CROMO: PROPRIETÀ, CARATTERISTICHE E USI - CHIMICA - 2025

Il cromo (Cr) è un elemento metallico del Gruppo 6 (VIB) della tavola periodica. Tonnellate di questo metallo vengono prodotte ogni anno attraverso la sua estrazione dal minerale cromite di ferro o magnesio (FeCr ₂ O ₄ , MgCr ₂ O ₄ ), che vengono ridotte con carbone per ottenere il metallo. È molto reattivo e solo in condizioni molto riducenti è nella sua forma pura.

Il suo nome deriva dalla parola greca "chroma", che significa colore. È stato dato questo nome a causa dei molteplici e intensi colori esibiti dai composti del cromo, sia inorganici che organici; da solidi o soluzioni neri a giallo, arancione, verde, viola, blu e rosso.

Coccodrillo cromato. Alligatore modello coccodrillo argento in metallo cromato. Fonte: Maxpixel

Tuttavia, il colore del cromo metallico e dei suoi carburi sono grigiastri argentei. Questa caratteristica è sfruttata nella tecnica della cromatura per dare scintille argentate a molte strutture (come quelle viste nel coccodrillo nell'immagine sopra). Così, "bagnando con il cromo", i pezzi ottengono lucentezza e una grande resistenza alla corrosione.

Il cromo in soluzione reagisce rapidamente con l'ossigeno nell'aria per formare ossidi. A seconda del pH e delle condizioni ossidative del mezzo, può acquisire diversi numeri di ossidazione, dove (III) (Cr ³⁺ ) è il più stabile di tutti. Di conseguenza, l'ossido di cromo verde (III) (Cr ₂ O ₃ ) è il più stabile dei suoi ossidi.

Questi ossidi possono interagire con altri metalli presenti nell'ambiente, provocando, ad esempio, il pigmento rosso piombo siberiano (PbCrO ₄ ). Questo pigmento è giallo-arancio o rosso (secondo la sua alcalinità), e da esso lo scienziato francese Louis Nicolas Vauquelin ha isolato il rame metallico, motivo per cui è stato premiato come suo scopritore.

I suoi minerali e ossidi, così come una minuscola porzione di rame metallico, fanno di questo elemento il 22 ° posto tra i più abbondanti nella crosta terrestre.

La chimica del cromo è molto varia perché può formare legami con quasi l'intera tavola periodica. Ciascuno dei suoi composti presenta colori che dipendono dal numero di ossidazione, nonché dalle specie che interagiscono con esso. Allo stesso modo, forma legami con il carbonio, intervenendo in un gran numero di composti organometallici.

Caratteristiche e proprietà

Il cromo è un metallo d'argento nella sua forma pura, con un numero atomico di 24 e un peso molecolare di circa 52 g / mol ( ⁵² Cr, il suo isotopo più stabile).

Dati i suoi forti legami metallici, ha punti di fusione elevati (1907 ºC) e punti di ebollizione (2671 ºC). Inoltre, la sua struttura cristallina lo rende un metallo molto denso (7,19 g / mL).

Non reagisce con l'acqua per formare idrossidi, ma reagisce con gli acidi. Si ossida con l'ossigeno nell'aria, producendo generalmente ossido cromico, che è un pigmento verde ampiamente utilizzato.

Questi strati di ossido creano la cosiddetta passivazione, proteggendo il metallo da un'ulteriore corrosione, poiché l'ossigeno non può penetrare nel seno metallico.

La sua configurazione elettronica è 4s ¹ 3d ⁵ , con tutti gli elettroni non accoppiati e quindi mostra proprietà paramagnetiche. Tuttavia, l'accoppiamento di spin elettronici può verificarsi se il metallo è sottoposto a basse temperature, acquisendo altre proprietà come l'antiferromagnetismo.

Struttura chimica del cromo

Da PNG originali di Daniel Mayer, DrBob, tracciato in Inkscape da User: Stannered (struttura di cristallo), tramite Wikimedia Commons

Qual è la struttura del metallo cromato? Nella sua forma pura, il cromo adotta una struttura cristallina cubica centrata sul corpo (cc o bcc). Ciò significa che l'atomo di cromo si trova al centro di un cubo, i cui bordi sono occupati da altri cromi (come nell'immagine sopra).

Questa struttura è responsabile del cromo che ha punti di fusione e di ebollizione elevati, nonché un'elevata durezza. Gli atomi di rame si sovrappongono ai loro orbitali se d per formare bande di conduzione secondo la teoria delle bande.

Quindi, entrambe le bande sono piene a metà. Perché? Perché la sua configurazione elettronica è 4s ¹ 3d ⁵ e come orbitale s può ospitare due elettroni e gli orbitali d dieci. Quindi solo la metà delle bande formate dalle loro sovrapposizioni sono occupate da elettroni.

Con queste due prospettive - la struttura cristallina e il legame metallico - molte delle proprietà fisiche di questo metallo possono essere spiegate in teoria. Tuttavia, nessuno dei due spiega perché il cromo può avere vari stati o numeri di ossidazione.

Ciò richiederebbe una profonda comprensione della stabilità dell'atomo rispetto agli spin elettronici.

Numero di ossidazione

Poiché la configurazione elettronica del cromo è 4s ¹ 3d ^5, può guadagnare fino a uno o due elettroni (Cr ^1– e Cr ^2– ) o perderli per acquisire diversi numeri di ossidazione.

Quindi, se il cromo perde un elettrone, sarebbe 4s ⁰ 3d ⁵ ; se perde tre, 4s ⁰ 3d ³ ; e se li perde tutti, o che è lo stesso, sarebbe isoelettronico all'argon.

Il cromo non perde o guadagna elettroni per puro capriccio: deve esserci una specie che li dona o li accetta per passare da un numero di ossidazione all'altro.

Il cromo ha i seguenti numeri di ossidazione: -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5 e +6. Di questi, +3, Cr ³⁺ , è il più stabile e quindi predominante di tutti; seguito da +6, Cr ⁶⁺ .

Cr (-2, -1 e 0)

È altamente improbabile che il cromo guadagni elettroni, poiché è un metallo, e quindi la sua natura è donarli. Tuttavia, può coordinarsi con i ligandi, cioè le molecole che interagiscono con il centro del metallo attraverso un legame dativo.

Uno dei più noti è il monossido di carbonio (CO), che forma il composto esacarbonilico del cromo.

Questo composto ha la formula molecolare Cr (CO) ₆ e poiché i ligandi sono neutri e non forniscono alcuna carica, il Cr ha un numero di ossidazione pari a 0.

Questo può essere osservato anche in altri composti organometallici come il bis (benzene) cromo. In quest'ultimo, il cromo è circondato da due anelli benzenici in una struttura molecolare a sandwich:

Di Ben Mills, da Wikimedia Commons

Molti altri composti Cr (0) possono derivare da questi due composti organometallici.

I sali sono stati trovati dove interagiscono con i cationi di sodio, il che implica che il Cr deve avere un numero di ossidazione negativo per attrarre cariche positive: Cr (-2), Na ₂ e Cr (-1), Na ₂ .

Cr (I) e Cr (II)

Cr (I) o Cr ¹⁺ è prodotto dall'ossidazione dei composti organometallici appena descritti. Ciò si ottiene ossidando ligandi, come CN o NO, formando così, ad esempio, il composto K ₃ .

Qui il fatto che ci siano tre cationi K ⁺ implica che il complesso di cromo abbia tre cariche negative; allo stesso modo il ligando CN ^- contribuisce con cinque cariche negative, così che tra Cr e NO devono aggiungere due cariche positive (-5 + 2 = -3).

Se NO è neutro, allora è Cr (II), ma se ha una carica positiva (NO ⁺ ), allora è Cr (I).

D'altra parte, i composti di Cr (II) sono più abbondanti, tra cui i seguenti: cloruro di cromo (II) (CrCl ₂ ), acetato di cromo (Cr ₂ (O ₂ CCH ₃ ) ₄ ), ossido di cromo ( II) (CrO), solfuro di cromo (II) (CrS) e altro ancora.

Cr (III)

Tra tutti, è quello con la maggiore stabilità, poiché è infatti il ​​prodotto di molte reazioni ossidative di ioni cromati. Forse la sua stabilità è dovuta alla sua configurazione elettronica d ³ , in cui tre elettroni occupano tre orbitali d di minore energia rispetto agli altri due più energetici (raddoppio d-orbitale).

Il composto più rappresentativo di questo numero di ossidazione è l'ossido di cromo (III) (Cr ₂ O ₃ ). A seconda dei ligandi che si coordinano ad esso, il complesso mostrerà un colore o un altro. Esempi di questi composti sono: Cl, Cr (OH) ₃ , CrF ₃ , ³⁺ , ecc.

Sebbene la formula chimica non lo mostri a prima vista, il cromo di solito ha una sfera di coordinazione ottaedrica nei suoi complessi; cioè, si trova al centro di un ottaedro dove i suoi vertici sono posizionati dai ligandi (sei in totale).

Cr (IV) e Cr (V)

I composti a cui partecipa Cr ⁵⁺ sono pochissimi, a causa dell'instabilità elettronica di detto atomo, oltre al fatto che si ossida facilmente a Cr ⁶⁺ , molto più stabile in quanto isoelettronico rispetto all'argon gas nobile.

Tuttavia, i composti Cr (V) possono essere sintetizzati in determinate condizioni, come l'alta pressione. Allo stesso modo, tendono a decomporsi a temperature moderate, il che rende impossibili le loro possibili applicazioni in quanto non hanno resistenza termica. Alcuni di loro sono: CrF ₅ e K ₃ (O ₂ ^2- è l'anione perossido).

D'altra parte, Cr ⁴⁺ è relativamente più stabile, essendo in grado di sintetizzare i suoi composti alogenati: CrF ₄ , CrCl ₄ e CrBr ₄ . Tuttavia, sono anche suscettibili di essere decomposti dalle reazioni redox per produrre atomi di cromo con migliori numeri di ossidazione (come +3 o +6).

Cr (VI): la coppia cromato-bicromato

2 ^2- + 2H ⁺ (Giallo) => ^2- + H ₂ O (Arancione)

L'equazione di cui sopra corrisponde alla dimerizzazione acida di due ioni cromato per produrre bicromato. La variazione del pH provoca un cambiamento nelle interazioni attorno al centro metallico del Cr ⁶⁺ , evidente anche nel colore della soluzione (dal giallo all'arancio o viceversa). Il dicromato è costituito da un ponte O ₃ Cr-O-CrO ₃ .

I composti di Cr (VI) hanno le caratteristiche di essere nocivi e persino cancerogeni per il corpo umano e gli animali.

Come? Gli studi sostengono che gli ioni CrO ₄ ^2- attraversano le membrane cellulari per l'azione delle proteine ​​trasportatrici di solfati (entrambi gli ioni sono infatti di dimensioni simili).

Gli agenti riducenti all'interno delle cellule riducono il Cr (VI) in Cr (III), che si accumula coordinandosi irreversibilmente a siti specifici sulle macromolecole (come il DNA).

Una volta che la cellula è contaminata da un eccesso di cromo, non può andarsene a causa della mancanza del meccanismo che la trasporta indietro attraverso le membrane.

Chromium utilizza

Come colorante o pigmenti

Il cromo ha una vasta gamma di applicazioni, dal colorante per diversi tipi di tessuti, al protettore che abbellisce le parti metalliche in quella che è nota come cromatura, che può essere realizzato con metallo puro, o con composti di Cr (III) o Cr (VI).

Il fluoruro cromico (CrF ₃ ), ad esempio, viene utilizzato come colorante per i panni di lana; il solfato cromico (Cr ₂ (SO ₄ ) ₃ ), è usato per colorare smalti, ceramiche, pitture, inchiostri, vernici, ed è anche usato per cromare i metalli; e l'ossido cromico (Cr ₂ O ₃ ) trova impiego anche dove è richiesto il suo attraente colore verde.

Pertanto, qualsiasi minerale di cromo con colori intensi può essere destinato a macchiare una struttura, ma dopo di ciò sorge il fatto se questi composti sono pericolosi o meno per l'ambiente o per la salute delle persone.

Infatti, le sue proprietà velenose vengono utilizzate per preservare il legno e altre superfici dall'attacco degli insetti.

In cromo o metallurgia

All'acciaio vengono inoltre aggiunte piccole quantità di cromo per rafforzarlo contro l'ossidazione e per migliorarne la lucentezza. Ciò è dovuto al fatto che è in grado di formare carburi grigiastri (Cr ₃ C ₂ ) che sono molto resistenti quando reagiscono con l'ossigeno presente nell'aria.

Poiché il cromo può essere lucidato su superfici lucide, il cromo presenta quindi design e colori argento come alternativa più economica per questi scopi.

nutrizionale

Alcuni discutono se il cromo possa essere considerato un elemento essenziale, cioè indispensabile nella dieta quotidiana. È presente in alcuni alimenti in concentrazioni molto piccole, come foglie verdi e pomodori.

Allo stesso modo, ci sono integratori proteici che regolano l'attività dell'insulina e promuovono la crescita muscolare, come nel caso del cromo polinicotinato.

Dove si trova?

Fonte: Pixabay

Il cromo si trova in un'ampia varietà di minerali e gemme come rubini e smeraldi. Il principale minerale da cui si estrae il cromo è la cromite (MCr ₂ O ₄ ), dove M può essere qualsiasi altro metallo a cui è associato l'ossido di cromo. Queste miniere abbondano in Sud Africa, India, Turchia, Finlandia, Brasile e altri paesi.

Ogni sorgente ha una o più varianti di cromite. In questo modo, per ogni M (Fe, Mg, Mn, Zn, ecc.) Nasce un minerale di cromo diverso.

Per estrarre il metallo è necessario ridurre il minerale, cioè fare in modo che il centro metallico del cromo acquisisca elettroni per azione di un agente riducente. Questo è fatto con carbonio o alluminio:

FeCr ₂ O ₄ + 4C => Fe + 2Cr + 4CO

Inoltre, si trova la cromite (PbCrO ₄ ).

In generale, in qualsiasi minerale in cui lo ione Cr ³⁺ può sostituire Al ³⁺ , entrambi con raggi ionici leggermente simili, costituisce un'impurità che si traduce in un'altra fonte naturale di questo metallo sorprendente, ma dannoso.

Riferimenti

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