Χρώμιο

Το χρώμιο (λατινικά chromium) είναι το χημικό στοιχείο με χημικό σύμβολο Cr και ατομικό αριθμό 24. Είναι το πρώτο στοιχείο της ομάδας 6 (πρώην VI_B). Το χημικά καθαρό χρώμιο, στις κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος, είναι χαλυβί, γυαλιστερό, σκληρό και εύθραυστο μεταβατικό μέταλλο^[2], με (σχετικά) υψηλή κανονική θερμοκρασία τήξης (1907°C). Το χρώμιο αποτελεί το κύριο πρόσθετο για την παραγωγή ανοξείδωτου χάλυβα, και πιο συγκεκριμένα είναι ακριβώς το στοιχείο που προσθέτει τις αντιοξειδωτικές ιδιότητες σε αυτό το κράμα. Το χρώμιο επίσης εκτιμάται ιδιαίτερα ως μέταλλο που μπορεί να στιλβωθεί εξαιρετικά, ενώ αντιστέκεται στην αμαύρωση. Το στιλβωμένο χρώμιο ανακλά περίπου το 70% του ορατού φάσματος, καθώς και περίπου το 90% του υπερύθρου.^[3]

Χρώμιο
Βανάδιο ← Χρώμιο → Μαγγάνιο - ↑ Cr ↓ Mo Περιοδικός Πίνακας
Ιστορία
Ταυτότητα του στοιχείου
Όνομα, σύμβολο	Χρώμιο (Cr)
Ατομικός αριθμός (Ζ)	24
Κατηγορία	Μέταλλα
ομάδα, περίοδος, τομέας	6 ,4, d
Σχετική ατομική μάζα (Ar)	51,9961(6)[1]
Ηλεκτρονική διαμόρφωση	[ Ar ] 3d5 4s1 2 8 13 1
Αριθμός CAS	7440-47-3
Ατομικές ιδιότητες
Ατομική ακτίνα	128 pm
Ομοιοπολική ακτίνα	139±5 pm
Ηλεκτραρνητικότητα	1,66
Κυριότεροι αριθμοί οξείδωσης	6, 5, 4, 3, 2, 1, 0, −1, −2
Ενέργειες ιονισμού	1η: 652,9 kJ/mol 2η: 1.590,6 kJ/mol 3η: 2.987,0 kJ/mol
Φυσικά χαρακτηριστικά
Κρυσταλλικό σύστημα	Κυβικό
Σημείο τήξης	1.907 °C (2.180 K)
Σημείο βρασμού	2.671 °C (2.944 K)
Πυκνότητα	7.190 kg/m³
Ενθαλπία τήξης	21,0 kJ/mol
Ενθαλπία εξάτμισης	347 kJ/mol
Ειδική ηλεκτρική αντίσταση	125 nΩ·m (στους 20 °C)
Ειδική θερμική αγωγιμότητα	93,9 W/(m·K)
Σκληρότητα Vickers	1.060 MPa
Σκληρότητα Brinell	687-6.500 MPa
Μέτρο ελαστικότητας (Young's modulus)	4,9 GPa
Λόγος Poison	0,21
Ταχύτητα του ήχου	5.940 m/s (στους 20 °C) λεπτή ράβδος
Η κατάσταση αναφοράς είναι η πρότυπη κατάσταση (25°C, 1 Atm) εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά

Το όνομά του προέρχεται από την ελληνική λέξη «χρῶμα»^[4], επειδή έχει πολλές έντονα έγχρωμες ενώσεις.

Το οξείδιο του χρωμίου χρησιμοποιήθηκε από τους Κινέζους, τουλάχιστον από την εποχή της Δυναστείας Τσιν, δηλαδή πάνω από 2.000 πριν από την εποχή μας, για να επικαλύπτει μεταλλικά μέρη όπλων που βρέθηκαν στον περίφημο Στρατό από τερακότα.^[5]

Το χρώμιο (ως στοιχείο) ανακαλύφθηκε το 1761 στο Δυτικό Κόσμο, όταν κέρδισε το επιστημονικό ενδιαφέρον το κόκκινο κρυσταλλικό ορυκτό που ονομάζεται κροκοΐτης (δηλαδή κυρίως χρωμικός μόλυβδος, PbCrO₄), που αρχικά χρησιμοποιήθηκε ως χρωστική ουσία. Ο Λουί Νικολά Βοκιά (Louis Nicolas Vauquelin) το 1797 απομόνωσε για πρώτη φορά μεταλλικό (δηλαδή στοιχειακό) χρώμιο. Μετά την πρώτη παραγωγή μεταλλικού χρωμίου από το Βοκιά βρέθηκαν μικρές ποσότητες φυσικού μεταλλικού χρωμίου σε σπάνια ορυκτά, αλλά αυτά τα κοιτάσματα ποτέ δεν χρησιμοποιήθηκαν για εμπορική εκμετάλλευση. Αντί για αυτό, σχεδόν όλο το χρώμιο που αξιοποιείται εμπορικά εξορύσσεται από το μοναδικό εμπορικά βιώσιμο ορυκτό του χρωμίου, που είναι ο χρωμίτης (δηλαδή κυρίως τετροξείδιο διχρωμοσιδήρου, FeCr₂O₄).

Το μεταλλικό χρώμιο και το κράμα σιδηροχρώμιο παράγονται εμπορικά από το χρωμίτη με πυριτοθερμικές ή αργιλιοθερμικές αντιδράσεις, ή με διεργασίες φρύξης και έκπλυσης. Το μεταλλικό χρώμιο αποδείχθηκε ότι έχει υψηλή αξία, χάρη στην υψηλή του αντίσταση στη διάβρωση και σκληρότητα. Μια μεγάλης σημασίας εξέλιξη ήταν η ανακάλυψη ότι ο χάλυβας μπορούσε να αποκτήσει υψηλή αντοχή στη διάβρωση και στην αποχρωμάτωση με την προσθήκη μεταλλικού χρωμίου, οπότε σχηματίζεται ανοξείδωτος χάλυβας. Αυτή η εφαρμογή, μαζί με την επιχρωμίωση (ηλεκτροεπιχρωμίωση, για την ακρίβεια) προς το παρόν καταναλώνει το 85% της εμπορικής κατανάλωσης χρωμίου, με τις εφαρμογές των ενώσεων του χρωμίου να αφορούν το υπόλοιπο 15%.

Το τρισθενές χρώμιο (Cr^III) αναγνωρίστηκε στις ΗΠΑ ως απαραίτητο ιχνοστοιχείο για την ινσουλίνη (και κατ' επέκταση) το μεταβολισμό σακχάρων και λιπιδίων.^[6]

Όμως, το 2014 η Ευρωπαϊκή Ένωση κατέληξε στο ότι υπάρχουν ανεπαρκείς ενδείξεις για να χαρακτηριστεί το χρώμιο ως απαραίτητο.^[7][8]

Ενώ το μεταλλικό χρώμιο και τα ιόντα Cr³⁺ θεωρούνται μη τοξικά, οι ενώσεις του εξασθενούς χρωμίου (Cr^VI), και ιδιαίτερα το τριοξείδιο του χρωμίου (CrO₃), είναι εξαιρετικά τοξικές και καρκινογόνες.^[9] Οι εγκαταλελειμμένες (ιδίως) τοποθεσίες παραγωγής (ή και επεξεργασίας) χρωμίου συχνά απαιτούν (ειδικό) «περιβαλλοντικό» καθαρισμό.^[10]

Φυσική παρουσία

Κροκοΐτης (PbCrO₄) από την Τασμανία.

Ορυκτός χρωμίτης (FeCr₂O₄).

Το χρώμιο είναι το 22^ο σε αφθονία χημικό στοιχείο στο φλοιό της Γης, με μέση συγκέντρωση της τάξης των 100 ppm.^[11] Ενώσεις του χρωμίου βρίσκονται στο περιβάλλον, χαρη στη διάβρωση των χρωμιούχων πετρωμάτων, αλλά και των ηφαιστειακών εκρήξεων. Η συγκέντρωση του χρωμίου στο έδαφος ποικίλλει από 1 ως 300 mg/kg. Στο δε θαλάσσιο νερό από 5 ως 800 μg/lit.^[12] Στα ποτάμια και τις λίμνες κυμαίνεται μεταξύ 26 μg/lit και 5,2 mg/lit. Το χρώμιο εξορύσσεται ως χρωμίτης (FeCr₂O₄).^[13] Περίπου τo 40% του ορυκτού χρωμίτη παράγεται στη Νότια Αφρική, ενώ στη λίστα των σημαντικών χρωμιτοπαραγωγικών χωρών περιλαμβάνονται (κατά σειρά) η Ινδία, το Καζακστάν, η Τουρκία, το Ομάν, η Ρωσία, η Βραζιλία, η Φινλανδία, η Ζιμπάμπουε, το Πακιστάν, η Αυστραλία, η Αλβανία, η Κίνα, το Ιράν, η Μαδαγασκάρη, το Βιετνάμ, τα ΗΑΕ, το Σουδάν, η Κούβα, οι Φιλιππίνες, το Αφγανιστάν και η Ελλάδα.^[14] Τα αναξιοποίητα κοιτάσματα χρωμίτη είναι (σχετικά) άφθονα, αλλά γεωγραφικά συγκεντρώνονται (περισσότερο) στο Καζακστάν και στη Νότια Αφρική.^[15]

Παρόλο που είναι σπάνια, κοιτάσματα φυσικού (μεταλλικού) χρωμίου υπάρχουν.^[16][17] Το Udachnaya Pipe στη Ρωσία παράγει δείγματα φυσικού μετάλλου. Το ορυχείο αυτό είναι πλούσιο σε διαμάντια και το αναγωγικό περιβάλλον του βοηθά στην παραγωγή στοιχειακού χρωμίου και διαμαντιών.^[18]

Η σχέση μεταξύ του Cr^III και του Cr^VI εξαρτάται πολύ από το pH και την παρουσία οξειδωτικών στοιχείων στην περιβάλλουσα περιοχή, αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις το Cr^III υπερισχύει^[12], παρόλο που σε μερικές περιοχές τα υπόγεια ύδατα μπορεί να περιέχουν ως και 39 μg/lit χρωμίου συνολικά, και τα 30 μg/lit από αυτά να είναι Cr^VI.^[19]

Ισότοπα

Το χρώμιο που προκύπτει φυσιολογικά αποτελείται από 3 σταθερά ισότοπα: το ⁵²Cr, το ⁵³Cr και το ⁵⁴Cr με το πρώτο από τα τρία να υπερισχύει σε ποσοστό ύπαρξης από τα άλλα δύο (83,789%). Δεκαεννιά ισότοπα του χρωμίου έχουν βρεθεί με πιο σταθερά από αυτά τα ⁵⁰Cr (διάρκεια ημιζωής: παραπάνω από 1,8 · 10¹⁷ χρόνια) και ⁵¹Cr (διάρκεια ημιζωής: 27,7 μέρες). Όλα τα υπόλοιπα ισότοπα έχουν διάρκεια ημιζωής μικρότερη από 24 ώρες και η πλειοψηφία αυτών έχει διάρκεια ημιζωής μικρότερη του ενός λεπτού.

Φυσικές ιδιότητες

Το χρώμιο είναι λαμπερό, σκληρό μέταλλο που, όταν γυαλίζεται, δίνει μια όμορφη μεταλλική λάμψη. Γι' αυτό η βιομηχανία το χρησιμοποιεί για την παρασκευή εντυπωσιακών μεταλλικών αντικειμένων. Οι ενώσεις του είναι συνήθως τοξικές. Το χρώμιο ανακαλύφθηκε από τον Louis-Nicholas Vauquelin το 1797.

Το χρώμιο, επίσης, είναι αξιοσημείωτο για τις μαγνητικές του ιδιότητες: είναι το μόνο στερεό στοιχείο που μπορεί, όταν βρίσκεται στη φύση σαν στοιχείο και όχι σε ενώσεις, να μην έλκεται μαγνητικά σε θερμοκρασία δωματίου (ή χαμηλότερη). Πάνω από τους 38^οC έρχεται σε παραμαγνητική κατάσταση.

Βιολογική σημασία

Το τρισθενές χρώμιο (Cr(III) ή Cr³⁺) απαιτείται σε ελάχιστες ποσότητες για τη ζάχαρη και το μεταβολισμό των λιπιδίων στους ανθρώπους και η απώλειά του μπορεί να προκαλέσει αρρώστια ονομαζόμενη “απώλεια χρωμίου”. Αντίθετα το εξασθενές χρώμιο (Cr(VI) ή Cr⁶⁺) είναι πολύ τοξικό και μπορεί να προκαλέσει μεταλλάξεις, όταν καταπίνεται. Το Cr(VI) δεν έχει αποδειχθεί ως καρκινογόνο σε διάλυμα, παρόλο που μπορεί να προκαλέσει δερματίτιδα εξαιτίας κάποιας αλλεργίας.

Η χρήση διατροφικών συμπληρωμάτων με χρώμιο είναι αμφιλεγόμενη εξαιτίας των περίπλοκων αποτελεσμάτων των συγκεκριμένων συμπληρωμάτων. Κάποιες περίπλοκες οργανικές ενώσεις του χρωμίου προκαλούν ζημιά στα χρωμοσώματα των κυττάρων των χάμστερ. Στις Ηνωμένες Πολιτείες οι διατροφικές οδηγίες για την ημερήσια κατανάλωση χρωμίου μειώθηκαν από τα 50-200 μg για έναν ενήλικα στα 35 μg (για τους άντρες) και 25 μg (για τις γυναίκες).

Φυσικές πηγές χρωμίου: Θυμάρι, σιτάρι, μαγιά μπύρας, λαχανικά, φρούτα, κρέας, γαλακτοκομικά προϊόντα και δημητριακά.

Χρήσεις

Το χρώμιο χρησιμοποιείται στα οδοντοτεχνικά κράματα όπως: CoCr και NiCr. Σημαντική εφαρμογή βρίσκει, επίσης, στην κατασκευή χρωμιοχαλύβων, οι οποίοι είναι ανοξείδωτοι, αλλά και στην επιχρωμίωση μετάλλων που επιθυμείτε η προστασία τους από τη διάβρωση. Κράμα χρωμίου-βαναδίου χρησιμοποιείται στην κατασκευή κλειδιών.

Μερικές ενώσεις του χρωμίου

Τριχλωριούχο χρώμιο (CrCl₃)

Οξείδιο του χρωμίου (VI) CrO

Ρουμπίνι. Στο κόκκινο χρώμα συμβάλλει και το χρώμιο

Ημιτριοξείδιο του χρωμίου Cr₂O₃

Βρωμιούχο χρώμιο CrBr₃

Πηγές

• ATSDR Case Studies in Environmental Medicine: Chromium Toxicity Αρχειοθετήθηκε 2019-11-16 στο Wayback Machine. (Αγγλικά)
• Los Alamos National Laboratory - Chromium Αρχειοθετήθηκε 2004-12-13 στο Wayback Machine. (Αγγλικά)
• WebElements.com – Chromium (Αγγλικά)
• IARC Monograph "Chromium and Chromium compounds" (Αγγλικά)
• International Chromium Development Association Αρχειοθετήθηκε 2003-11-29 στο Wayback Machine. (Αγγλικά)
• It's Elemental – The Element Chromium (Αγγλικά)
• National Pollutant Inventory - Chromium (III) compounds fact sheet (Αγγλικά)
• The Merck Manual – Mineral Deficiency and Toxicity (Αγγλικά)
• National Institute for Occupational Safety and Health - Chromium Page (Αγγλικά)

Παραπομπές και σημειώσεις

1. Κανονικά ατομικά βάρη^{[νεκρός σύνδεσμος]} en:Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights
2. Brandes, E. A.; Greenaway, H. T.; Stone, H. E. N. (1956). "Ductility in Chromium". Nature 178 (587): 587. Bibcode:1956Natur.178..587B. doi:10.1038/178587a0.
3. Coblentz, WW· Stair, R. «Reflecting power of beryllium, chromium, and several other metals» (PDF). National Institute of Standards and Technology. NIST Publications. Ανακτήθηκε στις 11 Οκτωβρίου 2018.
4. χρῶμα, Henry George Liddell, Robert Scott, A Greek-English Lexicon, on Perseus
5. (en) Maurice Cotterell, , Rochester, Vt, Bear & Co, 2004, 1^re éd., 302 p. (ISBN 978-1-59143-033-9, OCLC 53830906), p. 102.
6. «Chromium». Office of Dietary Supplements, US National Institutes of Health. 2016. Ανακτήθηκε στις 26 Ιουνίου 2016.
7. Cronin, Joseph R. (2004). "The Chromium Controversy". Alternative and Complementary Therapies 10 (1): 39–42. doi:10.1089/107628004772830393.
8. «Scientific Opinion on Dietary Reference Values for chromium». European Food Safety Authority. 18 Σεπτεμβρίου 2014. Ανακτήθηκε στις 20 Μαρτίου 2018.
9. «Substance Information - ECHA». echa.europa.eu (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 17 Ιανουαρίου 2022.
10. EPA (Αυγούστου 2000). «Abandoned Mine Site Characterization and Cleanup Handbook» (PDF). United States Environmental Protection Agency. Ανακτήθηκε στις 8 Σεπτεμβρίου 2019.
11. Emsley, John (2001). "Chromium". Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford, England, UK: Oxford University Press. pp. 495–498. ISBN 0-19-850340-7.
12. Kotaś, J.; Stasicka, Z (2000). "Chromium occurrence in the environment and methods of its speciation". Environmental Pollution 107 (3): 263–283. doi:10.1016/S0269-7491(99)00168-2. PMID 15092973.
13. National Research Council (U.S.). Committee on Biologic Effects of Atmospheric Pollutants (1974). Chromium. National Academy of Sciences. p. 155. ISBN 978-0-309-02217-0.
14. http://www.indexmundi.com/minerals/?product=chromite
15. Papp, John F. "Commodity Summary 2009: Chromium" (PDF). United States Geological Survey. Retrieved 2009-03-17.
16. Fleischer, Michael (1982). "New Mineral Names" (PDF). American Mineralogist 67: 854–860.
17. Chromium (with location data), Mindat
18. Chromium from Udachnaya-Vostochnaya pipe, Daldyn, Daldyn-Alakit kimberlite field, Saha Republic (Sakha Republic; Yakutia), Eastern-Siberian Region, Russia, Mindat.
19. Gonzalez, A. R.; Ndung'u, K; Flegal, AR (2005). "Natural Occurrence of Hexavalent Chromium in the Aromas Red Sands Aquifer, California". Environmental Science and Technology 39 (15): 5505–5511. Bibcode:2005EnST...39.5505G. doi:10.1021/es048835n. PMID 16124280.

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• Πολυμέσα σχετικά με το θέμα Chromium στο Wikimedia Commons
• Λεξιλογικός ορισμός του χρώμιο στο Βικιλεξικό