Круговорот хрома в окружающей среде

«Министерство сельского хозяйства Российской Федерации ФГОУ ВПО «Ижевская Государственная Сельскохозяйственная Академия» 

                              Кафедра агрохимии и почвоведения 
 

Реферат

«Круговорот хрома в окружающей среде» 
 
 
 
 
 
 

                                                Ижевск 2011

Содержание 

1 Химическая  характеристика элемента…………………………………..….3

2 Использование  элемента в промышленности…………………………...….5

3 Характеристика  содержания форм в окружающей среде…………...…….8

3.1 Мировые  запасы хрома……………………………………………..….…..8

3.2 Миграция  элемента в окружающей среде…………………………….…..8

4 Методы  анализа………………………………………………………….……9

5 ПДК  хрома и прогноз загрязнения…………………………………….……10

Список  литературы…………………………………………………………….12 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 Химическая характеристика  элемента

       Хром Cr, химический элемент VI группы периодической  системы Менделеева, атомный номер 24, атомная масса 51,996; металл голубовато-стального  цвета. Природные стабильные изотопы: 50Cr (4,31%), 52Cr (87,76%), 53Cr (9,55%) и 54Cr (2,38%). Из искусственных радиоактивных изотопов наиболее важен 51Cr (период полураспада T½ = 27,8 суток), который применяется как изотопный индикатор. Историческая справка.                         Хром открыт в 1797 году Л. Н. Вокленом в минерале крокоите - природном хромате свинца РbCrО₄. Название Хром получил от греческого слова chroma - цвет, краска (из-за разнообразия окраски своих соединений). Независимо от Воклена Хром был открыт в крокоите в 1798 году немецким ученым М. Г. Клапротом. Распространение Хрома в природе. Среднее содержание Хрома в земной коре (кларк) 8,3·10-3% . Этот элемент, вероятно, более характерен для мантии Земли, так как ультраосновные породы, которые, как полагают, ближе всего по составу к мантии Земли, обогащены Хромом (2·10-4%). Хром образует массивные и вкрапленные руды в ультраосновных горных породах; с ними связано образование крупнейших месторождений Хрома. В основных породах содержание Хрома достигает лишь 2·10-2%, в кислых - 2,5·10-3%, в осадочных породах (песчаниках) - 3,5·10-3%, глинистых сланцах - 9·10-3% . Хром - сравнительно слабый водный мигрант; содержание Хрома в морской воде 0,00005 мг/л. В целом Хром - металл глубинных зон Земли; каменные метеориты (аналоги мантии) тоже обогащены Хромом (2,7·10-1%). Известно свыше 20 минералов Хрома. Промышленное значение имеют только хромшпинелиды (до 54% Сr); кроме того, Хром содержится в ряде других минералов, которые нередко сопровождают хромовые руды, но сами не представляют практическое ценности (уваровит, волконскоит, кемерит, фуксит).

  Физические свойства Хрома. Хром - твердый, тяжелый, тугоплавкий металл. Чистый Хром пластичен. Кристаллизуется в объемноцентрированной решетке, а = 2,885Å (20 °С); при 1830 °С возможно превращение в модификацию с гранецентрированной решеткой, а = 3,69Å. Атомный радиус 1,27 Å; ионные радиусы Cr₂+ 0,83Å, Cr₃+ 0,64Å, Cr₆+0,52 Å. Плотность 7,19 г/см3; t_пл 1890 °С; t_кип 2480 °С. Хром антиферромагнитен, удельная магнитная восприимчивость 3,6·10-6.

     Химические  свойства Хрома. Внешняя электронная конфигурация атома Хрома 3d54s1. В соединениях обычно проявляет степени окисления +2, +3, +6, среди них наиболее устойчивы Сr³⁺; известны отдельные соединения, в которых Хром имеет степени окисления +1, +4, +5. Хром химически малоактивен. При обычных условиях он устойчив к кислороду и влаге, но соединяется с фтором, образуя CrF₃. Выше 600 °С взаимодействует с парами воды, давая Сr₂О₃; азотом - Cr₂N, CrN; углеродом - Сr₂₃С₆, Сr₇С₃, Сr₃С₂; серой - Cr₂S₃. При сплавлении с бором образует борид СrВ, с кремнием - силициды Cr₃Si, Cr₂Si₃, CrSi₂. Со многими металлами Хром дает сплавы. Взаимодействие с кислородом протекает сначала довольно активно, затем резко замедляется благодаря образованию на поверхности металла оксидной пленки. При 1200 °С пленка разрушается и окисление снова идет быстро. Хром загорается в кислороде при 2000 °С с образованием темно-зеленого оксида Хрома (III) Сr2О3. Помимо оксида (III), известны других соединения с кислородом, например CrO, СrО₃, получаемые косвенным путем. Хром легко реагирует с разбавленными растворами соляной и серной кислот с образованием хлорида и сульфата Хрома и выделением водорода; царская водка и азотная кислота пассивируют Хром.

     С увеличением степени окисления  возрастают кислотные и окислительные свойства Хром Производные Сr²⁺ - очень сильные восстановители. Ион Сr²⁺ образуется на первой стадии растворения Хрома в кислотах или при восстановлении Сr³⁺ в кислом растворе цинком. Гидрат закиси Сr(ОН)₂ при обезвоживании переходит в Сr2О3. Соединения Сr³⁺ устойчивы на воздухе. Могут быть и восстановителями и окислителями. Сr³⁺ можно восстановить в кислом растворе цинком до Сr²⁺ или окислить в щелочном растворе до СrО₄₂- бромом и других окислителями. Гидрооксид Сr(ОН)₃ (вернее Сr₂О₃·nН2О) - амфотерное соединение, образующее соли с катионом Сr³⁺ или соли хромистой кислоты НСrО₂ - хромиты (например, КСrО₂, NaCrO₂). Соединения Сr⁶⁺: хромовый ангидрид СrО₃, хромовые кислоты и их соли, среди которых наиболее важны хроматы и дихроматы - сильные окислители. Хром образует большое число солей с кислородсодержащими кислотами.  
 
 
 
 
 

     2 Использование элемента  в промышленности

     Использование Хрома основано на его жаропрочности, твердости и устойчивости против коррозии. Больше всего Хрома применяют  для выплавки хромистых сталей. Алюмино- и силикотермический Хром используют для выплавки нихрома, нимоника, других никелевых сплавов и стеллита.

     Значительное  количество Хрома идет на декоративные коррозионно-стойкие покрытия. Широкое  применение получил порошковый Хром в производстве металлокерамических изделий и материалов для сварочных электродов. Хром в виде иона Cr³⁺ - примесь в рубине, который используется как драгоценный камень и лазерный материал. Соединениями хрома протравливают ткани при крашении. Некоторые соли хрома используются как составная часть дубильных растворов в кожевенной промышленности; PbCrO₄, ZnCrO₄, SrCrO₄ - как художественные краски. Из смеси хромита и магнезита изготовляют хромомагнезитовые огнеупорные изделия. Соединения Хром (особенно производные Cr⁶⁺) токсичны.

     Хром, хромовые сплавы и хромовые химикалии  находят широкое применение —  от простых легирующих добавок в  металлургии до производства пигментов.

     В металлургической промышленности хром добавляется в количестве до 3% к  низколегированным сталям для улучшения механических свойств и повышения способности принимать закалку. Стали этого типа, которые могут также содержать другие элементы, например молибден, никель, марганец и ванадий, используются в изделиях высокой прочности — для пружин, роликовых и шариковых подшипников, штампов и рельсов. Стали, содержащие 5—6% хрома, имеют повышенное сопротивление коррозии и находят  применение в нефтеперерабатывающей промышленности.

     Стали, содержащие более 10% хрома, известны под  названием «нержавеющих» из-за их высокого сопротивления окислению и атмосферном коррозии. Нержавеющие стали, содержащие в качестве легирующей добавки только хром, могут быть разделены на две основные группы: 1) мартенеит-ные, способные принимать закалку; 2) ферритные, являющиеся однофазными при всех температурах и поэтому не подвергающиеся твердению в результате фазовых превращений. Другим важным типом нержавеющих сталей, также не принимающих закалку, являются аустенитные стали, которые легируются для стабилизации высокотемпературной кубической гране-центрированной модификации железа до комнатных и более низких температур.

     Высокохромистые мартенситные стали могут содержать  до 2% углерода; их восприимчивость к  термообработке зависит от содержания углерода. Высокоуглеродистые сорта (1—2% С) используются в тех случаях, когда важны твердость и стойкость на истирание; они применяются для штампов и инструментов. Низкоуглеродистые сорта (0,3% С) используются для производства ножевых изделий.

     Превосходная  коррозионная стойкость ферритных  нержавеющих сталей, содержащих около 13% хрома и 0,1% углерода, позволяет использовать их для внутренней отделки автомобилей и в химической промышленности. Стали, содержащие 25—30% хрома, обладают превосходным сопротивлением коррозии и используются во многих случаях для высокотемпературных печен.

     К стали можно добавлять никель и марганец в комбинации с хромом для получения нержавеющих сталей, из которых наиболее широко используется сталь с 18% хрома и 8% никеля. Эти  стали показывают хорошее сочетание  прочности при комнатной и повышенных температурах и сопротивления коррозии и окислению. Обычно их используют в случаях, когда требуется комбинация указанных выше свойств.

     Имеется много других направлений использования хрома в металлургии. В высокотемпературных сплавах на основе кобальта и хрома последний добавляется в количестве до 25% для увеличения прочности и стон кости против окисления. Хром добавляется к литейному чугуну для повышения его прочности и сопротивления износу или нагреву. Режущие инструменты и некоторые материалы с высоким электросопротивлением также содержат значительное количество хрома.

     Помимо  положительного эффекта, который оказывает  хром в качестве легирующей добавки, достигнуты успехи в повышении чистоты  хрома и, как следствие, пластичности, что может открыть новые области его технического применения. Возможно, что наиболее обещающей областью будущего применения хрома явится разработка сплавов на основе хрома, обладающих исключительной комбинацией сопротивления окислению и прочности при повышенных температурах. Перспективы получения пластичною высокотемпературного сплава на основе хрома, базирующиеся на последних достижениях в технологии хрома, в настоящее время являются более обнадеживающими, чем несколько лет тому назад.

     В промышленности, производящей огнеупоры, использование хромита основано на его высокой температуре плавления, умеренном тепловом расширении, стабильности кристаллической модификации при повышенных температурах и химической нейтральности. Хромитовые огнеупоры доступны в форме кирпичей и модельных форм; пластичных смесей, состоящих из увлажненных агломератов, утрамбованных на месте; смесей, приспособленных для отливки и состоящих из сухих агломератов и связующего вещества, которые после смешивания с водой могут отливаться подобно бетону; строительных растворов и цементов для кладки кирпичей. Кирпичи, приготовленные целиком из хромита, широко заменяются кирпичами, состоящими из смесей хромита и окиси магния; они обладают большей огнеупорностью, объемной стабильностью и сопротивлением растрескиванию.

     Одним из главных потребителей хромовых химикалий  является производство пигментов. Смешением  хромовых химикалий с другими  металлами и их соединениями могут  быть получены разнообразные композиции пигментов различных цветов. Около одной трети хромовых химикалий расходуется на производство пигментов.

     В текстильной промышленности хромовые химикалии используются как закрепители  при получении прочных окрасок  на шерсти и для окисления и  последующих обработок красителей на хлопчатобумажных и других тканях. Используются соединения как трех-, так и шестивалентного хрома, например основные хромовые ацетаты и хлориды, фториды хрома, бисульфаты, лактаты, броматы, оксалаты и тиоцианаты. В настоящее время для дубления почт» всех сортов кож применяются хромовые реагенты — основные сульфаты хрома, получаемые из бихромата.

     Большое количество хромовых химикалий используется для обработки поверхности металлов и борьбы с коррозией. Хром применяется  для гальванических покрытий; цементации хромом; анодирования алюминия обработки цинка и магния; нанесения покрытия погружением железа, стали, латуни и олова; в качестве ингибиторов для рассолов и для многих целей в нефтеперерабатывающей и газовой промышленности.

     Хромовые  химикалии также находят применение в качестве окислителей в производстве красителей, камфары, синтетических волокон, для отбеливания и т. д..

     3 Характеристика содержания форм в окружающей среде

     3.1 Мировые запасы  хрома

     Среднее содержание хрома в земной коре 83 г/т, по массе содержание хрома в земной коре составляет 0,035%, в воде морей и океанов 2 *10 ^-5 мг/л. Мировые подтвержденные запасы хромовых руд составляют 1,8 млрд. т. Более 60% сосредоточено в ЮАР. Крупными запасами обладают Зимбабве, Казахстан Турция, Индия, Бразилия. Руды хрома имеются в Новой Каледонии, на Кубе, в Греции, Югославии. В то же время такие промышленные страны, как Англия, Франция, ФРГ, Италия, Швеция, совершенно лишены хромового сырья, а США и Канада располагают лишь очень бедными рудами.

     Запасы  хромовых руд России сосредоточены, главным образом, в группе Сарановских месторождений (Верблюжьегорское, Алапаевское, Халиловское и др.) на Урале (Пермская область) и составляют 6,4 млн. т. (0,36%от мировых запасов). Добыча хромовых руд в мире составляет около 12 млн. т. в год, в том числе 108 тыс. т. в России. Главные производители товарной хромовой руды - ЮАР, Казахстан, на долю которых приходится более 60% добычи сырья ежегодно. В Красноярском крае месторождения хрома отсутствуют. Но на правом берегу р.Енисей, в устье р.Березовой (к югу от устья р. Подкаменная Тунгуска) есть рудопроявление с выходом пород 1,5 м; 4 м, возраст пород оценивается в 500 млн. лет.