Chrom

Chrom (von griech. chroma = Farbe) ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Cr und der Ordnungszahl 24.

Geschichte

1761 entdeckte Johann Gottlob Lehmann ein orange-rotes Bleichromat-Mineral (PbCrO₄) im Ural, das er Rotbleierz nannte. Weil er es als eine Blei-Eisen-Selen-Verbindung identifizierte, blieb Chrom noch unentdeckt.

1770 fand Peter Simon Pallas an gleicher Stelle ein rotes Bleimineral, das wegen seiner Rotfärbung Krokoit (von griech. krokos, safranfarben) genannt wurde. Die Verwendung von Rotbleierz als Farbpigment nahm schnell zu. Ein aus Krokoit gewonnenes strahlendes Gelb, das Chromgelb, wurde zur Modefarbe, vielen sicher noch als "Postgelb" in Erinnerung.

1797 gewann Louis-Nicolas Vauquelin Chrom(III)oxid (Cr₂O₃) aus Krokoit und Salzsäure. 1798 erhielt er verunreinigtes elementares Chrom durch Reduktion von Chrom(III)oxid mit Holzkohle. Dieses neu isolierte Element erhielt aufgrund der Vielfarbigkeit seiner Salze den Namen Chrom (von griech. chroma, Farbe). Spuren des neuen Elementes konnte Vauquelin auch in Edelsteinen wie Rubin und Smaragd nachweisen. Im 19. Jahrhundert wurden Chromverbindungen überwiegend als Farbpigmente verwandt. Ende des 20. Jahrhunderts werden Chrom und Chromverbindungen hauptsächlich zur Herstellung von korrosions- und hitzebeständigen Legierungen eingesetzt.

Vorkommen

Chrom wurde fast nur als Chromit oder Chromeisenstein, (FeCr₂O₄) im Tagebau oder in geringer Tiefe abgebaut. Metallisches Chrom wird durch Reduktion des Erzes mit Aluminium oder Silizium gewonnen.

Südafrika fördert ungefähr die Hälfte des Weltbedarfs an Chromit. Andere nennenswerte Förderländer sind Kasachstan, Indien und die Türkei.

Im Jahr 2000 wurden ungefähr 15 Millionen Tonnen marktfähiges Chromiterz gefördert. Hieraus ließen sich 4 Millionen Tonnen Ferrochrom mit einem Marktwert von 2,5 Milliarden Dollar gewinnen. Metallisches Chrom kommt in Lagerstätten sehr selten vor. In der Udachnaya Mine in Russland wird eine diamantenhaltige Kimberlit "Pipe" ausgebeutet. In der reduzierenden Matrix bildeten sich Diamanten und metallisches Chrom.

Gewinnung und Darstellung

Das geförderte Chromiterz wird vom tauben Gestein befreit. Im zweiten Schritt erfolgt ein oxidierender Aufschluss in der Hitze zum Dichromat. Anschließend wird mit Kohlenstoff zum Chrom(III)-oxid und mit Aluminium zum elementaren Chrom reduziert. Chrom kann nicht durch Reduktion mit Kohle aus den oxidischen Erzen gewonnen werden, da hierbei Chromkarbid entsteht. Reineres Chrom wird durch elektrolytische Abscheidung des Cr³⁺-Ions aus schwefelsaurer Lösung dargestellt. Entsprechende Lösungen werden durch Auflösen von Chrom(III)-oxid oder Ferrochrom in Schwefelsäure hergestellt. Ferrochrom als Ausgangsstoff erfordert allerdings eine vorherige Abtrennung des Eisens.

Extrem reines Chrom wird durch weitere Reinigungsschritte nach dem van-Arkel-de-Boer-Verfahren von van Arkel und de Boer erzeugt.

Ferrochrom wird durch Reduktion von Chromit im Lichtbogenofen bei 2800 °C erzeugt.

Eigenschaften

Chrom ist ein stahlgraues, korrosions- und anlaufbeständiges hartes Metall, dass im Urzustand zäh, form- und schmiedbar ist.

Häufige Oxidationsstufen des Chroms sind +2, +3 und +6, wobei +3 die beständigste ist. In der Oxidationsstufe +6 ist es ein sehr starkes, aber auch giftiges Oxidationsmittel.

Verwendung

Chrom und Chromverbindungen werden für die verschiedenstartigen Anwendungen eingesetzt:

• Hartverchromung
  Galvanisches Aufbringen einer bis zu 500 μm Verschleiß- und Korrosionsschutzschicht direkt auf Stahl, Gußeisen, Kupfer, ... Auch Aluminium kann nach dem Aufbringen einer Zwischenschicht verchromt werden (Hartverchromte Aluminiumzylinder im Motorenbau)
• Dekorverchromung.
  Galvanisches Aufbringen einer < 1 μm dicken Cr-Schicht als Dekor mit einer korrosionsschützenden Zwischenschicht aus Nickel oder Nickel-Kupfer. Sehr oft werden auch Kunststoffteile verchromt.
• Legierungselement in korrosions- und hitzebeständigen Edelstählen und NE-Legierungen
• als Katalysator
• als Chromit zur Herstellung von Formen für das Brennen von Ziegelsteinen
• Färben von Glas.
  Chrom(III)-Verbindungen färben Glas smaragdgrün, Chrom(VI)-Verbindungen gelb
• Chromate und Chromoxide werden als Farbpigmente in Farben und Färbemitteln verwandt
• Kaliumdichromat wird als Reinigungsmittel für Laborgeräte aus Glas (in Schwefelsäure (als Chromschwefelsäure, welche stark krebserregend ist) gelöst) und als Titrationsmittel verwendet, sowie als Fixiermittel in industriellen Färbebädern
• Chrom(IV)-oxid, Chromdioxid, CrO₂, ein schwarzes ferromagnetisches Pulver für die Herstellung von Magnetbändern mit einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis als konventionelle Eisenoxid-Magnetbänder, da Chromdioxid eine höhere Koerzivität besitzt.

Physiologisches

Dreiwertiges Chrom ist ein für den menschlichen Zuckerstoffwechsel essentielles Spurenelement, hauptsächlich weil es ein Bestandteil des Glucosetoleranzfaktors ist. Defizite können die Wirkung von Insulin zur Stabilisierung der Zuckerkonzentration beeinflussen.

Der Wirkungsmechanismus von Chrom im menschlichen Stoffwechsel ist bisher nicht geklärt, man nimmt aber an, dass Chrom als Bestandteil des Glucosetoleranzfaktors die Sensibilität von Insulin auf die Insulinrezeptoren (Tyrosinkinaserezeptoren) erhöht. Somit hat es Einfluß auf die Entstehung von Glukoseintoleranz, Diabetes Mellitus Typ I und Typ II sowie auf den Blutlipidspiegel. Der Schätzwert der ÖGE (Österreichische Gesellschaft für Ernährung) für den Bedarf liegt in Anbetracht der lückenhaften Datensituation bei 30-100µg/d.

Verbindungen

Das orangefarbene Kaliumdichromat ist ein kräftiges Oxidationsmittel: In schwefelsaurer Lösung werden primäre Alkohole leicht in die betreffenden Aldehyde umgewandelt, was man zum halbquantitativen Nachweis von Alkohol in der Ausatemluft nutzen kann. Im Laborbereich wird es in Form von Chromschwefelsäure zur Reinigung von Glasgeräten verwendet. Beim Kontakt mit Chloridionen wird jedoch das flüchtige, krebserregende Chromylchlorid CrO₂Cl₂ gebildet (Abzug!).

Chromgrün, das grüne Chrom(III)-oxid Cr₂O₃ wird als Emaillefarbe und zum Glasfärben (grüne Flaschen) verwendet. Chromgelb, ein gelbes Bleichromat PbCrO₄, dient als brillant gelbes Farbpigment und wird zur iodometrischen Bestimmung von Blei genutzt. Chromsäure mit der hypothetischen Struktur H₂CrO₄ existiert nur in verdünnter wässriger Lösung. Als Anion existiert sie in einigen Chromaten und Dichromaten.

Das Anhydrid der Chromsäure, Chrom(VI)-oxid wird als Chromsäure bezeichnet.

Kleine Kuriosität: Es gibt wohl kaum ein Reduktionsmittel, das so schnell Sauerstoff aus der Luft aufnimmt wie Cr(II). Aber auch ohne Luftzutritt sind Cr(II)-Lösungen nur dann kurze Zeit stabil, wenn sie aus reinstem Chrom (z. B. Elektrolytchrom) gewonnen werden.

Sicherheitshinweise

Metallisches Chrom und Chrom(III)-Verbindungen sind gewöhnlich nicht gesundheitsschädigend. Oral aufgenommene Chrom(VI)-Verbindungen sind im Gegensatz dazu als äußerst giftig einzustufen. Die letale Dosis entspricht einem halben Teelöffel. Chrom(VI)-Verbindungen sind seit langem als krebserregend bekannt. Die meisten Chrom(VI)-Verbindungen verursachen Irritationen an Augen, Haut und Schleimhäuten. Chronischer Kontakt mit Chrom(VI)-Verbindungen kann bei unterlassener Behandlung zu bleibenden Augenschäden führen.

1958 empfahl die World Heath Organization für Chrom(VI)-Verbindungen eine maximal zulässige Konzentration von 0,05 mg/Liter im Trinkwasser. Auch nachfolgende Untersuchungen führten zu keiner Anpassung dieser Empfehlung.

Weblinks

• WebElements.com - Chromium
• EnvironmentalChemistry.com - Chromium
• International Chromium Development Association
• It's Elemental - The Element Chromium
• Native Chromium
• The Merck Manual - Mineral Deficiency and Toxicity
• Vitaminwelten GmbH - Vitalstoff-Blibliothek: Chrom
• Chrom bei Onmeda