Crom là một kim loại quan trọng và có nhiều lợi ích cho con người, cũng như được ứng dụng nhiều trong cuộc sống thực tế. Tuy nhiên, nhiều người vẫn chưa biết crom là gì? Cấu tạo, tính chất và ứng dụng của Chromium. Bài viết dưới đây sẽ giải đáp những câu hỏi trên.
1. Crom (Chromium) là gì?
– Là một nguyên tố vi lượng thiết yếu cho cơ thể người, giúp cải thiện insulin, chuyển hóa protein, carbohydrate và lipid.
– Có màu xám ánh bạc và rất cứng, có thể rạch được thủy tinh. Crom có nguồn gốc từ từ tiếng Hy Lạp khrōma, nghĩa là màu sắc, vì nó có thể tạo ra các hợp chất đầy màu sắc như oxit crôm.
– Là một kim loại chuyển tiếp có ký hiệu là Cr và số thứ tự 24 trong bảng tuần hoàn và là nguyên tố phổ biến thứ 21 trong vỏ Trái Đất.
– Có thể hình thành nhiều hợp chất với các số oxi hóa khác nhau, từ +1 đến +6. Phổ biến nhất là các hợp chất của crom (II) và crom (III). Các hợp chất của crom thường có tính khử mạnh và có màu sắc đa dạng.
– Có nhiều ứng dụng trong công nghiệp, như làm chất phủ cho kim loại để tăng độ bền và chống ăn mòn, hoặc làm thành phần của thép không gỉ. Crom có thể được tìm thấy trong nhiều loại thực phẩm như men bia, gan, bông cải xanh, phô mai, mật đường, gia vị và các loại ngũ cốc nguyên hạt.
2. Cấu tạo của Crom:
Crom không tồn tại ở dạng đơn chất trong tự nhiên, mà chỉ có ở dạng hợp chất. Hợp chất phổ biến nhất của crom là quặng cromit sắt FeO.Cr2O3. Ngoài ra, crom còn có các hợp chất khác với các số oxi hóa khác nhau, như crom (II) oxit CrO, crom (III) oxit Cr2O3, crom (III) hidroxit Cr(OH)3, crom (VI) oxit CrO3 và các muối của crom. Một số hợp chất của crom có tính lưỡng tính, có thể tan được trong dung dịch axit hoặc kiềm. Một số hợp chất của crom gồm:
– Crom (II) oxit, CrO: là một oxit bazơ màu đen, có tính khử mạnh, trong không khí bị oxi hóa thành Cr2O3.
– Crom (II) hidroxit, Cr(OH)2: là một chất rắn màu vàng, có tính khử, trong không khí bị oxi hóa thành Cr(OH)3.
– Crom (III) oxit, Cr2O3: là một oxit axit màu xanh lục, không tan trong nước, được dùng để làm thuốc nhuộm và sơn.
– Crom (III) hidroxit, Cr(OH)3: là một chất rắn màu xanh lục, không tan trong nước, được dùng để làm thuốc nhuộm và sơn.
– Crom (III) sunfat, Cr2(SO4)3: là một muối trung tính màu tím đỏ, tan trong nước, được dùng để làm thuốc nhuộm và sơn.
– Crom (VI) oxit, CrO3: là một oxit axit mạnh màu đỏ cam, tan trong nước tạo thành axit cromic H2CrO4, có tính oxi hóa cao, được dùng để điện phân và tẩy trắng.
– Crom (VI) sunfat, K2Cr2O7: là một muối axit màu da cam, tan trong nước tạo thành dung dịch có tính oxi hóa cao, được dùng để điện phân và xác định nồng độ các chất khử.
3. Tính chất của Crom:
3.1. Tính chất vật lý:
– Màu trắng ánh bạc, rất cứng (cứng nhất trong số các kim loại, độ cứng chỉ kém kim cương), khó nóng chảy (nhiệt độ nóng chảy là 1890°C).
– Kim loại nặng, có khối lượng riêng là 7,2 g/cm3.
3.2. Tính chất hóa học:
– Một nguyên tố hóa học có ký hiệu Cr và số hiệu nguyên tử bằng 24. Crom thuộc nhóm 6 và chu kì 4 trong bảng tuần hoàn.
– Crom có cấu tạo mạng tinh thể lập phương tâm khối. Crom tồn tại ở dạng hợp chất trong tự nhiên, phổ biến nhất là quặng cromit FeO.Cr2O3.
– Crom có tính khử mạnh hơn sắt và có nhiều mức oxi hóa khác nhau, từ +1 đến +6, nhưng thường gặp nhất là +2, +3 và +6.
– Crom tác dụng với phi kim như oxi và clo ở nhiệt độ cao, tạo ra các oxit và clorua của crom.
– Crom không tác dụng với nước do có màng oxit bảo vệ bề mặt. Crom tác dụng với axit loãng nóng như HCl và H2SO4, khử được ion H+ trong dung dịch axit và tạo ra các muối của crom (II) hoặc crom (III). Crom (II) là trạng thái oxi hóa có tính khử mạnh, dễ bị oxi hóa thành crom (III) trong không khí hay trong dung dịch. Crom (III) là trạng thái oxi hóa phổ biến nhất của crom, tạo ra nhiều hợp chất màu sắc đẹp. Crom (VI) là trạng thái oxi hóa có tính oxy hóa mạnh, tạo ra các oxit axit và các muối axit như K2Cr2O7 và K2CrO4.
– Crom còn tạo thành nhiều hợp chất quan trọng như CrO, CrO3, Cr2O3, Cr(OH)2, Cr(OH)3…
4. Ứng dụng của crom trong đời sống:
Crom có nhiều ứng dụng thực tế trong cuộc sống, đặc biệt là trong ngành luyện kim, vật liệu chịu nhiệt và hóa chất. Dưới đây là một số ứng dụng điển hình của crom:
– Crom là linh hồn của thép không gỉ. Khi hợp kim hóa với sắt và các kim loại khác, crom tạo ra một lớp oxyt bảo vệ bề mặt kim loại khỏi ăn mòn và ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài. Thép không gỉ được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như xây dựng, ô tô, hàng không vũ trụ, y tế, đồ gia dụng và đồ trang sức .
– Crom cũng có tác dụng điều hòa lượng đường trong máu và ngăn ngừa bệnh tiểu đường. Crom giúp tăng cường vai trò của insulin, hormone quan trọng
– Crom cũng có khả năng giảm lượng cholesterol cao trong máu,
– Crom cũng được sử dụng làm thuốc nhuộm và sơn. Các muối crom có màu sắc đa dạng và bền vững, được dùng để nhuộm da, vải, giấy và các chất liệu khác. Crom cũng được dùng để phủ một lớp kim loại bóng lên bề mặt các vật liệu khác, tạo ra hiệu ứng thẩm mỹ và chống ăn mòn.
– Crom còn có nhiều ứng dụng khác như làm khuôn để nung gạch, ngói; làm phụ gia cho xăng; làm dây dẫn điện chịu nhiệt độ cao; làm chất xúc tác trong các phản ứng hóa học.
5.1. Điện phân nóng chảy Cr2O3:
2Cr2O3 4Cr + 3O2.
Đây là phương pháp cổ điển, nhưng tốn nhiều năng lượng và không hiệu quả.
Các bước điều chế crom bằng điện phân nóng chảy là:
– Bước 1: Chuẩn bị dung dịch nóng chảy của muối crom (III) clorua (CrCl3) hoặc crom (III) oxit (Cr2O3) trong một bình điện phân có cực dương là than chì và cực âm là than grafit.
– Bước 2: Điện phân dung dịch nóng chảy với dòng điện mạnh. Tại cực âm, các ion crom (III) nhận điện tử và trở thành kim loại crom. Tại cực dương, các ion clorua hoặc oxit cho điện tử và trở thành khí clo hoặc oxy. Kim loại crom và khí clo hoặc oxy được thu được ở hai đầu của bình điện phân.
– Bước 3: Tách kim loại crom ra khỏi dung dịch nóng chảy bằng cách lọc nóng hoặc đun sôi để bay hơi dung dịch. Kim loại crom có màu xám bạc, bóng, dẻo và có tính kháng ăn mòn cao.
5.2. Điện phân dung dịch CrCl3:
2CrCl3 2Cr + 3Cl2.
Đây là phương pháp đơn giản và dễ thực hiện, nhưng cần có điều kiện điện phân thích hợp.
Điều chế crom bằng điện phân dung dịch là một phương pháp được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp luyện kim. Quy trình điện phân như sau:
– Dung dịch phèn crom CrO3 được hòa tan trong nước để tạo dung dịch axit cromic H2CrO4.
– Dung dịch này được đưa vào một bình điện phân có anot là than chì, catot là than hoặc sắt.
– Khi cấp điện, ở anot xảy ra phản ứng oxi hóa: CrO4 2- + 2H+ → Cr2O7 2- + H2O
– Ở catot xảy ra phản ứng khử: Cr3+ + 3e → Cr
– Sản phẩm thu được là crom kim loại có độ tinh khiết cao.
Cơ chế điện phân dựa trên tính chất hóa học của crom và các ion trong dung dịch. Crom là kim loại có tính khử mạnh, có thể khử được ion H+ trong dung dịch axit. Ion CrO4 2- và Cr2O7 2- có thể bị oxi hóa thành O2 ở anot. Ion Cr3+ có thể bị khử thành Cr ở catot.
5.3. Nhiệt nhôm:
Cr2O3 + 2Al 2Cr + Al2O3.
Đây là phương pháp hiện đại và được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, vì có thể điều chế crom từ quặng cromit (FeO.Cr2O3) mà không cần tách quặng trước.
Để điều chế crom bằng phương pháp nhiệt nhôm, ta cần thực hiện các bước sau:
– Bước 1: Tách quặng cromit (FeO.Cr2O3) thành Cr2O3 bằng cách nung nóng quặng với Na2CO3 trong lò cao.
– Bước 2: Trộn Cr2O3 với bột nhôm theo tỉ lệ mol là 1:2, rồi đặt hỗn hợp vào một ống sắt có đầu kín và đầu kia có một lỗ nhỏ để thoát khí.
– Bước 3: Đốt nóng một điểm trên ống sắt bằng một ngọn lửa, khi đó sẽ xảy ra phản ứng nhiệt nhôm giữa Cr2O3 và Al, sinh ra nhiệt lượng lớn làm cho phản ứng lan rộng trên toàn bộ hỗn hợp. Phương trình phản ứng là:
Cr2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Cr
– Bước 4: Lấy sản phẩm ra khỏi ống sắt, tách crom khỏi Al2O3 bằng cách nghiền nhỏ và rửa bằng dung dịch NaOH.
Theo phương trình phản ứng, để điều chế được 5,2 gam crom từ Cr2O3, ta cần dùng 0,1 mol Al, tương đương với **2,7 gam** bột nhôm.
5.4. Thuỷ luyện:
2CrCl3 + 3Zn 2Cr + 3ZnCl2.
Đây là phương pháp khử crom bằng kim loại khác có tính khử mạnh hơn, như Zn, Al, Fe….
Các bước điều chế crom bằng thủy luyện là:
– Bước 1: Nung quặng chromit (FeCr2O4) với Na2CO3 và O2 để tạo ra Na2CrO4.
FeCr2O4 + 4Na2CO3 + 7O2 → 2Na2CrO4 + 4CO2 + Fe2O3
– Bước 2: Hòa tan Na2CrO4 trong nước và lọc để loại bỏ Fe2O3 và các tạp chất khác.
– Bước 3: Thêm dung dịch HCl vào dung dịch Na2CrO4 để tạo ra CrCl3 và NaCl.
Na2CrO4 + 2HCl → CrCl3 + NaCl + H2O
– Bước 4: Điện phân dung dịch CrCl3 bằng điện cực than chì để thu được crom kim loại ở catot và Cl2 ở anot.
CrCl3 + H2O → Cr + Cl2 + H2
Các phương pháp trên đều có những ưu và nhược điểm riêng, tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu, chi phí,
