الكروم ثنائي (البنزين). في الأخير ، يُحاط الكروم بحلقتين من البنزين في بنية جزيئية تشبه السندويتش:

بقلم بن ميلز ، من ويكيميديا ​​كومنز

يمكن أن تنشأ العديد من مركبات الكروم (0) الأخرى من هذين المركبين المعدني العضوي.

تم العثور على الأملاح حيث تتفاعل مع كاتيونات الصوديوم ، مما يعني أن Cr يجب أن يكون لها عدد أكسدة سالب لجذب الشحنات الموجبة: Cr (-2) ، Na ₂ و Cr (-1) ، Na ₂.

Cr (I) و Cr (II)

يتم إنتاج Cr (I) أو Cr ¹⁺ بواسطة أكسدة المركبات العضوية المعدنية الموصوفة للتو. يتم تحقيق ذلك عن طريق أكسدة الترابطات ، مثل CN أو NO ، وبالتالي تكوين ، على سبيل المثال ، مركب K ₃.

هنا تشير حقيقة وجود ثلاثة كاتيونات K ⁺ إلى أن مركب الكروم يحتوي على ثلاث شحنات سالبة ؛ وبالمثل ، فإن ligand CN ^- يساهم بخمس شحنات سالبة ، بحيث أنه بين Cr و NO ، يجب إضافة شحنتين موجبتين (-5 + 2 = -3).

إذا كانت NO محايدة ، فهي Cr (II) ، ولكن إذا كانت تحتوي على شحنة موجبة (NO ⁺) ، فهي Cr (I).

من ناحية أخرى ، فإن مركبات Cr (II) أكثر وفرة ، من بينها ما يلي: الكروم (II) كلوريد (CrCl ₂) ، أسيتات الكروموس (Cr ₂ (O ₂ CCH ₃) ₄) ، أكسيد الكروم (II) (CrO) ، كبريتيد الكروم (II) (CrS) ، وأكثر من ذلك.

كر (الثالث)

من بين كل ذلك ، هو الأكثر استقرارًا ، لأنه في الواقع نتاج العديد من التفاعلات المؤكسدة لأيونات الكرومات. ربما يرجع ثباته إلى التكوين الإلكتروني d ³ ، حيث تحتل ثلاثة إلكترونات ثلاثة مدارات d منخفضة الطاقة مقارنة بالمداريين الآخرين الأكثر نشاطًا (مضاعفة مدارية d).

والمركب الأكثر تمثيلا لعدد الأكسدة هذا هو أكسيد الكروم (III) (Cr ₂ O ₃). اعتمادًا على الروابط التي تنسق معها ، سيعرض المجمع لونًا أو آخر. من أمثلة هذه المركبات: Cl ، Cr (OH) ₃ ، CrF ₃ ، ³⁺ ، إلخ.

على الرغم من أن الصيغة الكيميائية لا تظهر ذلك للوهلة الأولى ، فإن الكروم عادة ما يكون له مجال تنسيق ثماني السطوح في مجمعاته ؛ أي أنه يقع في وسط مجسم ثماني حيث يتم وضع رؤوسه بواسطة الروابط (ستة في المجموع).

Cr (IV) و Cr (V)

المركبات التي يشارك فيها Cr ⁵⁺ قليلة جدًا ، بسبب عدم الاستقرار الإلكتروني للذرة المذكورة ، بالإضافة إلى حقيقة أنه يتأكسد بسهولة إلى Cr ⁶⁺ ، وهو أكثر استقرارًا لأنه متساوي إلكترونيًا فيما يتعلق بغاز الأرجون النبيل.

ومع ذلك ، يمكن تصنيع مركبات Cr (V) في ظل ظروف معينة ، مثل الضغط العالي. وبالمثل ، فإنها تميل إلى التحلل في درجات حرارة معتدلة ، مما يجعل تطبيقاتها الممكنة مستحيلة لأنها لا تتمتع بمقاومة حرارية. بعضها: CrF ₅ و K ₃ (O ₂ ² هو أنيون بيروكسيد).

من ناحية أخرى ، يعتبر Cr4 ⁺ أكثر استقرارًا نسبيًا ، حيث إنه قادر على تصنيع مركباته المهلجنة: CrF ₄ و CrCl ₄ و CrBr ₄. ومع ذلك ، فهي أيضًا عرضة للتحلل من خلال تفاعلات الأكسدة والاختزال لإنتاج ذرات الكروم بأرقام أكسدة أفضل (مثل +3 أو +6).

Cr (VI): زوج كرومات ثنائي كرومات

2 ^2- + 2 H ⁺ (أصفر) => ^2- + H ₂ O (برتقالي)

تتوافق المعادلة أعلاه مع ديرة الحمض لاثنين من أيونات الكرومات لإنتاج ثنائي كرومات. يؤدي الاختلاف في الرقم الهيدروجيني إلى تغيير في التفاعلات حول المركز المعدني لـ Cr ⁶⁺ ، ويتضح أيضًا في لون المحلول (من الأصفر إلى البرتقالي أو العكس). يتكون ثنائي كرومات من جسر O ₃ Cr-O-CrO ₃.

تتميز مركبات Cr (VI) بخصائص كونها ضارة وحتى مسرطنة لجسم الإنسان والحيوان.

كيف؟ تؤكد الدراسات أن CrO ₄ ^2- أيونات تعبر أغشية الخلايا بفعل بروتينات نقل الكبريتات (كلا الأيونات متشابهة في الحجم في الواقع).

تعمل عوامل الاختزال داخل الخلايا على تقليل Cr (VI) إلى Cr (III) ، والتي تتراكم عن طريق التنسيق بشكل لا رجعة فيه إلى مواقع محددة على الجزيئات الكبيرة (مثل DNA).

بمجرد أن تتلوث الخلية بفائض من الكروم ، لا يمكنها المغادرة بسبب عدم وجود آلية تنقلها مرة أخرى عبر الأغشية.

يستخدم الكروم

كمادة تلوين أو أصباغ

يحتوي الكروم على مجموعة واسعة من التطبيقات ، بدءًا من الملونات لأنواع مختلفة من الأقمشة ، إلى الواقي الذي يزين الأجزاء المعدنية فيما يعرف بالطلاء بالكروم ، والذي يمكن إجراؤه باستخدام معدن نقي ، أو بمركبات Cr (III) أو كر (السادس).

فلوريد الكروم (CrF ₃) ، على سبيل المثال ، يستخدم كملون للأقمشة الصوفية ؛ تستخدم كبريتات الكروم (Cr ₂ (SO ₄) ₃) لتلوين المينا والسيراميك والدهانات والأحبار والورنيش ، كما تستخدم أيضًا في معادن الكروم ؛ وأكسيد الكروم (Cr ₂ O ₃) يستخدم أيضًا عندما يكون لونه الأخضر الجذاب مطلوبًا.

لذلك ، فإن أي معدن من الكروم ذي الألوان الشديدة يمكن أن يتسبب في تلطيخ الهيكل ، ولكن بعد ذلك تظهر الحقيقة ما إذا كانت هذه المركبات تشكل خطورة أم لا على البيئة أو على صحة الأفراد.

في الواقع ، يتم استخدام خصائصه السامة للحفاظ على الخشب والأسطح الأخرى من هجوم الحشرات.

في الكروم أو علم المعادن

يتم أيضًا إضافة كميات صغيرة من الكروم إلى الفولاذ لتقويته ضد الأكسدة ولتحسين لمعانه. هذا يرجع إلى حقيقة أنه قادر على تكوين كربيدات رمادية (Cr ₃ C ₂) شديدة المقاومة عند التفاعل مع الأكسجين الموجود في الهواء.

نظرًا لأنه يمكن تلميع الكروم على الأسطح اللامعة ، فإن الكروم يتميز بتصميمات وألوان فضية كبديل أرخص لهذه الأغراض.

التغذية

يناقش البعض ما إذا كان يمكن اعتبار الكروم عنصرًا أساسيًا ، أي لا غنى عنه في النظام الغذائي اليومي. يوجد في بعض الأطعمة بتركيزات صغيرة جدًا ، مثل الأوراق الخضراء والطماطم.

وبالمثل ، هناك مكملات بروتينية تنظم نشاط الأنسولين وتعزز نمو العضلات ، كما هو الحال مع بولينيكوتينات الكروم.

أين هو موقعه؟

المصدر: Pixabay

يوجد الكروم في مجموعة متنوعة من المعادن والأحجار الكريمة مثل الياقوت والزمرد. المعدن الرئيسي الذي يُستخرج منه الكروم هو الكروميت (MCr ₂ O ₄) ، حيث يمكن أن يكون M أي معدن آخر يرتبط به أكسيد الكروم. وتكثر هذه الألغام في جنوب إفريقيا والهند وتركيا وفنلندا والبرازيل ودول أخرى.

يحتوي كل مصدر على واحد أو أكثر من متغيرات الكروميت. بهذه الطريقة ، لكل M (Fe ، Mg ، Mn ، Zn ، إلخ) ينشأ معدن كروم مختلف.

لاستخراج المعدن ، من الضروري تقليل المعدن ، أي جعل مركز معدن الكروم يكتسب إلكترونات بفعل عامل الاختزال. يتم ذلك باستخدام الكربون أو الألومنيوم:

FeCr ₂ O ₄ + 4C => Fe + 2Cr + 4CO

أيضا ، تم العثور على الكروميت (PbCrO ₄).

بشكل عام ، في أي معدن حيث يمكن لأيون Cr ³⁺ أن يحل محل Al ³⁺ ، وكلاهما لهما أنصاف أقطار أيونية متشابهة قليلاً ، فإنه يشكل شوائب ينتج عنها مصدر طبيعي آخر لهذا المعدن المذهل ، ولكنه ضار.

المراجع

1. Tenenbaum E. الكروم. مأخوذة من: chemistry.pomona.edu
2. ويكيبيديا. (2018). الكروم. مأخوذة من: en.wikipedia.org
3. آن ماري هيلمنستين ، دكتوراه. (6 أبريل 2018). ما هو الفرق بين الكروم والكروميوم؟ مأخوذة من: thinkco.com
4. نيفادا مانديتش. (تسعة وتسعون وخمسة وتسعون). كيمياء الكروم.. مأخوذة من: citeseerx.ist.psu.edu
5. الكيمياء LibreTexts. كيمياء الكروم. مأخوذة من: chem.libretexts.org
6. شاول 1. شوباك. (1991). كيمياء الكروم وبعض المشاكل التحليلية الناتجة. تمت المراجعة من: ncbi.nlm.nih.gov
7. Advameg ، Inc. (2018). الكروم. مأخوذة من: chemistryexplained.com