Il Cromo - Docenti.unina

UNIVERSITÁ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II
SCUOLA INTERUNIVERSITARIA CAMPANA
DI SPECIALIZZAZIONE ALL’INSEGNAMENTO
VIII CICLO
TESINA DEL CORSO
Chimica degli elementi
Prof. Andini
•
Destinatari: II anno (ISTITUTO TECNICO)
•
Tempi: 1 lezioni da 55 minuti
•
Collegamenti
interdisciplinari:
materiali;scienze della terra.
•
Prerequisiti: definizioni di chimica di base (numero atomico, peso atomico,
numero di ossidazione, proprietà chimiche e fisiche, tavola periodica.)
•
Obiettivi: descrivere le caratteristiche e le applicazioni dell’elemento
chimico “Cromo”.
•
Metodologia: lezione frontale, attività di didattica interattiva e partecipata,
lavoro di gruppo.
•
Strumenti: lavagna, libro di testo, utilizzo di sussidi multimediali
•
Verifica:
di
tipo
orale
e
storia,
corredata
letteratura,
da
test
a
chimica
risposta
dei
aperta
isotopi 52Cr,
53Cr e 54Cr.
Il Cromo
CARATTERISTICHE:Il cromo è un metallo duro, lucido,
color grigio acciaio; può essere facilmente lucidato,
fonde con difficoltà ed è molto resistente alla corrosione.
Principali caratteristiche
•
•
•
•
Periodo: 4
Blocco: d
Z : 24
Configurazione
elettronica : [Ar] 3d54s1
Massa atomica
51.99 uma
Energia di prima
ionizzazione
651.74 kJ/mol
Elettronegatività
1.66
Temperatura di
fusione
1875oC
Temperatura di
ebollizione
2665oC
Stato di aggregazione
solido
Densità
7.19 g/cm3
Stati di ossidazione
2,3,4,5,6
Storia
• Il cromo fu scoperto da Louis-Nicholas
Vauquelin in Francia nel 1797 nel minerale
crocoite (PbCrO4).
• Nel 1822 cominciò lo sviluppo dei
composti del cromo nella produzione di
pigmenti coloranti, ossidanti, concianti.
• Nel 1865 cominciò a diffondersi il suo uso
nelle leghe metalliche, già sperimentato da
Faraday nel 1821.
• A partire dal 1926 furono introdotti i
processi di cromatura.
Storia
Origine del nome
• Il nome cromo deriva dalla parola greca
“chroma” che significa colore. Esso si riferisce
ai numerosi composti colorati che questo
elemento può formare:
– Cr2O3 usato come pigmento verde (verde di Guignet)
per vernici e ceramiche;
– PbCrO4 di colore giallo usato come pigmento per la
segnaletica stradale;
– CrO3 di colore rosso.
Introduzione
• più comuni stati di ossidazione del cromo
sono +2, +3 e +6, di cui +3 è il più stabile;
stati +4 e +5 sono relativamente rari. I
composti del cromo +6 (cromo esavalente)
sono potenti ossidanti.
usi
• In metallurgia, per conferire
resistenza alla corrosione ed
una finitura lucida
• Per smalti e vernici.
• Ruolo Biologico.
Produzione
• È un elemento poco diffuso sulla superficie
terrestre.
• Il cromo non si trova in natura allo stato
elementare.
• Il più importante minerale è la cromite
(FeCr2O4), che si trova in Turchia, USA, in
Sud Africa.
• L’altro minerale più importante è la crocoite
PbCrO4, molto diffuso in Russia, Brasile e
Turchia
Come si ottiene?
1. La cromite, finemente polverizzata e mescolata con soda,
viene arrostita in forni ad atmosfera ossidante. Il cromo
viene trasformato in cromato sodico, passando dallo stato
di ossidazione +3 a +6:
2Cr2O3+4Na2CO3+3O2
4Na2CrO4+4CO2
che, essendo solubile in acqua, può essere estratto dalla
massa solida.
2. Il liquido di estrazione viene poi acidificato per formare il
dicromato, che, può essere cristallizzato in forma pura:
2Na2CrO4 + H2SO4
Na2Cr2O7 + Na2SO4 + H2O
3. Il dicromato viene ridotto ad ossido di Cr(III) con C:
Na2Cr2O7 + 2C
Na2CO3+ CO + Cr2O3
Come si ottiene?
4. L’ossido viene infine ridotto con Si o Al:
Cr2O3 + 2 Al
Al2O3 + 2Cr
2Cr2O3 + 2 Si
3 SiO2+ 4Cr
Per le applicazioni siderurgiche
FeCr2O4+ 4C
•
Fe + 4CO + 2Cr
Si ottiene la lega ferrocromo, usata nella
produzione di acciai speciali, caratterizzati da
una particolare tenacia (acciai rapidi) o dalla
resistenza alla corrosione (acciai inossidabili)
Composti del Cr (II)
• Le soluzioni di Cr (II) hanno un magnifico colore
blu, si ottengono per riduzione di Cr (III) con
zinco in soluzione acida; vanno conservate al di
fuori del contatto dell’aria
• Nello stato di ossidazione +2, il cromo ha
un’elevata tendenza a cedere elettroni
(riducente)
• I composti di Cr (II) sono usati per la riduzione di
composti organici o, ad esempio, per ottenere
azoto puro, privo di ossigeno.
Composti del Cr (III)
•
•
•
Lo stato di ossidazione +3 è il più importante nella chimica del cromo;
Lo ione Cr3+ in soluzione acquosa è di colore violetto;
L’ossido di cromo (III) Cr2O3 , di colore verde, è tra i composti più importanti, si prepara:
4Cr + 3O2
•
oppure per riduzione
Na2Cr2O7 + 2C
•
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•
•
2Cr2O3
Na2CO3 + CO + Cr2O3
Il Cr2O3 viene usato nella produzione di vetri colorati.
Il Cr (III) è responsabile del colore verde dello smeraldo, in cui va a sostituire alcuni atomi
di alluminio:
Il Cr (III) si trova anche nel rubino, naturale o sintetico.
I sali di Cr(III) si legano facilmente alle proteine ed è per questo motivo che vengono
utilizzati nella concia delle pelli.
Composti del Cr (IV)
• L’unico composto del Cr (IV) degno di nota è il
CrO2 che si ottiene per decomposizione termica
del CrO3, ha proprietà magnetiche e per questo
motivo viene utilizzato per la produzione di nastri
magnetici di registrazione.
Composti del Cr (V)
• La chimica del Cr(V) va ricordata solamente per
il fatto che si ritiene che tali ioni, insieme
all’alluminio, sono catalizzatori per la produzione
di macromolecole.
Composti del Cr (VI)
• CrO3 è molto solubile in acqua e in vari solventi organici; ha
un’elevata tendenza ad acquistare elettroni (ossidante) per cui è
impiegato nelle sintesi organiche (reattivo di Jones); è altamente
velenoso.
• In soluzione basica l’anidride cromica forma lo ione cromato CrO42giallo, che in ambiente acido è in equilibrio con lo ione dicromato
Cr2O72- di colore arancio:
2CrO 42- + 2H+
Cr2O72- + H2O
• Lo ione dicromato è un forte ossidante in soluzione acida;
• Lo ione cromato è ossidante in soluzione basica.
• Il Cr (VI) è tossico-nocivo.
Principali usi del cromo
• Galvanostegia
– Cromatura
– Cromatazione
– Cromizzazione
• Metallurgia
• Tintoria
• Conceria
Galvanostegia
Ricoprimento per elettrolisi di metalli comuni con
altri aventi particolari caratteristiche.
Principali usi del cromo
•
Cromatura a spessore ottenuta tramite processo galvanico, per ridare un
determinato spessore ad un oggetto, sempre di ferro o acciaio, consumatosi
durante l'utilizzo e rendendolo idoneo al reimpiego, sfruttando le caratteristiche
di durezza del cromo, previa rettifica del pezzo stesso.
•
Cromatura tradizionale (in uso nel campo dell'arredamento) prevede
l'immersione del pezzo da cromare in una serie di bagni. Prima viene sgrassato
e pulito perfettamente e poi immerso in una soluzione elettrolitica di soda
caustica, soluzione elettrolitica di acido cloridrico con relativi bagni di lavaggio.
Il bagno principale (dove il pezzo sosta più a lungo) è quello della soluzione
elettrolitica di nichel. IL nichel uniforma il più possibile la superficie metallica a
livello microscopico. Dopo un ulteriore lavaggio avviene l'immersione nella
vasca della soluzione elettrolitica del cromo. Negli ultimi anni, oltre al cromo
esavalente, si usa sempre di più il cromo trivalente, definito 'ecologico'.
•
Cromatura satinata (opaca) per la quale il processo è simile tranne che per
l'ultimo bagno dove, con l'uso di particolari olii, si creano delle microbolle
uniformemente distribuite sulla superficie del pezzo che danno il caratteristico
aspetto opaco alla superficie stessa.
Principali usi del cromo
•
•
Cromatazione
La capacità dei cromati o bicromati di inibire la corrosione dei metalli ferrosi e non
ferrosi mediante la formazione di un sottile strato di passivazione sulla superficie
del metallo.
•
Il bagno di cromatazione chimica consiste in tutti i casi in una soluzione che
comprende due costituenti fondamentali:
composti di cromo esavalente, sia sotto forma di acido cromico, che di cromati e
bicromati, oppure probabili combinazioni di questi componenti;
composti organici ed inorganici che vengono denominati attivatori o catalizzatori.
Cromizzazione
Processo di diffusione gassosa di cromo sul ferro,per il quale si possono
convertire superfici di normale acciaio a superfici di acciaio inossidabile
•
•
•
•
Principali usi del cromo
Cromatura, Cromatazione e Cromizzazione
Sono processi di rivestimento galvanici.
Questi trattamenti stanno però diventando sempre più
critici e costosi in termini di impatto ambientale.
Cromatura
Sistema Ni/Cr
Cromatazione
Cromatura
dura
Cromizzazione
Fattori di criticità ambientale dei
processi di cromatura galvanici
• I materiali di lavorazione sono tossici e
potenzialmente cancerogeni.
• Il rendimento elettrochimico del processo di
cromatura è molto basso, e la percentuale di
cromo depositato è minima rispetto a quella che
finisce nelle acque reflue.
• Elevati consumi di acque di processo e di
materie prime.
• In molti paesi si stanno adottando provvedimenti
(vincoli imposti da norme sempre più severe
riguardo la tutela della salute e dell’ambiente)
per limitare l'utilizzo dei processi galvanici.
Conceria
I composti del Cr sono utilizzati nell’industria
della concia delle pelli (dal XIX secolo):
• il Cr (III) si lega al collagene delle pelli in modo irreversibile
impedendo così la putrefazione delle pelli stesse;
• sostanze che rendono più morbida la pelle e nello stesso
tempo la preparano alla successiva colorazione.
Tintoria
Nella produzione di pigmenti
• Cr2O3 è usato come pigmento verde
• PbCrO4 è usato come pigmento puro (giallo cromo)
Assorbimento e Tossicità del
cromo
• Il cromo viene assorbito attraverso l'apparato
respiratorio ed attraverso la cute. In particolare il Cr (VI )
viene assorbito più facilmente, viene trasformato nelle
cellule in Cr (IV ) e quindi, in Cr (III), che si lega
all’albumina ed alle altre proteine plasmatiche e quindi
viene eliminato.
• La tossicità del cromo può derivare dall'eccessiva
esposizione ai processi industriali.
• Le manifestazioni patologiche possono riguardare:
– la cute (irritazione della mucosa nasale, ulcerazione del setto,
sindromi asmatiformi),
– l'apparato digerente (gastroduodeniti, coliti),
– l'apparato urinario.
Tossicità del cromo
• Il Cromo (VI) è definito tossico-nocivo
• E’ talmente corrosivo che, se a lungo respirato,
provoca la perforazione del setto nasale.
• E’, inoltre, riconosciuto come sostanza
cancerogena, responsabile di neoplasie
polmonari.
A1: il composto è cancerogeno accertato
per l'uomo;
A2: il composto cancerogeno sospetto per
l'uomo;
C: valore massimo da non superare.
Tutti i valori sono espressi come contenuto
in Cr.
E a livello biologico a cosa serve?
• Il cromo è presente nel nostro organismo
in piccole quantità, nell’ordine dei
microgrammi è coinvolto nel metabolismo
degli zuccheri e dei grassi.
• Numerosi studi hanno documentato che
una delle principali funzioni del cromo è
quella di favorire l’equilibrio degli zuccheri
nel sangue, ottimizzando l’azione
dell’insulina.