Chrom
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Grundlagen zum Thema Chrom
Chrom – Chemie
Chrom macht die Welt der Metalle schöner. Es begegnet uns im Alltag bei glänzend verchromten Felgen oder im Bad an den verchromten Armaturen.
Was ist Chrom? – Definition
Eine kurze Definition für Chrom kann so formuliert werden: Chrom ist das chemische Element mit dem Symbol $Cr$. Es ist ein Metall und zeichnet sich durch seine besonders farbenfrohen chemischen Verbindungen aus. Der Name Chrom leitet sich von dem altgriechischen Wort chroma ab und bedeutet übersetzt farbig. Die Wortschöpfung beruht auf den farbenfrohen Chromsalzen.
Entdeckung und Vorkommen von Chrom
1797 gelang dem französischen Chemiker Louis-Nicolas Vauquelin erstmals die Darstellung des elementaren Chroms aus der Reduktion von Chromerzen mit Holzkohle. Der deutsche Arzt Johann Gottlob Lehmann entdeckte bereits 1763 im Ural ein Chrommineral, das er „Rotbleierz“ nannte.
In der Natur liegt Chrom nur in gebundener Form vor. Zur Chromgewinnung wird heute das Mineral Chromit ($FeCr_2O_4$) im Tagebau abgebaut.
Die Stellung von Chrom im Periodensystem
Das Element Chrom hat im Periodensystem der Elemente die Ordnungszahl 24 und gehört zu den Elementen der 6. Nebengruppe, die auch als Chromgruppe bezeichnet wird. Damit gehört Chrom zu den Metallen. In chemischen Reaktionen mit anderen Elementen kann Chrom bis zu sechs Elektronen abgeben. Seine wichtigsten Oxidationszahlen sind $+II$, $+III$ und $+VI$, wobei $+III$ die beständigste ist.
Chrom – Eigenschaften
| Steckbrief Chrom | |
|---|---|
| $\text{Atommasse}$ | $52~\frac{g}{mol}$ |
| $\text{Dichte}$ | $\rho = 7,14 \frac{g}{cm^{3}}$ |
| $\text{Schmelzpunkt}$ | $\text{Smp.} = 1.907 ^\circ\text{C}$ |
| $\text{Siedepunkt}$ | $\text{Sdp.} = 2.482^\circ\text{C}$ |
| $\text{Härte}$ | $\text{sehr hart, auf der Mohshärte-Skala:}~8,5$ |
| $\text{Farbe}$ | $\text{silbrig-metallisch glänzend}$ |
Chrom gehört mit seiner relativ hohen, mit Zink vergleichbaren Dichte zu den Schwermetallen. Sein Schmelzpunkt ist höher als der von Eisen. Chrom ist aber ebenso wie Eisen formbar und schmiedbar. Es hat eine für Metalle sehr hohe Härte auf der Mohshärte-Skala und ist damit fast so hart wie der Edelstein Rubin.
Passivierung bei Chrom
Chrom reagiert mit Säuren wie Salzsäure ($HCl$) oder Schwefelsäure
($H_2SO_4$). Dagegen reagiert es nicht mit konzentrierter Salpetersäure
($HNO_3$), ja noch nicht einmal mit Königswasser, einem Gemisch aus konzentrierter Salzsäure und konzentrierter Salpetersäure, das sonst sogar die Edelmetalle Gold und Platin auflösen kann.
Der Grund liegt darin, dass es bei dem unedlen Metall Chrom – ähnlich wie bei Aluminium – zu einer Passivierung kommt. Bei der Passivierung bildet sich an der Oberfläche des Metalls eine Oxidschicht aus, die vor weiterer Reaktion schützt.
Chrom im Körper
Es wird vermutet, dass Verbindungen mit Chrom in der Oxidationsstufe $+III$ bei einigen Stoffwechselvorgängen eine Rolle spielen. Jedenfalls sind Chrom(III)-Verbindungen nicht giftig. Dagegen sind Chrom(VI)-Verbindungen sehr giftig, denn sie wirken mutagen, das heißt, dass sie die DNA schädigen können. Eine dauerhafte Belastung mit Stäuben von
Chrom – Herstellung
Chrom wird aus dem Mineral Chromit ($FeCr_2O_4$) in mehreren, energieaufwendigen Reaktionsschritten gewonnen:
erster Schritt: oxidativer Aufschluss. Dabei wird das unlösliche Mineral Chromit mit Natriumcarbonat ($Na_2CO_3$) und Sauerstoff bei hohen Temperaturen in das lösliche Natriumchromat ($NaCrO_4$) überführt. Als Nebenprodukte entstehen Eisenoxid ($Fe_2O_3$) und Kohlenstoffdioxid:
$4 ~FeCr_2O_4 + 8 ~Na_2CO_3 + 7 ~O_2 \xrightarrow{1200 °C}$
$8 ~NaCrO_4 + 2 ~Fe_2O_3 + 8 ~CO_2$zweiter Schritt: Reaktion mit Schwefelsäure. Dabei reagiert das Natriumchromat ($NaCrO_4$) mit Schwefelsäure ($H_2SO_4$) zu Natriumdichromat ($Na_2Cr_2O_7$), Natriumsulfat ($Na_2SO_4$) und Wasser:
$2 ~Na_2CrO_4 + H_2SO_4 \longrightarrow Na_2Cr_2O_7 + Na_2SO_4 + H_2O$dritter Schritt: Reduktion. Das Chrom(VI) in Natriumdichromat wird mit Kohlenstoff ($C$) zu Chrom(III) in Chromoxid ($Cr_2O_3$) reduziert. Dabei entstehen als Nebenprodukte Natriumcarbonat und Kohlenstoffmonoxid:
$Na_2Cr_2O_7 + 2 ~C \longrightarrow Cr_2O_3 + Na_2CO_3 + CO$Vierter Schritt: alumothermische Reduktion. Das Chrom(III) in Chromoxid wird mit Aluminium ($Al$) zum elementaren Chrom reduziert:
$Cr_2O_3 + 2 ~Al \longrightarrow 2 ~Cr + Al_2O_3$
Der letzte Reduktionsschritt kann nicht – wie bei anderen Metallen – mit Kohlenstoff erfolgen, da dann nach $Cr + C \longrightarrow CrC$ Chromcarbid entsteht.
Verwendung von Chrom
- Chrom wird bei der Verchromung anderer Metalle eingesetzt. Bei der Oberflächenveredelung werden Bauteile aus Stahl, Roheisen, Kupfer oder Aluminium in einem galvanischen Verfahren verchromt. Man erreicht dadurch einen guten Korrosionsschutz und ein glänzendes Aussehen. Kunststoffprodukte bekommen bei der Dekorverchromung einen metallischen Überzug aus Chrom.
- Bei der Chromatierung lässt man Werkstücke aus Zink mit Chromsäure ($H_2CrO_4$) reagieren. Dabei bildet sich an der Oberfläche eine schützende Schicht aus Zinkchromat ($ZnCrO_4$) aus.
- Zahlreiche Chromverbindungen werden als Pigment bei der Herstellung von Farben genutzt. So dient Chrom(III)-oxid ($Cr_2O_3$) als Emaillefarbe und erzeugt den Farbton Kölner Brückengrün. Für das klassische Postgelb oder Chromgelb hat man früher als Pigment das Bleichromat
($PbCrO_4$) genutzt, welches leider giftig ist. - In der organischen Synthese ist Kaliumdichromat ($K_2Cr_2O_7$) ein wichtiges Oxidationsmittel, beispielsweise bei der Oxidation von Alkoholen zu Aldehyden.
- Viele Gerbstoffe bei der Gerbung von Leder bestehen aus
Chrom(III)-Verbindungen .
Hinweise zum Video
Das Video gibt dir eine Übersicht zum Element Chrom, seinen Eigenschaften und Verwendungen. Um die Inhalte zu verstehen, solltest du schon über Vorkenntnisse in Chemie verfügen und dich bei der Oxidation und Reduktion gut auskennen, ebenso in den Themen Basen, Säuren und Salze.
Du findest hier auch Übungen und Arbeitsblätter. Beginne mit den Übungen, um gleich dein umfangreiches Wissen über Chrom aus dem Video zu testen.
Transkript Chrom
Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um Chrom. Das Video gehört zur Reihe Elemente. An Vorkenntnissen solltest Du den Chemieabschluss der 11. Klasse mitbringen. Mein Ziel ist es, Dir einen Überblick über das chemische Element Chrom und seinen Verbindungen zu vermitteln.
Der Film wurde in 7 Abschnitten unterteilt. 1. Geschichte 2. Stellung im Periodensystem der Elemente 3. Eigenschaften 4. Physiologie 5. Herstellung 6. Verwendung und 7. Ausblick 1. Geschichte Im Jahre 1761 fand man im Ural ein interessantes Mineral. Der Entdecker dieses Minerals war Johann Gottlieb Lehmann. Das Mineral bezeichnete er als Rotbleierz. 1770 fast an gleicher Stelle fand Peter Simon Pallas das gleiche Mineral. Er bezeichnete es als Krokoit. Die Entdeckung eines neuen Elementes gelang 1798 dem französischen Chemiker Louis-Nicolas Vaquelin. Er nannte es Chrom. Es war ein neues Metall. Chroma stammt aus dem griechischen und bedeutet Farbe. Damit wird auf die Farbigkeit der Verbindungen des Chroms angespielt. 2.Stellung im Periodensystem der Elemente Im Periodensystem der Elemente befindet sich das Element Chrom etwa an dieser Stelle. Es ist Element der VI. Nebengruppe. Als Nebengruppenelement ist es ein Metall. Chrom hat das chemische Symbol CA. Die wichtigsten Oxidationszahlen in den chemischen Verbindungen sind +2, +3 und +6. +3 kommt am häufigsten vor. 3. Eigenschaften Chrom ist ein silbrig metallisches Metall. Chrom ist ein Schwermetall. Es hat eine Dichte von 7,14 g/cm³. Damit liegt es unterhalb der Dichte von Kupfer, hat etwa die gleiche Dichte wie Zink und im Vergleich zu Titan und Aluminium ist es schwerer. Chrom ist ein sehr hartes Metall. Nach Mohs besitzt es eine Härte von 8,5. Damit ist Chrom fast so hart wie der Edelstein Rubin. Chrom ist hoch schmelzend bei 1907 °C. Damit schmilzt es erheblich höher als Eisen. Chrom ist zäh, formbar, schmiedbar. Obwohl selbst unedel bildet Chrom an der Oberfläche eine Oxidschicht. Chrom reagiert mit Säuren wie Salzsäure oder Schwefelsäure. Mit konzentrierter Salpetersäure findet keine Reaktion statt. Auch das Gemisch aus konzentrierter Salzsäure und konzentrierter Salpetersäure, kurz Königswasser genannt, reagiert nicht. Es kommt zur Passivierung. An der Oberfläche des Metalls bildet sich wieder eine Oxidschicht, die zum Schutz vor weiterer Zersetzung führt. 4. Physiologie und Toxikologie Zum einem hat man Chrom(III) Verbindungen zu betrachten, in denen Chrom formal stets als Chrom(III) Ion enthalten ist. Es gibt Argumente dafür und dagegen, dass diese Teilchen am Kohlenhydrat und Fettstoffwechsel beteiligt sind. Einmal sind Chrom(III) Verbindungen von Hause aus weniger giftig als andere Chromverbindungen. Der Mensch sollte täglich etwa 30µg pro Tag an Chrom aufnehmen. Das ist eine Empfehlung der Vereinigten Staaten von Amerika. Eine Vielzahl von Chrom liegt als Chrom(VI) Verbindungen vor. Dazu zählt Kaliumdichromat. Chrom(VI) Verbindungen sind äußerst giftig. Sie wirken mutagen und zerstören die DNS. Stäube können zu Lungenkrebs führen. 5. Herstellung Ausgangsstoff für die Chromherstellung ist das Mineral Chromit. Zunächst ein Mal muss das Mineral vom tauben Gestein befreit werden. Danach folgt ein oxidativer Aufschluss. Chromit wird durch Soda in Anwesenheit durch Sauerstoff aufgeschlossen. Die Reaktionstemperatur beträgt 1200 °C. Es entstehen Natriumchromat, Eisen(III)-Oxid und Kohlenstoffdioxid. Das Reaktionsgemisch wird nun mit heißem Wasser extrahiert und mit Schwefelsäure versetzt. Es entstehen Natriumbicromat, Natriumsulfat und Wasser. Natriumbicromat wird nun mit Kohlenstoff reduziert. Als Nebenprodukte entstehen Natriumkarbonat, Wasser und Kohlenstoffmonoxid. Hauptprodukt ist Chrom(III)-Oxid. Nun schließt sich eine Reduktion mit Aluminium an. Chrom(III)-Oxid wird mit Aluminium reduziert, es bildet sich Chrom und Aluminiumoxid entsteht. Bemerkenswert ist, dass Kohle für die Reduktion ungeeignet ist. Chrom reagiert nämlich mit Kohlenstoff zum Chromcarbid. 6. Verwendung Viele Teile werden aus Massivchrom gefertigt oder verchromt. Nehmen wir dieses hübsche Chromteil oder diesen Handrasierer, die Lupe, verchromte Felgen oder Armaturen. Chrom spielt eine große Rolle bei der Oberflächenveredlung. Das Metall wird für das Aufbringen galvanischer Überzüge verwendet. Man kann Stahl, Gusseisen, Kupfer und mit gewisser Vorbereitung auch Aluminium verchromen. Chrom hat Bedeutung bei der Dekorverchromung. Dekorverchromung kann auch für Kunststoffe verwendet werden und schließlich die Chromatierung. Chromsäure ätzt die Oberfläche von Zink an und es kommt zu Oberflächen schützenden Zink-Chromatbildung. Und nun noch einige wichtige Verbindungen: Chrom(III)-Oxid Cr2O3 verwendet wird es vorrangig für Emaillefarbe. Man nennt es auch Kölner Brückengrün. Bleichromat, die Farbe hat ausgezeichnetes Deckungsvermögen und Lichtstabilität, wenn sie nur nicht giftig wäre. Auf dem Zinit ihrer Verwendung nannte man sie Chromgelb oder Postgelb. Chrom(IV)-Oxid, CrO2 wurde und wird für die Fertigung von Magnetbändern verwendet. Kaliumbicromat, es ist ein kräftiges Oxidationsmittel. Alkohole können zu Aldehyden oxidiert werden. 7. Ausblick Auch nach dem Ausschluss der giftigen Chromverbindungen aus dem Bereich der Anwendung wird die Bedeutung des Elements Chrom auch in Zukunft nicht abnehmen.
Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute, auf Wiedersehen.
Chrom Übung
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Beschreibe das Element Chrom.
TippsChrom besitzt zahlreiche farbige Verbindungen.
Chrom ist ein Metall, welches für zahlreiche Anwendungsprodukte aufgrund seiner Formbarkeit genutzt wird.
LösungChrom ist ein silbrig, metallisch glänzendes Metall. Es steht in den Nebengruppen im Periodensystem der Elemente. Abgekürzt wird es mit dem Symbol $Cr$.
Chrom wurde 1761 in Verbindungen im Ural entdeckt. Erst Vaquelin 1798 konnte Chrom als eigenes Element entdecken. Er nannte es Chrom, was von Chroma (gr. farbig) stammt.
Chrom ist sehr hart, beinahe so hart wie der Rubin. Auf der Skala nach Mohs liegt die Härte bei 8,5. Für Anwendungen ist das Metall sehr gut geeignet, da es schmiedbar und formbar ist. Chromüberzüge sind weit verbreitet. Chrom ist ebenfalls wie Blei ein Schwermetall. -
Benenne die Schritte zur Herstellung von elementarem Chrom.
TippsDas Gestein, aus welchem Chrom gewonnen werden kann, heißt Chromit ($FeCr_{ 2 }{ O }_{ 4 }$).
Die Reduktion mit Kohlenstoff dient dem ersten Schritt der Reduktion des Chroms. Es entsteht unter anderem Chromoxid ($Cr_2O_3$).
LösungDas Nebengruppenmetall Chrom kommt nicht elementar auf der Erde vor. Daher muss es aus Gestein, welches Chrom gebunden in einer chemischen Verbindung enthält, herausgelöst werden.
1. Als Ausgangsgestein dient das Chromit, ein Gemisch aus Eisen, Chrom und Sauerstoff, als Basis. Diese Verbindung wird von taubem Gestein befreit und anschließend wird das Chromat bis zum Chromat oxidiert.
2. Im zweiten Schritt wird das entstandene Chromat mit heißem Wasser extrahiert und anschließend mit Schwefelsäure ins Dichromat überführt.
3. Nun, nachdem man das Dichromat erhalten hat, wird dieses mit Kohlenstoff wieder reduziert. Es entsteht Chrom(III)oxid.
4. In einem letzten Schritt muss das Chromoxid mittels aluminiumthermischer Reduktion zu reinem Chrom und dem entsprechenden Aluminiumoxid überführt werden.
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Gib die Oxidationszahlen von Chrom an.
TippsReine Elemente haben die OZ 0.
Sauerstoff hat in fast allen Verbindungen die OZ -2.
Alle Verbindungen dieser Aufgabe sind elektrisch neutral. Die Summe aller Oxidationszahlen der Elemente einer Verbindung muss also 0 ergeben.
LösungChrom hat als Metall der Übergangsgruppe die Möglichkeit, verschiedene Oxidationszahlen anzunehmen und so verschiedene ionische Verbindungen zu bilden. Chrom nimmt die OZ 0, +2, +3, +4 und +6 an.
Da Chromverbindungen oftmals farbig sind, wurden sie als Farbstoffe und Pigmente verwendet. Hierbei kann besonders das Kölner Brückengrün $Cr_{ 2 }{ O }_{ 3 }$ und das Postgelb $(PbCrO_4)$ genannt werden. Beide Stoffe sind allerdings inzwischen aufgrund ihrer Toxizität durch andere Farbstoffe ersetzt worden.
Ebenfalls farbig ist das Kaliumdichromat $(K_2Cr_2O_{7})$ , in dem Chrom in der Oxidationsstufe +6 vorkommt. Dieses ist ein äußerst starkes Oxidationsmittel und liegt im Gleichgewicht mit dem einfachen Chromation $({CrO_4}^{2-})$ vor.
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Vervollständige die Reaktionen von Chrom.
TippsSalzsäure nennt man auch Chlorwasserstoffsäure.
Das Tetrahydroxochromat-Ion hat folgende Formel: $[Cr(OH{ ) }_{ 4 }]^{ 2- }$.
LösungChrom kann eine Vielzahl von Reaktionen eingehen:
Chrom wird als Metall für Überzüge aller Art, etwa bei Armaturen genutzt, da es nicht anläuft. Ein Gegenbeispiel wäre hier reines Eisen, welches mit dem Luftsauerstoff auf Dauer reagiert und rostet. Dennoch kann Chrom mit Sauerstoff zu Chrom(III)oxid reagieren, wenn etwa erhöhte Temperaturen (400°C) vorliegen.
Mit Säuren und Basen reagiert Chrom, bis auf einige Ausnahmen wie etwa die Salpetersäure, da sich eine schützende Schicht bildet. Mit konzentrierter Salzsäure entsteht Chrom(III)chlorid sowie Wasserstoff, der mittels der Knallgasprobe nachgewiesen werden kann.
Die Reaktion mit Schwefelsäure ist sehr heftig. Es entsteht hier auch ein Gas: Schwefeldioxid.
Mit Basen reagiert Chrom ebenfalls: Es bildet sich Natrium-Tetrahydroxochromat und Wasserstoff. Chrom kann gegen den Einfluss von Säuren und Basen durch ein Chromat-Bad passiviert werden. -
Gib an, welche Produkte Chrom enthalten.
TippsChromüberzüge haben einen starken Glanz.
Verchromte Felgen sind bei vielen Menschen beliebt.
LösungChrom ist ein Schwermetall, welches im PSE in der Chrom-Nebengruppe zu finden ist. Es besitzt die Massezahl 24 und ist im reinen Zustand silberweiß. Zu seinen weiteren Eigenschaften zählen Korrosionsbeständigkeit, Formbarkeit und Anlaufbeständigkeit.
Diese Eigenschaften macht man sich bei der Herstellung von Chromprodukten zunutze, indem man Chrom besonders oft für die Oberflächenveredelung einsetzt. Es ist einerseits nicht so teuer wie Silber, andererseits ist es anlaufbeständig. Chromspiegel sind weit verbreitet, ebenso wie auffällige Chromfelgen bei Autos oder verchromte Armaturen in der Küche und im Bad.
Chrom kann ebenfalls aufgrund seiner zahlreichen farbigen Verbindungen genutzt werden, um Pigmente für Lacke und Farben herzustellen. So können Chromverbindungen die Farben Grün, Gelb und Rot annehmen. Aufgrund der Giftigkeit vieler Chromverbindungen sind die meisten heute aber in Farben verboten.
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Ordne die Metalle der Nebengruppe ins Periodensystem der Elemente ein.
TippsIn der Chromgruppe befinden sich außerdem Molybdän und Wolfram.
Die Gruppe der Edelmetalle wie Gold und Kupfer befindet sich an 11. Stelle.
Direkte Nachbarn des Eisen sind Cobalt und Mangan.
Die Dichte steigt in der Chromgruppe an. Die Dichte von Wolfram beträgt 19,25 $\frac { g }{ { cm }^{ 3 } } $, die von Chrom dagegen 7,14$\frac { g }{ { cm }^{ 3 } } $
LösungDas Periodensystem der Elemente ist ein wichtiges Utensil, um Elemente einordnen zu können. Innerhalb der Gruppen und Perioden gibt es bestimmte Tendenzen, die charakteristisch sind.
Die Hauptgruppen bilden die klassischen 8 Gruppen, die in Metalle und Nichtmetalle aufgeteilt sind. Dazwischen liegen die sogenannten Übergangsmetalle. Dies sind Elemente mit metallischem Charakter, die eine Reihe von Oxidationsstufen annehmen können. Insgesamt gibt es 12 verschiedene Nebengruppen, die allesamt den Namen des obersten Elements tragen. So heißt es etwa die Chromgruppe und nicht die Wolframgruppe. Oftmals gibt es auch in diesen Nebengruppen bestimmte Tendenzen, ähnlich wie in den Hauptgruppen.
Die relevante Chromgruppe beinhaltet Chrom, Molybdän und Wolfram. Sie sind allesamt sehr hochsiedende/schmelzende Metalle und wichtige Legierungsbestandteile. Schmelz-/Siedepunkt und Dichte nehmen innerhalb der Gruppe beständig zu. Wolfram ist das Metall mit dem höchsten Schmelzpunkt.
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