Chroom: Het element

Chroom is een heldere blauw-witte, hard en corrosiebestendig metaal. Het chroomoxide geeft voorwerpen een groenachtige tint. Het wordt op andere metalen aangebracht (chromeren) als een corrosiebestendige decoratieve laag en is een hoofdlegeringselement in staal om de mechanische eigenschappen te verbeteren en om roestvaststaal te bereiden. Andere chroom-staal legeringen worden gebruikt om hun uitstekende mechanische eigenschappen. In levende organismen bevinden zich sporen van alle metalen ook van Chroom dat van belang is voor de suiker huishouding.

Algemene eigenschappen van het element chroom

Chroomerts

De belangrijkste bron van chroom is het mineraal chromiet (FeCr2↓O4↓) gewonnen in Zuid-Afrika, Kazachstan, India en Turkije. Jaarlijks circa 15 miljoen ton chromiet uit de grond gehaald, dat ongeveer 4 miljoen ton metallisch chroom oplevert. De verbinding met veel toepassingen is chromiet, het heeft een hoge smelttemperatuur, beperkte thermische expansie en stabiele kristalstructuur. In de natuur komen drie stabiele chroom-isotopen voor. Chroom heeft als enige in zijn groep (VI b; zie periodieksysteem) meerdere oxidatietrappen: +II, +III en +VI. Het komt daarom voor in vele verbindingen; de belangrijkste zijn: chromiet FeCr2O4; chromatiet CaCrO4; crocoïet PbCrO4. Meeste zouten zijn felgekleurd en worden toegepast als pigmenten.

Chroomwinning uit chroom-erts

Chromiet (FeCr2↓O4↓) erts bevrijd van gesteente wordt bij ruim 1200°C door oxidatie ontleed:

• 4FeCr2↓O4↓ + 8Na2↓CO3↓+7O2↓ → 8Na2↓CrO4↓+2FeO3↓+8CO2↓

Natriumchromaat (Na2↓CrO4↓) wordt met zwavelzuur in Natriumdichromaat (Na2↓Cr2↓O7↓)omgezet:

• 2Na2↓CrO4↓+H2↓SO4↓ → Na2↓Cr2↓O7↓+Na2↓SO4↓+H2↓O

Natriumdichromaat kristalliseert na afkoeling. Door verdere reductie met steenkool(C) naar Chrome(III)-oxyde (CrO3):

• Na2↓Cr2↓O7↓.2H2↓O+2C→Cr2↓O3↓+Na2↓CO3↓+2H2↓O+CO

Door een aluminiumthermische reductie van Chroom(III)-oxide naar chroom (Cr):

• Cr2↓O3↓+2Al→Al2↓O3↓+2Cr

De chroomverbindingen van periodiek systeem groep VI(b) Cr,Mo,W

Cr, Mo en W vormen veel analoge verbindingen met niet-metalen, voor de staalfabrikant belangrijk omdat deze oxiden, carbiden,sulfiden en fluoriden zich vormen bij de bereiding van hoogwaardige stalen:

• Oxiden: CrO3 – MoO3 – WO3
• Carbide: Cr3C2 – Mo2C - WC
• Sulfide: Cr2 S3 – MoS2 – WS2
• Fluoride: CrF3 – MoF2 – WF6

Toepassingen van Chroom en zijn verbindingen

• Als katalysator bij chemische reacties.
• In de glasindustrie als kleurstof.
• Hoofdlegeringselement in corrosie- en hittebestendig roestvast staal en non-ferro legeringen.
• Chroom(IV) oxide wordt gebruikt als magnetisch materiaal in Compact cassettes.
• Radioactief chroom-51 wordt gebruikt in biomedische toepassingen.
• Chroomzouten, waaronder chroom(III)sulfaat, worden gebruikt in de leerlooierij.
• Passiveren van galvanische deklagen (Chromateren).
• Sierverchromen: galvanische chroomlaag van < 1 micrometer dikte, met vaak een tussenlaag uit Nickel.
• Hardverchromen: galvanisch opbringen van een maximaal 1 mm dikke slijtvaste chroomlaag direkt op staal, gietijzeren, koper.
• Loodchromaat (PbCrO4), ook gele chroom genoeg, wordt gebruikt als geel pigment in verf.
• Chroomoxide (Cr2O3), ook groene chroom genoemd, wordt gebruikt als groene verf pigment.
• (K2Cr2O7) wordt gebruikt voor leerkleuring.
• Chroomverbindingen worden gebruikt om op aluminium een beschermlaag aan te brengen.
• Verchromen beschermt het onderliggende materiaal tegen corrosie en krassen Voor goede hechting van chroomoxide aan het metaal wordt eerst een laagje nikkel van een tiental micrometers op het metaal aangebracht.
• Als legeringselement wordt het gebruikt in gereedschap en snijstalen omdat staal gelegeerd met chroom slijtvast en corrosievast is.
• Groene camouflageverf bevat verschillende pigmenten chroomoxidegroen, chroomsulfaat en chroomfosfaat,
• Voorgenoemde verbindingen worden ook in keramiek en email gebruikt
• Chroom wordt gebruikt in combinatie met nikkel in weerstandsdraden en verwarmingselementen (bv. Cr: 80%; Ni: 20%).

Invloed van het legeringselement Chroom op staal

Gezondheidseffecten van Chroom

Mensen krijgen chroom(III) binnen via het voedsel, omdat chroom(III) van nature in groenten, fruit, gisten en granen voorkomt. Chroom(III) is een onmisbare voedingsstof voor de mens en een tekort kan hartkwalen, verstoring van stofwisseling en diabetes veroorzaken, opname van teveel chroom(III) kan huiduitslag veroorzaken. Chroom(VI) is een gevaar voor werklieden in de staal- en textielindustrie. Het kan allergische reacties veroorzaken. Het inademen van chroom(VI) kan veroorzaken:

• Neusbloedingen
• Verandering in de genen
• Huiduitslag
• Maagzweren
• Verzwakt immuunsysteem
• Ademhalingsproblemen
• Lever en nierschade
• Longkanker

Chroom is irriterend voor de ogen en huid en zeswaardige Cr (V1) kan bij inwendig gebruik kankerverwekkend zijn door oxidatie van het DNA. Ook kan het door de huid diffunderen. In 1958 is door de Wereldgezondheidsorganisatie bepaalt dat in drinkwater de chroomconcentratie maximaal 0,05 mg/liter mag bedragen. De gezondheidsrisico van chroom is afhankelijk van zijn oxidatiekracht. In metaalvorm is chroom niet giftig, zeswaardig chroom echter wel (Cr(VI)). Huidcontact met zeswaardig chroom leidt toe allergische huidreacties. Inademing van zeswaardig chroom en zijn verbindingen kan verder veroorzaken zweervorming en perforatie van het slijmvlies in de neus, irritatie van keel en strottenhoofd, bronchitis en oedeem.

Carcinogeniteit

Chroom is volgens het National Toxicology Program (NTP) niet-carcinogeen, alleen zeswaardige chroomverbindingen kunnen toxisch zijn. Dit zijn calciumchromaat, chroomtrioxide, loodchromaat, strontiumchromaat en zinkchromaat. Chroom als metaal of als chroomlaag (verchromen) op andere metalen en driewaardige chroomverbindingen zijn niet kankerverwekkend. Er is speciale apparatuur (zoals de Chroom 6 detector ICP-MS) ontwikkeld die in een hoeveelheid chroom de aanwezigheid van het gevaarlijke chroom VI detecteert.

Chroom in het milieu

Chroom komt als chroom(III) en chroom(VI) voor in de lucht en de bodem.Activiteiten die de concentratie chroom(III) vergroten, zijn de productie van staal, leer en textiel. De concentratie chroom(VI) vergroot door chemische-, leer- en textielindustrieën en door chroomafval in de bodem.

Chroom in de lucht komt in water en bodem terecht, waar het wordt opgenomen door bodemdeeltjes en slib en daarmee geneutraliseerd wordt. Een fractie van de chroom neerslag lost op in het water. Chroom(III) is voor organismen onmisbaar, te weinig Cr III kan de suikerstofwisseling verstoren. CrVI is giftig voor organismen, het kan kanker veroorzaken. Planten absorberen alleen chroom III, maar als de concentraties een grens overstijgt, kunnen er toch negatieve effecten optreden.

Het galvanische bedrijf en de verfspuiter hebben jaren gewerkt met zeswaardig (Cr6+). Daarmee worden technisch goede resultaten geboekt. Cr6+ is in het productie proces van de grondstof verwerking tot aanbrengen van beschermende lagen op staal, zeer milieubelastend en als stof zeer schadelijk voor de gezondheid. Men gaat geleidelijk over op Cr3.
Alleen de verontreiniging aan chroom meten in een milieu is niet voldoende, het gaat vooral om Cr6+. Dat kan in zeer kleine hoeveelheden geregistreerd worden door recent ontwikkelde apparatuur, de ICP-MS (Inductively coupled plasma mass spectrometry; inductief gekoppeld plasma (ICP) met een massaspectrometer(MS)) voor het zeer nauwkeurig apart registreren van Cr3 en Cr6 in milieu’s, zoals afvalwater, grondwater, leidingwater enzovoort.