الكروم: خصائص العنصر واستخداماته

الوصف

ينتمي الكروم إلى فئة الفلزات الانتقالية، والتي تشتهر في الغالب بصلابتها ومقاومتها للتآكل وخصائصها المعدنية اللامعة. ويستخدم الكروم بشكل كبير في معظم الصناعات، بدءاً من إنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ إلى استخدامه في الطلاءات الواقية وتصنيع المواد الكيميائية المتخصصة. يتميز الكروم بمقاومته للتلطيخ بسبب تكوين طبقات الأكسيد الواقية؛ ومن ثم، فهو مادة لا غنى عنها في صناعة الطيران والسيارات والتصنيع.

الكروم العنصر

ينتميالكروم، ذو الرقم الذري 24، إلى الفلزات الانتقالية ويندرج تحت المجموعة 6 من الجدول الدوري. اكتُشف الكروم في عام 1797 على يد كيميائي فرنسي يُدعى لويس-نيكولا فوكيلين. وعادة ما يوجد في الطبيعة كجزء من معدن الكروميت، FeCr₂O₄O₄. ويحظى هذا العنصر بتقدير كبير لصلابته ومقاومته للتآكل وبريقه المعدني المذهل. يُستخدم الكروم بشكل خاص في صناعة مواد متينة ومقاومة للتآكل البيئي، مما يجعله ضرورياً لمجموعة متنوعة من العمليات الصناعية.

وصف الخواص الكيميائية

الكروم عنصر متعدد الاستخدامات مع اختلافات كبيرة في خواصه الكيميائية؛ وتكمن قيمته في مجموعة واسعة من تطبيقاته الصناعية:

• حالات الأكسدة: تتراوح حالات تأكسد الكروم من -2 إلى +6. من بينها، الأكثر استقرارًا وشيوعًا هي +2 و+3 و+6. عادة ما يكون الكروم في حالة +3 مستقرًا، في حين أن حالة +6، أو سداسي التكافؤ الكروم، شديدة السمية ومسرطنة.
• التفاعلية: يتحد الكروم بسهولة مع الأكسجين في الهواء لتكوين طبقة أكسيد رقيقة واقية Cr₂O₃، مما يساعد على منع المزيد من الأكسدة. طبقة الأكسيد هذه ضرورية لمقاومة الكروم للتآكل. كما يمكن أن يتحد مع الكبريت والهالوجينات لإعطاء مركبات مختلفة مثل كبريتيد الكروم وهاليدات الكروم.
• سلوك الحمض والقاعدة: يعتبر Cr₂O₃O₃ مذبذبًا؛ أي أنه يمكن أن يتفاعل مع كل من الأحماض والقواعد. تُمكِّن هذه الخاصية مركبات الكروم من المشاركة في مجموعة واسعة من التفاعلات الكيميائية، ومن ثم فائدتها في الحفز أو غير ذلك في العمليات الصناعية.
• السمية: في حين أن الكروم +3 التكافؤ هو عنصر أساسي بكميات ضئيلة لصحة الإنسان، فإن حالة الأكسدة +6 سامة ومسرطنة، خاصة في التطبيقات الصناعية. يمكن أن يحدث التعرض ل Cr⁶⁺⁺ التعرض للكروم عن طريق الاستنشاق أو الابتلاع أو ملامسة الجلد وينطوي على مخاطر صحية خطيرة.

جدول بيانات الخواص الفيزيائية

إنه معدن ثقيل وصلب وفضي ذو درجة انصهار وغليان عالية جداً ، مما يجعله مثالياً للاستخدام في الصناعة في درجات الحرارة العالية. بعض الخواص الفيزيائية الرئيسية مبوبة أدناه:

يمكن العثور على مزيد من المعلومات في Stanford Advanced Materials.

الاستخدامات الشائعة للكروم

إن هذا المزيج الخاص من الخصائص الفيزيائية والكيميائية يجعل الكروم لا غنى عنه في مختلف الصناعات. تشمل أبرز استخدامات الكروم ما يلي:

• إنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ: يعتبر الكروم عنصر سبائك مهم للغاية في إنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ، مما يتيح مقاومة لا مثيل لها للتآكل والتلطيخ. يتراوح محتوى الكروم عادةً بين 10% و30% في الفولاذ المقاوم للصدأ، ويشكل طبقة أكسيد سلبية تحمي الفولاذ من الصدأ والتلطيخ. وقد وجد هذا الفولاذ مجالاً واسعاً للاستخدام في منتجات تتراوح من أدوات المطبخ والأدوات الطبية إلى البناء والفضاء.
• طلاء الكروم: يُستخدم الكروم بشكل شائع جداً في الطلاء الكهربائي لإضفاء لمسة نهائية لامعة ومتينة ومقاومة للتآكل. يُستخدم طلاء الكروم عادةً على قطع غيار السيارات والأجهزة المنزلية وتركيبات السباكة وأدوات الزينة. وهذا يعزز من المظهر الجمالي والمتانة لهذه المنتجات.
• الأصباغ والأصباغ: تُستخدم مركبات الكروم، بما في ذلك أكسيد الكروم (Cr₂O₃ )، كأصباغ للدهانات والأصباغ والأحبار. أصفر الكروم، PbCrO₄₄، هو الصباغ المعروف المستخدم في صناعة الدهانات الصفراء الزاهية. ويُستخدم أكسيد الكروم الأكثر ثباتًا في صناعة الأصباغ الخضراء في طلاء السيراميك والبلاستيك.
• السبائك: يستخدم الكروم في عدد من السبائك عالية الأداء في التطبيقات الصناعية والفضائية والعسكرية. على سبيل المثال، يتم خلط الكروم مع النيكل والحديد لصنع سبائك فائقة تستخدم في شفرات التوربينات والمحركات وأنظمة العادم. تُظهر هذه السبائك درجة عالية للغاية من المقاومة ضد الحرارة والتآكل، مما يجعلها مناسبة للظروف القاسية.
• الحفاظ على الخشب: تُستخدم مركبات الكروم، وعلى الأخص المعالجة بزرنيخات النحاس المطلي بالكروم، في معالجة الأخشاب لجعلها مقاومة للتسوس والفطريات وهجوم الحشرات. وبسبب هذه المقاومة، يجد الخشب المعالج بزرنيخ النحاس الكروماتي الكثير من الاستخدامات في الهياكل الخارجية، مثل الأسوار والتزيين وكذلك في أعمدة الكهرباء.

طرق التحضير

الطريقة الرئيسية لاستخلاص الكروم هي تفاعل الألمنيوم الحراري؛ والخام المستخدم بشكل عام هو الكروميت، FeCr₂O₄O₄. في هذه العملية، يتم خلط الكروميت مع مسحوق الألومنيوم وتسخينه، مما يؤدي إلى اختزال أكسيد الكروم لإنتاج الكروم المعدني. ويمكن أيضاً إنتاج الكروم من خلال التحليل الكهربي لكلوريد الكروم في الملح المنصهر؛ وتستخدم هذه العملية في التطبيقات عالية النقاء. وفي حين أن هذه الطرق تستهلك الكثير من الطاقة، إلا أنها توفر إمدادات موثوقة للغاية من الكروم للاستخدام الصناعي.

المنتجات الصناعية ذات الصلة

يستخدم الكروم في تصنيع العديد من المنتجات الصناعية:

• الفولاذ المقاوم للصدأ: يعتبر الكروم، عادةً مع النيكل والموليبدينوم، أساس الفولاذ المقاوم للصدأ، والذي يستخدم في كل شيء من معالجة الأغذية إلى البناء والأدوية.
• سبائك الكروم: تُستخدم سبائك الكروم في التطبيقات التي تتطلب قوة عالية ومقاومة للحرارة والصلابة. ويمكن رؤية أمثلة على ذلك في مكونات مثل شفرات التوربينات وأجزاء المحركات ومكونات الآلات الثقيلة.
• كيماويات الكروم: يُعد تصنيع المواد الكيميائية مجالاً مهماً آخر حيث يُعد الكروم مادة خام رئيسية. ويشمل ذلك أملاح الكروم وثاني أكسيد الكروم المستخدم في وسائط التسجيل المغناطيسي وغيرها من المركبات المتخصصة. وتُستخدم في عدة مجالات تتراوح بين دباغة الجلود ومعالجة المياه وعمليات الطلاء الكهربائي.

الأسئلة المتداولة

ما هي استخدامات الكروم في الحياة اليومية؟

تشمل استخدامات الكروم بشكل أساسي إنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ لأدوات المطبخ وأدوات المائدة والأدوات الطبية والآلات الصناعية. كما يُستخدم في الطلاء بالكروم لقطع غيار السيارات والأدوات المنزلية والتشطيبات الزخرفية.

كيف يتم استخلاص الكروم؟

ينطوي استخلاص الكروم من خام الكروميت على تفاعل الألمنيوم الحراري للخام مع مسحوق الألمنيوم، الذي يتم تسخينه لاختزال أكسيد الكروم إلى كروم معدني. علاوة على ذلك، تم تطوير طرق التحليل الكهربائي المختلفة لإنتاج كروم أنقى من الكروم.

ما سبب خطورة الكروم؟

الكروم مادة سامة ومسرطنة، خاصةً في شكله سداسي التكافؤ (Cr⁶⁺⁺). وهو يمثل مخاطر صحية عند استنشاقه أو ابتلاعه. إن التعرض الصناعي لهذا العنصر شائع جداً وبالتالي يجب تنفيذ الاحتياطات المناسبة أثناء التعامل مع مركبات الكروم في السياق الصناعي.

هل يلعب الكروم دوراً أساسياً في صحة الإنسان؟

نعم، الكروم ثلاثي التكافؤ (Cr³⁺) هو عنصر أساسي يلعب دوراً في تنظيم عملية أيض الجلوكوز. ومع ذلك، فهو ضروري بكميات صغيرة فقط ونقصه نادر الحدوث.

ما هو المصدر الرئيسي للكروم؟

يُشتق معظم الكروم من خام الكروميت، ويوجد بشكل رئيسي في دول جنوب أفريقيا والهند وكازاخستان وتركيا. هذه البلدان هي المنتجين الرئيسيين لخام الكروميت في العالم.