โครเมียม: คุณสมบัติลักษณะและการใช้งาน - เคมี - 2026

โครเมียม (Cr) เป็นองค์ประกอบโลหะของกลุ่มที่ 6 (VIB) ของตารางธาตุ ตันของโลหะนี้ถูกผลิตขึ้นทุกปีโดยการสกัดจากแร่โครไมท์ของเหล็กหรือแมกนีเซียม (FeCr ₂ O ₄ , MgCr ₂ O ₄ ) ซึ่งจะลดลงด้วยถ่านหินเพื่อให้ได้โลหะ มันมีปฏิกิริยามากและภายใต้เงื่อนไขที่ลดลงมากเท่านั้นที่จะอยู่ในรูปแบบที่บริสุทธิ์

ชื่อของมันมาจากคำภาษากรีก 'chroma' ซึ่งหมายถึงสี ได้รับชื่อนี้เนื่องจากมีสีที่หลากหลายและเข้มข้นที่แสดงโดยสารประกอบโครเมียมไม่ว่าจะเป็นอนินทรีย์หรืออินทรีย์ จากของแข็งสีดำหรือสารละลายเป็นสีเหลืองส้มเขียวม่วงน้ำเงินและแดง

จระเข้โครเมียม จระเข้สีเงินโครเมี่ยมรุ่น Alligator. ที่มา: Maxpixel

อย่างไรก็ตามสีของโครเมียมเมทัลลิกและคาร์ไบด์เป็นสีเทาอมเงิน ลักษณะนี้ถูกนำไปใช้ในเทคนิคการชุบโครเมี่ยมเพื่อให้โครงสร้างหลาย ๆ ส่วนเป็นประกายสีเงิน (เช่นเดียวกับที่เห็นในจระเข้ในภาพด้านบน) ดังนั้นการ "อาบน้ำด้วยโครเมี่ยม" จึงทำให้ชิ้นงานมีความมันวาวและทนต่อการกัดกร่อนได้ดี

โครเมียมในสารละลายทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศอย่างรวดเร็วจนกลายเป็นออกไซด์ ขึ้นอยู่กับ pH และสภาวะออกซิเดชั่นของตัวกลางมันสามารถได้รับเลขออกซิเดชันที่แตกต่างกันโดย (III) (Cr ³⁺ ) มีความเสถียรมากที่สุด ดังนั้นโครเมียมสีเขียว(III) ออกไซด์ (Cr ₂ O ₃ ) จึงเป็นออกไซด์ที่เสถียรที่สุด

ออกไซด์เหล่านี้สามารถทำปฏิกิริยากับโลหะอื่น ๆ ในสิ่งแวดล้อมได้ตัวอย่างเช่นเม็ดสีตะกั่วแดงของไซบีเรีย (PbCrO ₄ ) เม็ดสีนี้เป็นสีเหลืองส้มหรือแดง (ตามความเป็นด่าง) และจากนั้นนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Louis Nicolas Vauquelin ได้แยกโลหะทองแดงซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้เขาได้รับรางวัลในฐานะผู้ค้นพบ

แร่ธาตุและออกไซด์ตลอดจนโลหะทองแดงส่วนเล็ก ๆ ทำให้องค์ประกอบนี้อยู่ในอันดับที่ 22 ของจำนวนมากที่สุดในเปลือกโลก

เคมีของโครเมียมมีความหลากหลายมากเนื่องจากสามารถสร้างพันธะกับตารางธาตุเกือบทั้งหมด สารประกอบแต่ละชนิดมีสีที่ขึ้นอยู่กับเลขออกซิเดชันรวมถึงชนิดที่มีปฏิกิริยากับมัน ในทำนองเดียวกันมันจะสร้างพันธะกับคาร์บอนโดยแทรกแซงในสารประกอบออร์แกโนเมทัลลิกจำนวนมาก

ลักษณะและคุณสมบัติ

โครเมียมเป็นโลหะเงินในรูปบริสุทธิ์โดยมีเลขอะตอม 24 และน้ำหนักโมเลกุลประมาณ 52 กรัม / โมล ( ⁵² Cr ซึ่งเป็นไอโซโทปที่เสถียรที่สุด)

ด้วยพันธะโลหะที่แข็งแกร่งจึงมีจุดหลอมเหลวสูง (1907 ºC) และจุดเดือด (2671 ºC) นอกจากนี้โครงสร้างผลึกทำให้เป็นโลหะที่มีความหนาแน่นสูง (7.19 g / mL)

ไม่ทำปฏิกิริยากับน้ำเพื่อสร้างไฮดรอกไซด์ แต่ทำปฏิกิริยากับกรด ออกซิไดซ์กับออกซิเจนในอากาศโดยทั่วไปจะผลิตโครมิกออกไซด์ซึ่งเป็นเม็ดสีเขียวที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย

ชั้นออกไซด์เหล่านี้สร้างสิ่งที่เรียกว่าทู่เพื่อปกป้องโลหะจากการกัดกร่อนเพิ่มเติมเนื่องจากออกซิเจนไม่สามารถทะลุผ่านไซนัสของโลหะได้

โครงร่างอิเล็กทรอนิกส์ของมันคือ 4s ¹ 3d ⁵โดยที่อิเล็กตรอนทั้งหมดไม่ได้จับคู่ดังนั้นจึงแสดงคุณสมบัติพาราแมกเนติก อย่างไรก็ตามการผสมพันธุ์ของสปินอิเล็กทรอนิกส์อาจเกิดขึ้นได้หากโลหะอยู่ภายใต้อุณหภูมิต่ำโดยได้รับคุณสมบัติอื่น ๆ เช่นแม่เหล็กแม่เหล็กไฟฟ้า

โครงสร้างทางเคมีของโครเมียม

โดย PNG ดั้งเดิมโดย Daniel Mayer, DrBob, ติดตามใน Inkscape โดยผู้ใช้: Stannered (Crystal stucture), Wikimedia Commons

โครงสร้างของโลหะโครเมี่ยมคืออะไร? โครเมียมจะถือว่าเป็นโครงสร้างผลึกลูกบาศก์ที่มีร่างกายเป็นศูนย์กลาง (cc หรือ bcc) ในรูปแบบบริสุทธิ์ ซึ่งหมายความว่าอะตอมของโครเมียมตั้งอยู่ตรงกลางของลูกบาศก์ซึ่งมีขอบของโครเมียมอื่น ๆ (ตามภาพด้านบน)

โครงสร้างนี้มีหน้าที่ทำให้โครเมียมมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูงรวมทั้งมีความแข็งสูง อะตอมของทองแดงทับซ้อนกันของวงโคจร s และ d เพื่อสร้างแถบการนำไฟฟ้าตามทฤษฎีวง

ดังนั้นทั้งสองวงจึงเต็มครึ่ง ทำไม? เนื่องจากโครงร่างอิเล็กทรอนิกส์ของมันคือ 4s ¹ 3d ⁵และในขณะที่วงโคจรของมันสามารถมีอิเล็กตรอนสองตัวและ d ออร์บิทัลสิบ จากนั้นมีเพียงครึ่งหนึ่งของวงดนตรีที่เกิดจากการทับซ้อนกันเท่านั้นที่ถูกครอบครองโดยอิเล็กตรอน

ด้วยมุมมองทั้งสองนี้ - โครงสร้างผลึกและพันธะโลหะคุณสมบัติทางกายภาพหลายประการของโลหะนี้สามารถอธิบายได้ในทางทฤษฎี อย่างไรก็ตามไม่สามารถอธิบายได้ว่าเหตุใดโครเมียมจึงมีสถานะหรือตัวเลขออกซิเดชันต่างๆ

สิ่งนี้ต้องการความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับเสถียรภาพของอะตอมที่เกี่ยวกับการหมุนอิเล็กทรอนิกส์

เลขออกซิเดชัน

เนื่องจากโครงร่างอิเล็กตรอนของโครเมียมคือ 4s ¹ 3d ^{5 จึง}สามารถรับอิเล็กตรอนได้มากถึงหนึ่งหรือสองตัว (Cr ^1–และ Cr ^2– ) หรือสูญเสียไปเพื่อให้ได้เลขออกซิเดชันที่แตกต่างกัน

ดังนั้นถ้าโครเมียมสูญเสียอิเล็กตรอนก็จะเป็น 4s ⁰ 3d ⁵ ; ถ้าเขาเสียสาม 4s ⁰ 3d ³ ; และถ้ามันสูญเสียทั้งหมดหรือสิ่งที่เหมือนกันมันจะเป็น isoelectronic กับอาร์กอน

โครเมียมไม่ได้สูญเสียหรือได้รับอิเล็กตรอนเพียงอย่างเดียวโดยจะต้องมีสิ่งมีชีวิตที่บริจาคหรือยอมรับพวกมันเพื่อเปลี่ยนจากเลขออกซิเดชันหนึ่งไปยังอีกเลขออกซิเดชัน

Chromium มีเลขออกซิเดชันต่อไปนี้: -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5 และ +6 ในจำนวนนี้ +3, Cr ³⁺มีความเสถียรที่สุดและมีความโดดเด่นเหนือใคร ตามด้วย 6, Cr 6+

Cr (-2, -1 และ 0)

โครเมียมมีโอกาสน้อยที่จะได้รับอิเล็กตรอนเนื่องจากเป็นโลหะดังนั้นธรรมชาติของมันคือการบริจาคให้ อย่างไรก็ตามมันสามารถประสานงานกับลิแกนด์นั่นคือโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยากับศูนย์กลางโลหะผ่านพันธะคู่

หนึ่งในสิ่งที่รู้จักกันดีคือคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ซึ่งเป็นสารประกอบเฮกซาคาร์บอนิลของโครเมียม

สารประกอบนี้มีสูตรโมเลกุล Cr (CO) ₆และเนื่องจากลิแกนด์มีความเป็นกลางและไม่มีประจุใด ๆ ดังนั้น Cr จึงมีเลขออกซิเดชันเป็น 0

สิ่งนี้สามารถสังเกตได้ในสารประกอบออร์แกโนเมทัลลิกอื่น ๆ เช่นโครเมียมทวิ (เบนซีน) ในช่วงหลังโครเมียมล้อมรอบด้วยวงแหวนเบนซีนสองวงในโครงสร้างโมเลกุลคล้ายแซนวิช:

โดย Ben Mills จาก Wikimedia Commons

สารประกอบ Cr (0) อื่น ๆ อีกมากมายสามารถเกิดขึ้นได้จากสารประกอบออร์แกโนเมทัลลิกทั้งสองนี้

เกลือได้รับการค้นพบที่พวกเขามีปฏิสัมพันธ์กับไพเพอร์โซเดียมซึ่งหมายความว่า Cr ต้องมีเลขออกซิเดชันเชิงลบที่จะดึงดูดประจุบวก: Cr (-2), นา₂และ Cr (-1), นา2

Cr (I) และ Cr (II)

Cr (I) หรือ Cr ¹⁺เกิดจากการออกซิเดชั่นของสารประกอบออร์แกโนเมทัลลิกที่อธิบายไว้ นี้จะทำได้โดยแกนด์ออกซิไดซ์เช่น CN หรือไม่จึงขึ้นรูปเช่นสารประกอบ K 3

ข้อเท็จจริงที่ว่ามีไอออนบวกสาม K ⁺แสดงว่าโครเมียมคอมเพล็กซ์มีประจุลบสามอย่าง ในทำนองเดียวกันลิแกนด์ CN ^-ก่อให้เกิดประจุลบห้าชนิดดังนั้นระหว่าง Cr และ NO จะต้องบวกประจุบวกสองตัว (-5 + 2 = -3)

ถ้า NO เป็นกลางแสดงว่าเป็น Cr (II) แต่ถ้ามีประจุบวก (NO ⁺ ) แสดงว่าเป็น Cr (I)

ในทางกลับกันสารประกอบ Cr (II) มีมากขึ้น ได้แก่ โครเมียม (II) คลอไรด์ (CrCl ₂ ) โครเมียมอะซิเตท (Cr ₂ (O ₂ CCH ₃ ) ₄ ) โครเมียมออกไซด์ ( II) (CrO) โครเมียม (II) ซัลไฟด์ (CrS) และอื่น ๆ

Cr (III)

ทั้งหมดนี้เป็นสิ่งที่มีความเสถียรมากที่สุดเนื่องจากเป็นผลจากปฏิกิริยาออกซิเดชั่นจำนวนมากของโครเมตไอออน บางทีความเสถียรของมันอาจเกิดจากโครงร่างอิเล็กทรอนิกส์ d ³ซึ่งอิเล็กตรอนสามตัวครอบครองวงโคจร d พลังงานต่ำกว่าสามวงเมื่อเทียบกับอีกสองตัวที่มีพลังมากกว่า (d-orbital สองเท่า)

สารประกอบที่เป็นตัวแทนมากที่สุดของเลขออกซิเดชันนี้คือโครเมียม (III) ออกไซด์ (Cr ₂ O ₃ ) ขึ้นอยู่กับแกนด์ที่ประสานกันคอมเพล็กซ์จะแสดงสีเดียวหรืออีกสีหนึ่ง ตัวอย่างของสารประกอบเหล่านี้ ได้แก่ : Cl, Cr (OH) ₃ , CrF ₃ , ³⁺เป็นต้น

แม้ว่าสูตรทางเคมีจะไม่แสดงให้เห็นในตอนแรก แต่โครเมียมมักจะมีทรงกลมโคออร์ดิเนชันแบบแปดด้านในเชิงซ้อน นั่นคือมันตั้งอยู่ตรงกลางของรูปแปดหน้าซึ่งจุดยอดของมันอยู่ในตำแหน่งของแกนด์ (รวมทั้งหมดหกตัว)

Cr (IV) และ Cr (V)

สารประกอบที่ Cr ⁵⁺มีส่วนร่วมมีน้อยมากเนื่องจากความไม่เสถียรทางอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมดังกล่าวนอกเหนือจากข้อเท็จจริงที่ว่ามันถูกออกซิไดซ์เป็น Cr ⁶⁺ได้ง่ายแล้วยังมีความเสถียรมากกว่าเนื่องจากเป็นไอโซอิเล็กทรอนิกเมื่อเทียบกับก๊าซโนเบิลอาร์กอน

อย่างไรก็ตามสารประกอบ Cr (V) สามารถสังเคราะห์ได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการเช่นความดันสูง ในทำนองเดียวกันพวกมันมักจะสลายตัวที่อุณหภูมิปานกลางซึ่งทำให้ไม่สามารถใช้งานได้เนื่องจากไม่มีความต้านทานความร้อน บางส่วน ได้แก่ : CrF ₅และ K ₃ (O ₂ ^2-คือไอออนเปอร์ออกไซด์)

บนมืออื่น ๆ , Cr ⁴⁺มีเสถียรภาพค่อนข้างมากขึ้นความสามารถในการสังเคราะห์สารฮาโลเจนที่: CRF ₄ , CrCl ₄และ CrBr 4 อย่างไรก็ตามพวกมันยังไวต่อการถูกย่อยสลายโดยปฏิกิริยารีดอกซ์เพื่อสร้างอะตอมโครเมียมที่มีเลขออกซิเดชันที่ดีกว่า (เช่น +3 หรือ +6)

Cr (VI): คู่โครเมต - ไดโครเมต

2 ^2- + 2H ⁺ (สีเหลือง) => ^2- + H ₂ O (สีส้ม)

สมการข้างต้นสอดคล้องกับการลดขนาดกรดของโครเมตไอออนสองตัวเพื่อผลิตไดโครเมต ความแปรผันของ pH ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในปฏิสัมพันธ์รอบ ๆ ศูนย์กลางโลหะของ Cr ⁶⁺และยังเห็นได้ชัดในสีของสารละลาย (จากสีเหลืองเป็นสีส้มหรือในทางกลับกัน) dichromate ประกอบด้วย O ₃โครมันยองโครมันยอง- ₃สะพาน

สารประกอบ Cr (VI) มีลักษณะที่เป็นอันตรายและเป็นสารก่อมะเร็งต่อร่างกายมนุษย์และสัตว์

อย่างไร? การศึกษายืนยันว่า CrO ₄ ^2-ไอออนข้ามเยื่อหุ้มเซลล์โดยการกระทำของโปรตีนขนส่งซัลเฟต (ไอออนทั้งสองมีขนาดใกล้เคียงกัน)

สารรีดิวซ์ภายในเซลล์จะลด Cr (VI) เป็น Cr (III) ซึ่งสะสมโดยการประสานงานไปยังพื้นที่เฉพาะบนโมเลกุลขนาดใหญ่ (เช่น DNA)

เมื่อเซลล์ถูกปนเปื้อนด้วยโครเมียมส่วนเกินแล้วจะไม่สามารถปล่อยออกไปได้เนื่องจากขาดกลไกที่ลำเลียงกลับผ่านเยื่อหุ้มเซลล์

Chromium ใช้

เป็นสีหรือเม็ดสี

โครเมียมมีการใช้งานที่หลากหลายตั้งแต่สีสำหรับผ้าประเภทต่างๆไปจนถึงตัวป้องกันที่ตกแต่งชิ้นส่วนโลหะในสิ่งที่เรียกว่าการชุบโครเมี่ยมซึ่งสามารถทำด้วยโลหะบริสุทธิ์หรือด้วยสารประกอบ Cr (III) หรือ Cr (VI)

ตัวอย่างเช่นโครมิกฟลูออไรด์ (CrF ₃ ) ใช้เป็นสีสำหรับผ้าขนสัตว์ โครมิกซัลเฟต (Cr ₂ (SO ₄ ) ₃ ) ใช้ในการเคลือบสีเซรามิกสีหมึกเคลือบเงาและยังใช้กับโลหะโครเมี่ยม และโครมิกออกไซด์ (Cr ₂ O ₃ ) ยังพบการใช้งานในกรณีที่ต้องการสีเขียวที่น่าดึงดูด

ดังนั้นแร่โครเมียมใด ๆ ที่มีสีเข้มอาจถูกกำหนดให้เปื้อนโครงสร้างได้ แต่หลังจากนั้นความจริงก็เกิดขึ้นว่าสารประกอบเหล่านี้เป็นอันตรายหรือไม่ต่อสิ่งแวดล้อมหรือต่อสุขภาพของแต่ละบุคคล

ในความเป็นจริงคุณสมบัติที่เป็นพิษของมันถูกใช้เพื่อรักษาไม้และพื้นผิวอื่น ๆ จากการโจมตีของแมลง

ในโครเมี่ยมหรือโลหะวิทยา

นอกจากนี้ยังมีการเพิ่มโครเมียมจำนวนเล็กน้อยลงในเหล็กเพื่อเสริมสร้างความแข็งแกร่งจากการเกิดออกซิเดชั่นและเพื่อเพิ่มความเงางาม เนื่องจากมีความสามารถในการสร้างคาร์ไบด์สีเทา (Cr ₃ C ₂ ) ซึ่งมีความทนทานสูงเมื่อทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศ

เนื่องจากโครเมี่ยมสามารถขัดกับพื้นผิวมันได้ดังนั้นโครเมี่ยมจึงมีการออกแบบและสีเงินเป็นทางเลือกที่ถูกกว่าสำหรับวัตถุประสงค์เหล่านี้

โภชนาการ

บางคนถกเถียงกันว่าโครเมียมถือได้ว่าเป็นองค์ประกอบสำคัญหรือไม่นั่นคือสิ่งที่ขาดไม่ได้ในอาหารประจำวัน มีอยู่ในอาหารบางชนิดที่มีความเข้มข้นน้อยมากเช่นใบเขียวและมะเขือเทศ

ในทำนองเดียวกันมีอาหารเสริมโปรตีนที่ควบคุมการทำงานของอินซูลินและส่งเสริมการเติบโตของกล้ามเนื้อเช่นเดียวกับโครเมียมโพลีนิโคติเนต

มันตั้งอยู่ที่ไหน?

ที่มา: Pixabay

โครเมียมพบได้ในแร่ธาตุและอัญมณีหลายชนิดเช่นทับทิมและมรกต แร่ธาตุหลักที่นำโครเมียมมาสกัดคือโครเมียม (MCr ₂ O ₄ ) โดยที่ M สามารถเป็นโลหะอื่นใดที่เกี่ยวข้องกับโครเมียมออกไซด์ เหมืองเหล่านี้มีอยู่มากมายในแอฟริกาใต้อินเดียตุรกีฟินแลนด์บราซิลและประเทศอื่น ๆ

แหล่งที่มาแต่ละแหล่งมีโครเมียมอย่างน้อยหนึ่งตัวแปร ด้วยวิธีนี้ในแต่ละ M (Fe, Mg, Mn, Zn และอื่น ๆ ) จะมีแร่โครเมียมที่แตกต่างกันเกิดขึ้น

ในการสกัดโลหะจำเป็นต้องลดแร่นั่นคือทำให้ศูนย์โลหะโครเมียมได้รับอิเล็กตรอนโดยการกระทำของตัวรีดิวซ์ ทำด้วยคาร์บอนหรืออลูมิเนียม:

FeCr ₂ O ₄ + 4C => Fe + 2Cr + 4CO

นอกจากนี้ยังพบโครไมท์ (PbCrO ₄ )

โดยทั่วไปแล้วในแร่ธาตุใด ๆ ที่ไอออน Cr ³⁺สามารถใช้แทน Al ³⁺ได้ทั้งที่มีรัศมีไอออนิกใกล้เคียงกันเล็กน้อยจะก่อให้เกิดสิ่งเจือปนที่ส่งผลให้เกิดแหล่งธรรมชาติอื่นของโลหะที่น่าอัศจรรย์ แต่เป็นอันตรายนี้

อ้างอิง

1. Tenenbaum E. โครเมียม นำมาจาก: chemistry.pomona.edu
2. วิกิพีเดีย (2018) โครเมียม. นำมาจาก: en.wikipedia.org
3. Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (6 เมษายน 2561). ความแตกต่างระหว่าง Chrome และ Chromium คืออะไร นำมาจาก: thoughtco.com
4. NV Mandich (1995). เคมีของโครเมียม . นำมาจาก: citeseerx.ist.psu.edu
5. เคมี LibreTexts เคมีของโครเมียม นำมาจาก: chem.libretexts.org
6. ซาอูล 1. Shupack. (1991) เคมีของโครเมียมและปัญหาการวิเคราะห์ผลลัพธ์บางประการ บทวิจารณ์จาก: ncbi.nlm.nih.gov
7. Advameg, Inc. (2018) โครเมียม. นำมาจาก: chemistryexplained.com