فلز کروم چیست و چه کاربردی دارد

کروم یک عنصر شیمیایی با نماد Cr و عدد اتمی ۲۴ است. کروم اولین عنصر در گروه ۶، یک فلز واسطه خاکستری رنگ، براق، سخت و شکننده است. کروم افزودنی اصلی در فولاد ضد زنگ است که به آن خواص ضد خوردگی می بخشد. همچنین کروم فلزی با مقاومت بالا در مقابل پولیش ضدکدری میباشد. آلیاژ فروکروم از طریق کرومیت توسط واکنشهای سیلیکوترمی یا آلومینوترمی و فلز کروم با استفاده از فرآیندهای تشویه کردن و شستشو و سپس با کاهش کربن و آلومینیوم تولید می شود. فلز کروم از نظر مقاومت در برابر خوردگی و سختی بالا از ارزش بالایی برخوردار است. از یون کروم سه ظرفیتی (Cr (III)) به عنوان یک ماده مغذی ضروری برای انسان در انسولین، قند و متابولیسم چربی استفاده می شود. در حالی که یونهای فلز کروم و Cr (III) سمی نیستند، کروم شش ظرفیتی Cr (VI) سمی و سرطان زا می باشد.

از خواص شیمیایی فلز کروم میتوان به این اشاره کرد که کروم عضوی از گروه ۶ فلزات واسطه است و اعداد اتمی +۳ و +۶ معمولاً در ترکیبات کروم به چشم میخورند. فلز کروم بیست و یکمین عنصر فراوان در پوسته زمین است. ترکیبات کروم در اثر فرسایش سنگهای حاوی کروم در محیط یافت می شوند و می توانند با فوران های آتشفشانی مجدد پخش شوند. کروم به عنوان سنگ معدن کرومیت (FeCr۲O۴) استخراج می شود. حدود دو پنجم سنگ معدن و کنسانتره کرومیت در جهان در آفریقای جنوبی، حدود یک سوم در قزاقستان تولید می شود، در حالی که هند، روسیه و ترکیه نیز تولید کنندگان قابل توجه فلز کروم هستند. اگرچه نادر است، اما رسوبات کروم بومی نیز یافت میشوند.

تولید کروم

تقریباً ۸/۲۸ میلیون تن سنگ معدن کرومیت قابل فروش در سال ۲۰۱۳ تولید و به ۷/۵ تن فروکروم تبدیل شد. دو محصول اصلی خالص سازی سنگ کروم، فروکروم و کروم فلزی هستند. برای تولید فروکروم، سنگ معدن کرومیت (FeCr۲O۴) در مقیاس بزرگ در کوره قوس الکتریکی یا در ذوب های کوچکتر با آلومینیوم یا سیلیکون در یک واکنش آلومینوترمی کاهش می یابد. برای تولید کروم خالص، آهن باید در یک فرآیند تفت داده و شسته شود و در دو مرحله از کروم جدا شود. سنگ معدن کرومیت با مخلوطی از کربنات کلسیم و کربنات سدیم در حضور هوا گرم می شود؛ کروم به شکل شش ظرفیتی اکسید شده، در حالی که آهن Fe۲O۳ پایدار را تشکیل می دهد. شستشوی بعدی در دمای بالاتر باعث حل شدن کرومات ها و اکسید آهن نامحلول می شود. کرومات توسط اسید سولفوریک به دی کرومات تبدیل می شود و دی کرومات با کاهش کربن به اکسید کروم (III) تبدیل می شود و سپس در واکنش آلومینوترمی به کروم کاهش می یابد.

کاربردها و موارد مصرف کروم

ایجاد آلیاژهای فلزی ۸۵٪ از مصرف کروم موجود را تشکیل می دهد. باقیمانده کروم، در صنایع شیمیایی، نسوز و ریخته گری استفاده می شود.
متالورژی
اثر تقویت تشکیل کاربیدهای فلزی پایدار در مرز ذرات و افزایش شدید مقاومت در برابر خوردگی، کروم را به یک ماده آلیاژی مهم برای فولاد تبدیل کرده است. فولاد ضد زنگ، آلیاژ فلز اولیه مقاوم در برابر خوردگی، هنگامی تشکیل می شود که کروم با غلظت کافی به آهن، معمولاً در جایی که غلظت کروم بالاتر از ۱۱٪ باشد، افزوده شود. برای تشکیل فولاد ضد زنگ، فروکرومیوم به آهن مذاب اضافه میشود. به دلیل مقاومت بالای آلیاژهای نیکل در دمای بالا، از آنها در موتورهای جت و توربین های گازی به جای مواد سازه ای معمول استفاده می شود. سختی نسبتا زیاد و مقاومت در برابر خوردگی کروم غیرآلیاژی، کروم را به فلزی قابل اعتماد برای پوشش سطوح تبدیل می کند. برای جلوگیری از تغییر مصرف انرژی در عدداکسایش، استفاده از سولفات کروم (III) در دست توسعه است؛ برای اکثر کاربردهای کروم، از فرآیند ایجاد شده قبلی استفاده می شود. در فرآیند پوشش‌دهی کرومات، از خصوصیات اکسیداتیو قوی کرومات ها برای رسوب یک لایه اکسید محافظ برروی فلزاتی مانند آلومینیوم، روی و کادمیوم استفاده می شود.آندش اسید کرومیک آلومینیوم یکی دیگر از مراحل الکتروشیمیایی است که منجر به رسوب کروم نمیشود، اما از اسید کروم به عنوان الکترولیت در محلول استفاده می کند. در طول آندش، یک لایه اکسید روی آلومینیوم تشکیل می شود. استفاده از اسید کرومیک به جای اسید سولفوریک معمولاً به تفاوت جزئی این لایه های اکسید منجر می شود. درپی سمیت بالای ترکیبات کروم استفاده شده در فرآیند آبکاری کروم، مقررات ایمنی و زیست محیطی به دنبال جایگزینی برای کروم یا حداقل تغییر در ترکیبات کروم (III) با درجه سمیت کمتر است.
رنگدانه
کروکیت معدنی کمی پس از کشف به عنوان رنگدانه زرد مورد استفاده قرار گرفت. پس از در دسترس قرار گرفتن یک روش سنتز، کروم زرد رنگ همراه با کادمیوم زرد رنگ یکی از پرکاربردترین رنگدانه‌های زرد است. رنگدانه تجزیه نوری نمی شود، اما به دلیل تشکیل اکسید کروم (III) تمایل به تیره شدن دارد. از رنگ قوی کروم برای رنگ کردن اتوبوس های مدرسه و سرویس پست استفاده می شده است. سایر رنگدانه های موجود در کروم، رنگدانه قرمز است. یکی دیگر از رنگدانه هایی که به طور گسترده در فرمولاسیون های آغازگرهای فلزی استفاده می شد، کرومات روی بود که اکنون با فسفات روی جایگزین شده است. رنگ سبز کروم ترکیبی از آبی پروس یا نیل فرنگی و رنگدانه های زرد کروم است، در حالی که رنگ سبز اکسید کروم، اکسید کروم (III) است.
اکسیدهای کروم همچنین به عنوان رنگدانه سبز در زمینه شیشه سازی و نیز به عنوان لعاب سرامیک استفاده می شود. اکسید کروم سبز بسیار سبک است و به همین ترتیب در روکش استفاده میشود. این ماده همچنین ماده اصلی در رنگ های منعکس کننده مادون قرمز است که توسط نیروهای مسلح برای رنگ آمیزی وسایل نقلیه و بازتاب مادون قرمز استفاده می شود.

سایر موارد مصرف فلز کروم

یونهای کروم (III) موجود در بلورهای کوراندوم (اکسید آلومینیوم) باعث قرمز رنگ شدن آنها می شود. هنگامی که کرندوم یا یاقوت به این ترتیب ظاهر می شود، به عنوان یاقوت قرمز و در صورتی که یاقوت فاقد یونهای کروم (III) باشد، به عنوان یاقوت کبود شناخته می شود.
از نمک های کروم (VI) به دلیل سمی بودن برای نگهداری چوب استفاده می شود؛ به عنوان مثال، آرسنات مس کروم شده (CCA) برای محافظت از چوب در برابر پوسیدگی، حشرات از جمله موریانه ها استفاده می شود. نمک های کروم (III)، به ویژه آلوم کروم و سولفات کروم (III)، در دباغی چرم استفاده می شوند. کروم مورد استفاده برای دباغی از نوع شش ظرفیتی سمی نیست. مقاومت در برابر حرارت بالا و نقطه ذوب زیاد، کرومیت و اکسید کروم (III) را به ماده ای برای کاربردهای نسوز در دمای بالا مانند کوره های بلند، کوره های سیمان، قالب برای پخت آجر و به عنوان ماسه ریخته گری برای ریخته گری فلزات تبدیل می کند. از چندین ترکیب کروم به عنوان کاتالیزور برای پردازش هیدروکربن ها استفاده می شود؛ به عنوان مثال، کاتالیزور فیلیپس، تهیه شده از اکسیدهای کروم ، برای تولید حدود نیمی از پلی اتیلن جهان استفاده میشود. اکسیدهای ترکیب Fe-Cr به عنوان کاتالیزورهایی با درجه حرارت بالا برای واکنش جابه جایی گاز-آب استفاده می شود. کرومیت مس یک کاتالیزور هیدروژناسیون مفید است.

موارد استفاده از ترکیبات کروم

• اکسید کروم (IV) یک ترکیب مغناطیسی است. ناهمسانگردی شکل ایده آل آن که باعث ایجاد وادارندگی بالا و مغناطیس باقی مانده میشود، آن را به ترکیبی برتر γ-Fe۲O۳ بدل کرده است. از اکسید کروم (IV) برای تولید نوار مغناطیسی در نوارهای صوتی با کارایی بالا و کاست های صوتی استاندارد استفاده میشود.
• اکسید کروم (III) یک براق کننده فلزی به رنگ سرخ است.
• اسید کرومیک یک ماده اکسید کننده قوی و یک ترکیب مفید برای تمیز کردن ظروف شیشه ای آزمایشگاه از ترکیبات آلی است. این ماده با حل شدن دی کرومات پتاسیم در اسید سولفوریک غلیظ تهیه می شود. از دی کرومات سدیم گاه به دلیل حلالیت بالا استفاده می شود. اکنون به دلیل سمیت بالا و نگرانی های زیست محیطی، استفاده از محلول های تمیز کننده دی کرومات دیگر متداول نیست. محلول های تمیز کننده مدرن بسیار کارآمد و فاقد کروم هستند.
• دی کرومات پتاسیم معرف شیمیایی است که به عنوان عامل تیتراسیون استفاده می شود.
• کرومات ها برای جلوگیری از خوردگی فولاد در شرایط مرطوب به گل حفاری اضافه می شوند. • آلوم کروم، سولفات پتاسیم کروم (III) است و به عنوان ماده رنگی (به عنوان مثال یک ماده تثبیت کننده) برای رنگها در پارچه و دباغی استفاده می شود.

نقش بیولوژیکی کروم

درمورد اثرات مفید بیولوژیکی کروم (III) همچنان بحث می شود. برخی از متخصصان معتقدند که این اثرات واکنشهای دارویی را به جای واکنش های غذایی منعکس می کنند، در حالی که برخی دیگر اظهار می کنند که اینها عوارض جانبی فلز سمی کروم هستند. کروم در ایالات متحده به عنوان عنصری کمیاب در عملکرد انسولین، هورمونی حیاتی برای متابولیسم و ذخیره کربوهیدرات، چربی و پروتئین پذیرفته شده است.
منابع غذایی
طیف گسترده ای از غذاهای با منبع حیوانی و گیاهی حاوی کروم است. با استفاده از روشهای فرآوری، در صورت فراوری یا پختن کروم در تجهیزات فولاد ضد زنگ حاوی کروم، کروم وارد مواد غذایی میشود.
مکمل سازی
کروم یکی از عناصر اصلی در تغذیه وریدی یا تغذیه کامل تزریقی (TPN) است زیرا کمبود آن می تواند پس از ماهها تغذیه درون وریدی با TPN فاقد کروم رخ دهد. به همین دلیل، کروم به همراه سایر مواد معدنی کمیاب به محلولهای TPN اضافه می شود.
ماهی های آبهای شیرین
کروم به طور طبیعی در محیط به مقدار کمی وجود دارد، اما استفاده صنعتی در تولید لاستیک و فولاد ضد زنگ، آبکاری کروم، رنگ برای منسوجات، دباغی چرم و سایر مصارف باعث آلودگی سیستم های آبزی می شود.