Хром — химический элемент ; он имеет символ Cr и атомный номер 24. Это первый элемент в группе 6. Это стально-серый, блестящий , твёрдый и хрупкий переходный металл . [8]
Хром ценится за его высокую коррозионную стойкость и твердость . Крупным достижением в производстве стали стало открытие того, что сталь можно сделать очень устойчивой к коррозии и изменению цвета, добавив металлический хром для образования нержавеющей стали . [9] Нержавеющая сталь и хромирование ( гальванопокрытие хромом) вместе составляют 85% коммерческого использования. Хром также высоко ценится как металл , который можно тщательно полировать , не допуская потускнения . Полированный хром отражает почти 70% видимого спектра и почти 90% инфракрасного света . [10] Название элемента происходит от греческого слова χρῶμα, chrōma , что означает цвет , [11] потому что многие соединения хрома интенсивно окрашены.
Промышленное производство хрома осуществляется из хромитовой руды (в основном FeCr 2 O 4 ) для получения феррохрома , сплава железа и хрома, посредством алюмотермических или силикотермических реакций . Затем феррохром используется для производства сплавов, таких как нержавеющая сталь. Чистый металлический хром производится другим способом: обжигом и выщелачиванием хромита для отделения его от железа с последующим восстановлением углеродом , а затем алюминием .
Трехвалентный хром (Cr(III)) встречается в природе во многих продуктах питания и продается в качестве пищевой добавки , хотя нет достаточных доказательств того, что пищевой хром приносит пользу людям. [12] [13] В 2014 году Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов пришло к выводу, что исследования пищевого хрома не оправдывают его признание в качестве незаменимого питательного вещества . [14]
В то время как металлический хром и ионы Cr(III) считаются нетоксичными, хромат и его производные, часто называемые « шестивалентным хромом », являются токсичными и канцерогенными . По данным Европейского химического агентства (ECHA), триоксид хрома , который используется в промышленных гальванических процессах, является «веществом, вызывающим особую озабоченность» (SVHC). [15]
Газообразный хром имеет электронную конфигурацию основного состояния [ Ar ] 3d 5 4s 1 . Это первый элемент в периодической таблице, конфигурация которого нарушает принцип Ауфбау . Исключения из принципа также встречаются позже в периодической таблице для таких элементов, как медь , ниобий и молибден . [16]
Хром является первым элементом в 3d-ряду, где 3d-электроны начинают погружаться в ядро; таким образом, они вносят меньший вклад в металлическую связь , и, следовательно, температуры плавления и кипения, а также энтальпия атомизации хрома ниже, чем у предыдущего элемента ванадия . Хром (VI) является сильным окислителем в отличие от оксидов молибдена (VI) и вольфрама (VI). [17]
Хром является третьим по твердости элементом после углерода ( алмаза ) и бора . Его твердость по шкале Мооса составляет 8,5, что означает, что он может царапать образцы кварца и топаза , но может быть поцарапан корундом . Хром обладает высокой устойчивостью к потускнению , что делает его полезным в качестве металла, который сохраняет свой внешний слой от коррозии , в отличие от других металлов, таких как медь , магний и алюминий .
Хром имеет температуру плавления 1907 °C (3465 °F), что относительно низко по сравнению с большинством переходных металлов. Тем не менее, он по-прежнему имеет вторую по величине температуру плавления среди всех элементов 4-го периода , уступая ванадию на 3 °C (5 °F) при 1910 °C (3470 °F). Температура кипения 2671 °C (4840 °F), однако, сравнительно ниже, имея четвертую самую низкую температуру кипения среди переходных металлов 4-го периода после меди , марганца и цинка . [примечание 1] Удельное электрическое сопротивление хрома при 20 °C составляет 125 наноом - метров .
Хром имеет высокое зеркальное отражение по сравнению с другими переходными металлами. В инфракрасном диапазоне при 425 мкм хром имеет максимальную отражательную способность около 72%, снижающуюся до минимума в 62% при 750 мкм, прежде чем снова подняться до 90% при 4000 мкм. [10] Когда хром используется в сплавах нержавеющей стали и полируется , зеркальное отражение уменьшается с включением дополнительных металлов, но все еще остается высоким по сравнению с другими сплавами. От полированной нержавеющей стали отражается от 40% до 60% видимого спектра. [10] Объяснение того, почему хром демонстрирует такой высокий уровень отраженных фотонных волн в целом, особенно 90% в инфракрасном диапазоне, можно приписать магнитным свойствам хрома. [18] Хром обладает уникальными магнитными свойствами; это единственное элементарное твердое вещество, которое демонстрирует антиферромагнитное упорядочение при комнатной температуре и ниже. Выше 38 °C его магнитное упорядочение становится парамагнитным . [5] Антиферромагнитные свойства, которые заставляют атомы хрома временно ионизироваться и связываться друг с другом, присутствуют, поскольку магнитные свойства объемно-центрического куба непропорциональны периодичности решетки . Это происходит из-за магнитных моментов в углах куба и неравных, но антипараллельных кубических центров. [18] Отсюда зависящая от частоты относительная диэлектрическая проницаемость хрома, вытекающая из уравнений Максвелла и антиферромагнетизма хрома , оставляет хром с высоким коэффициентом отражения инфракрасного и видимого света. [19]
Металлический хром на воздухе пассивируется : он образует тонкий защитный поверхностный слой оксида хрома со структурой корунда . Пассивацию можно усилить кратковременным контактом с окисляющими кислотами, такими как азотная кислота . Пассивированный хром устойчив к кислотам. Пассивацию можно удалить сильным восстановителем , который разрушает защитный оксидный слой на металле. Металлический хром, обработанный таким образом, легко растворяется в слабых кислотах. [20]
Поверхностная хромовая окалина Cr 2 O 3 прилипает к металлу. Напротив, железо образует более пористый оксид, который слаб, легко отслаивается и подвергает свежий металл воздействию воздуха, вызывая продолжающуюся коррозию . При комнатной температуре хромовая окалина имеет толщину в несколько атомных слоев, увеличиваясь в толщине за счет внешней диффузии ионов металла через окалину. Выше 950 °C из хромовой окалины образуется летучий триоксид хрома CrO 3 , ограничивающий толщину окалины и защиту от окисления. [21]
Хром, в отличие от железа и никеля, не страдает от водородной хрупкости . Однако он страдает от азотной хрупкости , реагируя с азотом из воздуха и образуя хрупкие нитриды при высоких температурах, необходимых для работы металлических деталей. [22]
Природный хром состоит из четырех стабильных изотопов : 50Cr , 52Cr , 53Cr и 54Cr , причем 52Cr является наиболее распространенным (83,789% естественной распространенности ). 50Cr является наблюдаемо стабильным , поскольку теоретически он способен распадаться до 50Ti посредством двойного захвата электронов с периодом полураспада не менее 1,3 × 1018 лет. Было охарактеризовано двадцать пять радиоизотопов , от 42 Cr до 70 Cr; наиболее стабильным радиоизотопом является 51 Cr с периодом полураспада 27,7 дней. Все остальные радиоактивные изотопы имеют период полураспада менее 24 часов, а большинство — менее 1 минуты. У хрома также есть два метастабильных ядерных изомера . [7] Первичный режим распада до наиболее распространенного стабильного изотопа, 52 Cr, — это захват электронов , а первичный режим после — бета-распад . [7]
53 Cr является радиогенным продуктом распада 53 Mn (период полураспада 3,74 миллиона лет). [23] Изотопы хрома обычно располагаются (и смешиваются) с изотопами марганца . Это обстоятельство полезно в изотопной геологии . Соотношения изотопов марганца и хрома подкрепляют доказательства, полученные из 26 Al и 107 Pd относительно ранней истории Солнечной системы . Изменения в соотношениях 53 Cr/ 52 Cr и Mn/Cr из нескольких метеоритов указывают на начальное соотношение 53 Mn/ 55 Mn, которое предполагает, что изотопный состав Mn-Cr должен быть результатом распада 53 Mn in situ в дифференцированных планетарных телах. Следовательно, 53 Cr предоставляет дополнительные доказательства нуклеосинтетических процессов непосредственно перед слиянием Солнечной системы. [24] 53 Cr был предложен в качестве косвенного показателя концентрации атмосферного кислорода. [25]
Хром является членом группы 6 , переходных металлов . Состояния +3 и +6 чаще всего встречаются в соединениях хрома, за ними следует +2; заряды +1, +4 и +5 для хрома редки, но тем не менее иногда существуют. [28] [29]
Известно много комплексов Cr(0). Бис(бензол)хром и гексакарбонил хрома являются яркими представителями хроморганической химии .
Соединения хрома(II) встречаются редко, отчасти потому, что они легко окисляются до производных хрома(III) на воздухе. Водостойкий хлорид хрома(II) CrCl
2который может быть получен путем восстановления хлорида хрома(III) цинком. Полученный ярко-синий раствор, созданный путем растворения хлорида хрома(II), стабилен при нейтральном pH . [20] Некоторые другие известные соединения хрома(II) включают оксид хрома(II) CrO и сульфат хрома(II) CrSO
4. Известно много карбоксилатов хрома(II). Красный ацетат хрома(II) (Cr 2 (O 2 CCH 3 ) 4 ) довольно известен. Он имеет четверную связь Cr-Cr . [31]
Известно большое количество соединений хрома(III), таких как нитрат хрома(III) , ацетат хрома(III) и оксид хрома(III) . [32] Хром(III) можно получить путем растворения элементарного хрома в кислотах, таких как соляная кислота или серная кислота , но его также можно получить путем восстановления хрома(VI) цитохромом c7 . [33] Cr3+
ион имеет радиус, аналогичный радиусу Al (63 пм )3+
(радиус 50 пм), и они могут заменять друг друга в некоторых соединениях, например, в хромовых квасцах и алюминиевых квасцах .
Хром(III) имеет тенденцию образовывать октаэдрические комплексы. Коммерчески доступный гидрат хлорида хрома(III) представляет собой темно-зеленый комплекс [CrCl 2 (H 2 O) 4 ]Cl. Близкородственными соединениями являются бледно-зеленый [CrCl(H 2 O) 5 ]Cl 2 и фиолетовый [Cr(H 2 O) 6 ]Cl 3 . Если безводный фиолетовый [34] хлорид хрома(III) растворить в воде, фиолетовый раствор через некоторое время станет зеленым, поскольку хлорид во внутренней координационной сфере заменяется водой. Этот тип реакции также наблюдается с растворами хромовых квасцов и других водорастворимых солей хрома(III). Тетраэдрическая координация хрома(III) была зарегистрирована для Cr-центрированного аниона Кеггина [α-CrW 12 O 40 ] 5– . [35]
Гидроксид хрома(III) (Cr(OH) 3 ) является амфотерным , растворяется в кислых растворах с образованием [Cr(H2O ) 6 ] 3+ , а в основных растворах с образованием [Cr(OH)3].
6]3−
. Он дегидратируется при нагревании с образованием зеленого оксида хрома (III) (Cr 2 O 3 ), стабильного оксида с кристаллической структурой, идентичной структуре корунда . [20]
Соединения хрома(VI) являются окислителями при низком или нейтральном pH. Хромат- анионы ( CrO2−
4) и дихромат (Cr 2 O 7 2− ) анионы являются основными ионами в этой степени окисления. Они существуют в равновесии, определяемом pH:
Известны также оксигалогениды хрома(VI), включающие хромилфторид (CrO 2 F 2 ) и хромилхлорид ( CrO
2Кл
2). [20] Однако, несмотря на несколько ошибочных утверждений, гексафторид хрома (как и все высшие гексагалогениды) по состоянию на 2020 год остается неизвестным. [36]
Хромат натрия производится в промышленных масштабах путем окислительного обжига хромитовой руды с карбонатом натрия . Изменение равновесия заметно по изменению цвета с желтого (хромат) на оранжевый (дихромат), например, при добавлении кислоты к нейтральному раствору хромата калия . При еще более низких значениях pH возможна дальнейшая конденсация в более сложные оксианионы хрома.
Как хромат-, так и дихромат- анионы являются сильными окислителями при низком pH: [20]
Однако при высоком pH они окисляются лишь умеренно: [20]
Соединения хрома(VI) в растворе можно обнаружить, добавив кислый раствор перекиси водорода . Образуется нестабильный темно-синий пероксид хрома(VI) (CrO 5 ), который можно стабилизировать в виде эфирного аддукта CrO
5·ИЛИ
2. [20]
Хромовая кислота имеет гипотетическую формулу H
2CrO
4. Это нечетко описанное химическое вещество, несмотря на то, что известно много хорошо определенных хроматов и дихроматов. Темно-красный оксид хрома (VI) CrO
3, ангидрид хромовой кислоты, продается в промышленности как «хромовая кислота». [20] Его можно получить путем смешивания серной кислоты с дихроматом, и он является сильным окислителем.
Соединения хрома(V) довольно редки; степень окисления +5 реализуется только в нескольких соединениях, но являются промежуточными продуктами во многих реакциях, включающих окисление хроматом. Единственное бинарное соединение — летучий фторид хрома(V) (CrF 5 ). Это красное твердое вещество имеет температуру плавления 30 °C и температуру кипения 117 °C. Его можно получить, обрабатывая металлический хром фтором при 400 °C и давлении 200 бар. Пероксохромат(V) — еще один пример степени окисления +5. Пероксохромат калия (K 3 [Cr(O 2 ) 4 ]) получают путем реакции хромата калия с перекисью водорода при низких температурах. Это красно-коричневое соединение стабильно при комнатной температуре, но самопроизвольно разлагается при 150–170 °C. [37]
Соединения хрома(IV) встречаются немного чаще, чем соединения хрома(V). Тетрагалогениды, CrF 4 , CrCl 4 и CrBr 4 , могут быть получены обработкой тригалогенидов ( CrX
3) с соответствующим галогеном при повышенных температурах. Такие соединения подвержены реакциям диспропорционирования и нестабильны в воде. Также известны органические соединения, содержащие состояние Cr(IV), такие как тетра-трет - бутоксид хрома. [38]
Большинство соединений хрома(I) получают исключительно путем окисления богатых электронами октаэдрических комплексов хрома(0). Другие комплексы хрома(I) содержат циклопентадиенильные лиганды. Как подтверждено рентгеновской дифракцией , также была описана пятерная связь Cr-Cr (длина 183,51(4) пм). [39] Чрезвычайно объемные монодентатные лиганды стабилизируют это соединение, экранируя пятерную связь от дальнейших реакций.
Хром является 21-м наиболее распространенным элементом в земной коре [40] со средней концентрацией 100 ppm. Соединения хрома обнаруживаются в окружающей среде в результате эрозии хромсодержащих пород и могут перераспределяться вулканическими извержениями. Типичные фоновые концентрации хрома в окружающей среде составляют: атмосфера <10 нг/м 3 ; почва <500 мг/кг; растительность <0,5 мг/кг; пресная вода <10 мкг/л; морская вода <1 мкг/л; осадок <80 мг/кг. [41] Хром добывают в виде хромитовой (FeCr 2 O 4 ) руды. [42]
Около двух пятых хромитовых руд и концентратов в мире добывается в Южной Африке, около трети в Казахстане, [43] в то время как Индия, Россия и Турция также являются значительными производителями. Неиспользованные месторождения хромита многочисленны, но географически сосредоточены в Казахстане и на юге Африки. [44] Хотя и редки, но существуют месторождения самородного хрома. [45] [46] Трубка «Удачная» в России производит образцы самородного металла. Эта шахта представляет собой кимберлитовую трубку, богатую алмазами , и восстановительная среда способствовала производству как элементарного хрома, так и алмазов. [47]
Соотношение между Cr(III) и Cr(VI) сильно зависит от pH и окислительных свойств местоположения. В большинстве случаев Cr(III) является доминирующим видом, [26] но в некоторых районах грунтовые воды могут содержать до 39 мкг/л общего хрома, из которых 30 мкг/л составляет Cr(VI). [48]
Минералы хрома как пигменты привлекли внимание Запада в восемнадцатом веке. 26 июля 1761 года Иоганн Готтлоб Леманн нашел оранжево-красный минерал в рудниках Березовского на Урале , который он назвал сибирским красным свинцом . [49] [50] Хотя минерал был ошибочно идентифицирован как соединение свинца с компонентами селена и железа , на самом деле это был крокоит с формулой PbCrO 4 . [51] В 1770 году Питер Симон Паллас посетил то же место, что и Леманн, и нашел минерал сурик, который, как было обнаружено, обладал полезными свойствами в качестве пигмента в красках . После Палласа использование сибирского красного свинца в качестве пигмента для красок стало быстро развиваться по всему региону. [52] Крокоит был основным источником хрома в пигментах до открытия хромита много лет спустя. [53]
В 1794 году Луи Николя Воклен получил образцы крокоитовой руды . Он получил триоксид хрома (CrO 3 ), смешав крокоит с соляной кислотой . [51] В 1797 году Воклен обнаружил, что он может выделить металлический хром, нагревая оксид в угольной печи, за что его считают тем, кто действительно открыл этот элемент. [54] [55] Воклен также смог обнаружить следы хрома в драгоценных камнях , таких как рубин и изумруд . [51] [56]
В девятнадцатом веке хром в основном использовался не только как компонент красок, но и в дубильных солях. Довольно долго крокоит, найденный в России, был основным источником таких дубильных материалов. В 1827 году около Балтимора , США, было обнаружено более крупное месторождение хромита, которое быстро удовлетворило спрос на дубильные соли гораздо более адекватно, чем крокоит, который использовался ранее. [57] Это сделало Соединенные Штаты крупнейшим производителем хромовой продукции до 1848 года, когда были обнаружены более крупные месторождения хромита около города Бурса , Турция. [42] С развитием металлургии и химической промышленности в западном мире потребность в хроме возросла. [58]
Хром также славится своим отражающим, металлическим блеском при полировке. Он используется в качестве защитного и декоративного покрытия на автомобильных деталях, сантехнике, деталях мебели и многих других предметах, обычно наносимых методом гальванопокрытия . Хром использовался для гальванопокрытия еще в 1848 году, но это использование стало широко распространенным только с разработкой усовершенствованного процесса в 1924 году. [59]
В 2013 году было добыто около 28,8 миллионов метрических тонн (Мт) товарной хромитовой руды, которая была переработана в 7,5 Мт феррохрома. [44] По словам Джона Ф. Паппа, пишущего для USGS, «феррохром является ведущим конечным потребителем хромитовой руды, [а] нержавеющая сталь является ведущим конечным потребителем феррохрома». [44]
Крупнейшими производителями хромовой руды в 2013 году были Южная Африка (48%), Казахстан (13%), Турция (11%) и Индия (10%), а еще несколько стран производили оставшуюся часть, около 18% мирового производства. [44]
Два основных продукта переработки хромовой руды — феррохром и металлический хром. Для этих продуктов процесс плавки руды значительно отличается. Для производства феррохрома хромитовая руда (FeCr 2 O 4 ) восстанавливается в больших масштабах в электродуговой печи или в меньших плавильных печах с алюминием или кремнием в алюминотермической реакции . [60]
Для получения чистого хрома железо должно быть отделено от хрома в двухэтапном процессе обжига и выщелачивания. Хромовая руда нагревается со смесью карбоната кальция и карбоната натрия в присутствии воздуха. Хром окисляется до шестивалентной формы, в то время как железо образует стабильную Fe 2 O 3 . Последующее выщелачивание при более высоких повышенных температурах растворяет хроматы и оставляет нерастворимый оксид железа. Хромат преобразуется серной кислотой в дихромат. [60]
Дихромат преобразуется в оксид хрома (III) путем восстановления углеродом, а затем восстанавливается в алюминотермической реакции до хрома. [60]
Создание металлических сплавов составляет 85% от имеющегося использования хрома. Остальной хром используется в химической , огнеупорной и литейной промышленности. [62]
Упрочняющий эффект образования стабильных металлических карбидов на границах зерен и сильное увеличение коррозионной стойкости сделали хром важным легирующим материалом для стали. Быстрорежущие инструментальные стали содержат 3–5% хрома. Нержавеющая сталь , основной коррозионно-стойкий металлический сплав, образуется при введении хрома в железо в концентрациях выше 11%. [63] Для образования нержавеющей стали в расплавленное железо добавляется феррохром. Кроме того, сплавы на основе никеля обладают повышенной прочностью за счет образования дискретных, стабильных, металлических, карбидных частиц на границах зерен. Например, Inconel 718 содержит 18,6% хрома. Благодаря превосходным высокотемпературным свойствам этих никелевых суперсплавов они используются в реактивных двигателях и газовых турбинах вместо обычных конструкционных материалов. [64] ASTM B163 полагается на хром для конденсаторных и теплообменниковых труб, в то время как отливки с высокой прочностью при повышенных температурах, содержащие хром, стандартизированы ASTM A567. [65] Тип AISI 332 используется там, где высокая температура обычно вызывает науглероживание , окисление или коррозию . [66] Инколой 800 «способен оставаться стабильным и сохранять свою аустенитную структуру даже после длительного воздействия высоких температур». [67] Нихром используется в качестве проволоки сопротивления для нагревательных элементов в таких вещах, как тостеры и обогреватели. Эти применения делают хром стратегическим материалом . Следовательно, во время Второй мировой войны дорожным инженерам США было поручено избегать хрома в желтой дорожной краске, поскольку он «может стать критически важным материалом во время чрезвычайной ситуации». [68] Соединенные Штаты также считали хром «необходимым для немецкой военной промышленности» и приложили интенсивные дипломатические усилия, чтобы не допустить его попадания в руки нацистской Германии . [69]
Высокая твердость и коррозионная стойкость нелегированного хрома делают его надежным металлом для покрытия поверхности; он по-прежнему является самым популярным металлом для покрытия листов, с его прочностью выше средней по сравнению с другими металлами покрытия. [70] Слой хрома наносится на предварительно обработанные металлические поверхности с помощью гальванических методов. Существует два метода осаждения: тонкий и толстый. Тонкое осаждение включает слой хрома толщиной менее 1 мкм, нанесенный с помощью хромирования , и используется для декоративных поверхностей. Более толстые слои хрома наносятся, если требуются износостойкие поверхности. Оба метода используют кислотные растворы хромата или дихромата . Для предотвращения энергозатратного изменения степени окисления разрабатывается использование сульфата хрома (III); для большинства применений хрома используется ранее установленный процесс. [59]
В процессе хроматного конверсионного покрытия сильные окислительные свойства хроматов используются для нанесения защитного оксидного слоя на такие металлы, как алюминий, цинк и кадмий. Эта пассивация и самовосстанавливающиеся свойства хромата, хранящегося в хроматном конверсионном покрытии, которое способно мигрировать в локальные дефекты, являются преимуществами этого метода покрытия. [71] Из-за экологических и санитарных норм в отношении хроматов разрабатываются альтернативные методы покрытия. [72]
Хромовокислотное анодирование (или анодирование типа I) алюминия — это еще один электрохимический процесс, который не приводит к осаждению хрома, а использует хромовую кислоту в качестве электролита в растворе. Во время анодирования на алюминии образуется оксидный слой. Использование хромовой кислоты вместо обычно используемой серной кислоты приводит к небольшому различию этих оксидных слоев. [73] Высокая токсичность соединений Cr(VI), используемых в устоявшемся процессе хромирования, а также ужесточение правил безопасности и охраны окружающей среды требуют поиска заменителей хрома или, по крайней мере, замены на менее токсичные соединения хрома(III). [59]
Минерал крокоит (который также является хроматом свинца PbCrO 4 ) использовался в качестве желтого пигмента вскоре после его открытия. После того, как метод синтеза стал доступен, начиная с более распространенного хромита, хромовый желтый стал, вместе с кадмиевым желтым , одним из наиболее используемых желтых пигментов. Пигмент не фотодеградирует, но имеет тенденцию темнеть из-за образования оксида хрома (III). Он имеет интенсивный цвет и использовался для школьных автобусов в Соединенных Штатах и для почтовых служб (например, Deutsche Post ) в Европе. Использование хромового желтого с тех пор сократилось из-за проблем с окружающей средой и безопасностью и было заменено органическими пигментами или другими альтернативами, которые не содержат свинец и хром. Другие пигменты, которые основаны на хроме, например, глубокий оттенок красного пигмента хромовый красный , который просто представляет собой хромат свинца с гидроксидом свинца (II) (PbCrO 4 ·Pb(OH) 2 ). Очень важным хроматным пигментом, который широко использовался в формулах грунтовки для металла, был хромат цинка, теперь замененный фосфатом цинка. Была разработана промывочная грунтовка, чтобы заменить опасную практику предварительной обработки алюминиевых корпусов самолетов раствором фосфорной кислоты. В ней использовался тетроксихромат цинка, диспергированный в растворе поливинилбутираля . 8% раствор фосфорной кислоты в растворителе добавлялся непосредственно перед нанесением. Было обнаружено, что легко окисляемый спирт был важным ингредиентом. Был нанесен тонкий слой толщиной около 10–15 мкм, который изменил цвет с желтого на темно-зеленый при отверждении. Все еще остается вопрос относительно правильного механизма. Хромовый зеленый представляет собой смесь берлинской лазури и хромового желтого , в то время как хромовый зеленый оксид представляет собой оксид хрома (III) . [74]
Оксиды хрома также используются в качестве зеленого пигмента в области стеклоделия, а также в качестве глазури для керамики. [75] Зеленый оксид хрома чрезвычайно светостоек и, как таковой, используется в облицовочных покрытиях. Он также является основным ингредиентом в инфракрасных отражающих красках, используемых вооруженными силами для покраски транспортных средств и придания им того же инфракрасного отражения, что и зеленые листья. [76]
Ионы хрома(III), присутствующие в кристаллах корунда (оксид алюминия), заставляют их быть окрашенными в красный цвет; когда корунд выглядит как таковой, он известен как рубин . Если корунд не содержит ионов хрома(III), он известен как сапфир . [примечание 3] Искусственный рубин красного цвета также может быть получен путем легирования хромом(III) искусственных кристаллов корунда, таким образом делая хром необходимым для изготовления синтетических рубинов. [примечание 4] [77] Такой синтетический кристалл рубина был основой для первого лазера , произведенного в 1960 году, который полагался на стимулированное излучение света атомами хрома в таком кристалле. Рубин имеет лазерный переход на 694,3 нанометра, в темно-красном цвете. [78]
Соли хрома (VI) используются для консервации древесины. Например, хромированный арсенат меди (CCA) используется при обработке древесины для защиты древесины от грибков гниения, насекомых, поражающих древесину, включая термитов , и морских сверл. [79] Формулы содержат хром на основе оксида CrO 3 в количестве от 35,3% до 65,5%. В Соединенных Штатах в 1996 году было использовано 65 300 метрических тонн раствора CCA. [79]
Соли хрома (III), особенно хромовые квасцы и сульфат хрома (III) , используются при дублении кожи . Хром (III) стабилизирует кожу, сшивая коллагеновые волокна. [80] Кожа, дубленая хромом, может содержать 4–5% хрома, который прочно связан с белками. [42] Хотя форма хрома, используемая для дубления, не является токсичной шестивалентной разновидностью, сохраняется интерес к управлению хромом в кожевенной промышленности. Восстановление и повторное использование, прямая/косвенная переработка [81] и «безхромовое» или «хромо-свободное» дубление практикуются для лучшего управления использованием хрома. [82]
Высокая термостойкость и высокая температура плавления делают хромит и оксид хрома (III) материалом для высокотемпературных огнеупорных применений, таких как доменные печи , цементные печи , формы для обжига кирпича и в качестве литейных песков для литья металлов. В этих применениях огнеупорные материалы изготавливаются из смесей хромита и магнезита. Использование снижается из-за экологических норм из-за возможности образования хрома (VI). [60] [83]
Несколько соединений хрома используются в качестве катализаторов для переработки углеводородов. Например, катализатор Филлипса , приготовленный из оксидов хрома, используется для производства около половины мирового полиэтилена . [84] Смешанные оксиды Fe-Cr используются в качестве высокотемпературных катализаторов для реакции конверсии водяного газа . [85] [86] Хромит меди является полезным катализатором гидрогенизации . [87]
Возможная пищевая ценность хрома (III) не доказана. [96] [97] Хотя хром считается микроэлементом и диетическим минералом , его предполагаемая роль в действии инсулина — гормона, который опосредует метаболизм и хранение углеводов, жиров и белков — не была должным образом установлена. [12] [13] Механизм его действия в организме не определен, что оставляет сомнения относительно того, играет ли хром биологическую роль в организме здоровых людей. [12] [13] [14]
Напротив, шестивалентный хром (Cr(VI) или Cr6 + ) является высокотоксичным и мутагенным . [98] Проглатывание хрома(VI) в воде связано с опухолями желудка, а также может вызывать аллергический контактный дерматит . [99]
« Дефицит хрома », включающий недостаток Cr(III) в организме или, возможно, некоторого его комплекса, такого как фактор толерантности к глюкозе , не считается медицинским состоянием, поскольку не имеет симптомов и здоровым людям не требуется добавка хрома. [12] [13] Некоторые исследования показывают, что биологически активная форма хрома(III) транспортируется в организме через олигопептид, называемый низкомолекулярным хромсвязывающим веществом (хромомодулином), который может играть роль в сигнальном пути инсулина. [12] [100]
Содержание хрома в обычных продуктах питания, как правило, низкое (1–13 микрограммов на порцию). [12] [101] Содержание хрома в продуктах питания сильно варьируется из-за различий в содержании минералов в почве, вегетационного периода, сорта растений и загрязнения во время обработки. [13] [101] Хром (и никель ) выщелачиваются в пищу, приготовленную в нержавеющей стали, причем эффект сильнее всего, когда посуда новая. Кислые продукты, которые готовятся в течение многих часов, также усугубляют этот эффект. [102] [103]
Существуют разногласия относительно статуса хрома как незаменимого питательного вещества. Правительственные ведомства Австралии, Новой Зеландии, Индии и Японии считают хром незаменимым, [104] [105] [106] в то время как Соединенные Штаты и Европейское управление по безопасности пищевых продуктов Европейского союза так не считают. [12] [14]
Национальная академия медицины США (NAM) обновила Оценочные средние потребности (EAR) и Рекомендуемые диетические нормы (RDA) для хрома в 2001 году. Для хрома было недостаточно информации для установления EAR и RDA, поэтому его потребности описаны как оценки для адекватного потребления (AI). По оценке 2001 года, AI хрома для женщин в возрасте от 14 до 50 лет составляет 25 мкг/день, а AI для женщин в возрасте 50 лет и старше составляет 20 мкг/день. AI для беременных женщин составляет 30 мкг/день, а для кормящих женщин установленный AI составляет 45 мкг/день. AI для мужчин в возрасте от 14 до 50 лет составляет 35 мкг/день, а AI для мужчин в возрасте 50 лет и старше составляет 30 мкг/день. Для детей в возрасте от 1 до 13 лет AI увеличивается с возрастом от 0,2 мкг/день до 25 мкг/день. [12] Что касается безопасности, NAM устанавливает допустимые верхние уровни потребления (UL) для витаминов и минералов, когда имеются достаточные доказательства. В случае хрома пока недостаточно информации, поэтому UL не установлен. В совокупности EAR, RDA, AI и UL являются параметрами для системы рекомендаций по питанию, известной как диетическая референтная норма потребления (DRI). [107]
Австралия и Новая Зеландия считают хром необходимым питательным веществом, с AI 35 мкг/день для мужчин, 25 мкг/день для женщин, 30 мкг/день для беременных женщин и 45 мкг/день для кормящих женщин. UL не был установлен из-за отсутствия достаточных данных. [104] Индия считает хром необходимым питательным веществом, с рекомендуемой нормой потребления для взрослых 33 мкг/день. [105] Япония также считает хром необходимым питательным веществом, с AI 10 мкг/день для взрослых, включая беременных или кормящих женщин. UL не был установлен. [106]
EFSA не считает хром важным питательным веществом. [14] [108] [109]
Для маркировки пищевых продуктов и диетических добавок в США количество вещества в порции выражается в процентах от суточной нормы (%DV). Для маркировки хрома 100% суточной нормы составляли 120 мкг. По состоянию на 27 мая 2016 года процент суточной нормы был пересмотрен до 35 мкг, чтобы привести потребление хрома в соответствие с официальной рекомендуемой суточной нормой . [110] [111] Таблица старых и новых суточных норм для взрослых в Соединенных Штатах представлена в Reference Daily Intake .
После оценки исследований потенциальной пищевой ценности хрома Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов пришло к выводу, что нет никаких доказательств пользы пищевого хрома для здоровых людей, тем самым отказавшись от разработки рекомендаций в Европе по потреблению хрома с пищей. [14]
Базы данных о составе пищевых продуктов, такие как те, которые ведутся Министерством сельского хозяйства США, не содержат информации о содержании хрома в продуктах питания. [112] Хром содержится в самых разных продуктах животного и растительного происхождения. [12] [107] Содержание хрома в одной порции зависит от содержания хрома в почве, на которой выращиваются растения, от продуктов питания, которыми кормят животных, и от методов обработки, поскольку хром выщелачивается в продукты питания, если они обрабатываются или готовятся на оборудовании из нержавеющей стали. [113] В одном исследовании по анализу рациона питания, проведенном в Мексике, сообщается о среднем ежедневном потреблении хрома в размере 30 микрограммов. [114] По оценкам, 31% взрослых в Соединенных Штатах потребляют поливитаминные/минеральные пищевые добавки, [115] которые часто содержат от 25 до 60 микрограммов хрома.
Хром является ингредиентом полного парентерального питания (ППП), поскольку дефицит может возникнуть после месяцев внутривенного питания с ППП без хрома. [116] Он также добавляется в продукты питания для недоношенных детей . [117] Хотя механизм действия биологических ролей хрома неясен, в Соединенных Штатах продукты, содержащие хром, продаются как безрецептурные диетические добавки в количествах от 50 до 1000 мкг. Более низкие количества хрома также часто включаются в поливитаминные/минеральные добавки, потребляемые примерно 31% взрослых в Соединенных Штатах. [115] Химические соединения, используемые в пищевых добавках, включают хлорид хрома, цитрат хрома, пиколинат хрома (III) , полиникотинат хрома (III) и другие химические составы. [12] Польза добавок не доказана. [12] [118]
Представление о хроме как потенциальном регуляторе метаболизма глюкозы возникло в 1950-х годах, когда ученые провели серию экспериментов, контролируя рацион крыс. [119] Экспериментаторы подвергали крыс диете с дефицитом хрома и стали свидетелями неспособности эффективно реагировать на повышенный уровень глюкозы в крови. В рацион были включены богатые хромом пивные дрожжи , что позволило крысам эффективно метаболизировать глюкозу, и таким образом дало доказательства того, что хром может играть роль в регулировании глюкозы. [119]
В 2005 году Управление по контролю за продуктами и лекарствами США одобрило квалифицированное заявление о пользе пиколината хрома для здоровья с требованием к конкретной формулировке на этикетке:
В других частях петиции FDA отклонило заявления о связи пиколината хрома с сердечно-сосудистыми заболеваниями, ретинопатией или заболеваниями почек, вызванными аномально высоким уровнем сахара в крови. [120] По состоянию на март 2024 года это постановление по хрому остается в силе. [121]
В 2010 году Министерство здравоохранения Канады одобрило использование пиколината хрома (III) в пищевых добавках. Одобренные маркировки включают: фактор поддержания хорошего здоровья, обеспечивает поддержку здорового метаболизма глюкозы, помогает организму усваивать углеводы и помогает организму усваивать жиры. [122] Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов одобрило в 2010 году заявления о том, что хром способствует нормальному метаболизму макронутриентов и поддержанию нормальной концентрации глюкозы в крови, но отклонило заявления о поддержании или достижении нормального веса тела или снижении утомляемости или усталости. [123]
Однако в ходе повторной оценки исследований, проведенной в 2014 году с целью определения возможности установления рекомендуемой нормы потребления хрома, EFSA заявило: [14]
Учитывая доказательства того, что дефицит хрома вызывает проблемы с контролем глюкозы в контексте продуктов внутривенного питания, разработанных без хрома, [116] исследовательский интерес обратился к вопросу о том, принесет ли добавление хрома пользу людям с диабетом 2 типа, но не имеющим дефицита хрома. Рассматривая результаты четырех метаанализов, один сообщил о статистически значимом снижении уровня глюкозы в плазме натощак и незначительной тенденции к снижению гемоглобина A1C . [124] Второй сообщил о том же, [125] третий сообщил о значительном снижении обоих показателей, [126] в то время как четвертый не сообщил об отсутствии пользы ни для одного из них. [127] Обзор, опубликованный в 2016 году, перечислил 53 рандомизированных клинических исследования , которые были включены в один или несколько из шести метаанализов . Он пришел к выводу, что, хотя могут быть умеренные снижения уровня глюкозы в крови натощак и/или HbA1C, которые достигают статистической значимости в некоторых из этих метаанализов, лишь немногие из исследований достигли снижения, достаточно большого, чтобы его можно было ожидать отнести к клиническим результатам. [128]
Два систематических обзора рассматривали добавки хрома как средство управления массой тела у людей с избыточным весом и ожирением. Один, ограниченный пиколинатом хрома , распространенным ингредиентом добавки, сообщил о статистически значимой потере веса -1,1 кг (2,4 фунта) в испытаниях продолжительностью более 12 недель. [129] Другой включал все соединения хрома и сообщил о статистически значимом изменении веса -0,50 кг (1,1 фунта). [130] Изменение процента жира в организме не достигло статистической значимости. Авторы обоих обзоров посчитали клиническую значимость этой скромной потери веса неопределенной/ненадежной. [129] [130] Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов рассмотрело литературу и пришло к выводу, что не было достаточных доказательств для поддержки заявления. [14]
Хром продвигается как пищевая добавка для повышения спортивных результатов, основанная на теории о том, что он усиливает активность инсулина, с ожидаемыми результатами увеличения мышечной массы и более быстрого восстановления запасов гликогена во время восстановления после тренировки. [118] [131] [132] Обзор клинических испытаний показал, что добавление хрома не улучшает физическую работоспособность или не увеличивает мышечную силу. [133] Международный олимпийский комитет рассмотрел пищевые добавки для высокоэффективных спортсменов в 2018 году и пришел к выводу, что нет необходимости увеличивать потребление хрома для спортсменов, а также не подтверждает заявления о потере жира. [134]
Стандарты поливной воды для хрома составляют 0,1 мг/л, но в некоторых реках Бангладеш он превышает это значение более чем в пять раз. Стандарт для рыбы, потребляемой человеком, составляет менее 1 мг/кг, но во многих протестированных образцах он был выше более чем в пять раз. [135] Хром, особенно шестивалентный хром, очень токсичен для рыб, поскольку он легко всасывается через жабры, легко попадает в кровоток, пересекает клеточные мембраны и биоконцентрируется в пищевой цепи. Напротив, токсичность трехвалентного хрома очень низкая, что объясняется плохой проницаемостью мембран и небольшим биоусилением. [136]
Острое и хроническое воздействие хрома (VI) влияет на поведение, физиологию, воспроизводство и выживаемость рыб. В загрязненных средах были зарегистрированы гиперактивность и неустойчивое плавание. Влияет на вылупление икры и выживаемость мальков. У взрослых рыб имеются сообщения о гистопатологических повреждениях печени, почек, мышц, кишечника и жабр. Механизмы включают мутагенное повреждение генов и нарушение функций ферментов. [136]
Есть данные, что рыбам может не требоваться хром, но они получают пользу от измеренного количества в рационе. В одном исследовании молодь рыб набирала вес на диете без хрома, но добавление 500 мкг хрома в форме хлорида хрома или других типов добавок на килограмм пищи (сухой вес) увеличивало набор веса. При 2000 мкг/кг набор веса был не лучше, чем при диете без хрома, и было больше разрывов нитей ДНК. [137]
Нерастворимые в воде соединения хрома (III) и металлический хром не считаются опасными для здоровья, в то время как токсичность и канцерогенные свойства хрома (VI) известны уже давно. [138] Из-за специфических транспортных механизмов только ограниченное количество хрома (III) проникает в клетки. Острая пероральная токсичность колеблется от 50 до 150 мг/кг. [139] Обзор 2008 года показал, что умеренное поглощение хрома (III) через пищевые добавки не представляет генетического токсического риска. [140] В США Управление по охране труда и технике безопасности (OSHA) определило допустимый предел воздействия воздуха (PEL) на рабочем месте как средневзвешенное по времени значение (TWA) 1 мг/м 3 . Национальный институт охраны труда и техники безопасности (NIOSH) установил рекомендуемый предел воздействия (REL) 0,5 мг/м 3 , средневзвешенное по времени значение. Значение IDLH ( непосредственно опасно для жизни и здоровья) составляет 250 мг/м 3 . [141]
Острая пероральная токсичность хрома (VI) составляет от 1,5 до 3,3 мг/кг. [139] В организме хром (VI) восстанавливается несколькими механизмами до хрома (III) уже в крови, прежде чем он попадет в клетки. Хром (III) выводится из организма, тогда как ион хрома переносится в клетку с помощью транспортного механизма, посредством которого в клетку также попадают ионы сульфата и фосфата . Острая токсичность хрома (VI) обусловлена его сильными окислительными свойствами. После того, как он попадает в кровоток, он повреждает почки, печень и клетки крови посредством реакций окисления. В результате возникает гемолиз , почечная и печеночная недостаточность. Агрессивный диализ может быть терапевтическим. [142]
Канцерогенность хроматной пыли известна уже давно, и в 1890 году в первой публикации был описан повышенный риск заболевания раком у рабочих компании по производству хроматных красителей. [ 143] [144] Было предложено три механизма для описания генотоксичности хрома (VI). Первый механизм включает высокореактивные гидроксильные радикалы и другие реактивные радикалы, которые являются побочными продуктами восстановления хрома (VI) до хрома (III). Второй процесс включает прямое связывание хрома (V), полученного путем восстановления в клетке, и соединений хрома (IV) с ДНК . Последний механизм приписывал генотоксичность связыванию с ДНК конечного продукта восстановления хрома (III). [145] [146]
Соли хрома (хроматы) также являются причиной аллергических реакций у некоторых людей. Хроматы часто используются для производства, среди прочего, кожаных изделий, красок, цемента, раствора и антикоррозионных средств. Контакт с продуктами, содержащими хроматы, может привести к аллергическому контактному дерматиту и раздражающему дерматиту, что приводит к изъязвлению кожи, иногда называемому «хромовыми язвами». Это состояние часто встречается у рабочих, которые подвергались воздействию сильных растворов хромата на гальванических, дубильных и хромовых заводах. [147] [148]
Поскольку соединения хрома использовались в красителях , красках и дубильных составах для кожи , эти соединения часто встречаются в почве и грунтовых водах на действующих и заброшенных промышленных объектах, требующих экологической очистки и рекультивации . Грунтовочная краска , содержащая шестивалентный хром, по-прежнему широко используется для аэрокосмической и автомобильной окраски. [149]
В 2010 году Экологическая рабочая группа изучила питьевую воду в 35 американских городах в первом общенациональном исследовании. Исследование обнаружило измеримый шестивалентный хром в водопроводной воде 31 из городов, в которых были взяты пробы, с Норманом, Оклахома , во главе списка; в 25 городах уровни превышали предложенный Калифорнией предел. [150]
Более токсичная форма шестивалентного хрома может быть восстановлена до менее растворимой трехвалентной степени окисления в почвах органическими веществами, двухвалентным железом, сульфидами и другими восстановителями, причем скорость такого восстановления выше в более кислых условиях, чем в более щелочных. Напротив, трехвалентный хром может быть окислен до шестивалентного хрома в почвах оксидами марганца, такими как соединения Mn(III) и Mn(IV). Поскольку растворимость и токсичность хрома (VI) выше, чем у хрома (III), окислительно-восстановительные преобразования между двумя степенями окисления имеют последствия для перемещения и биодоступности хрома в почвах, грунтовых водах и растениях. [151]