Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 23.07.18


Chrom

Vortrag von Kerstin Schaller, Melanie Murmann und Anja Fickentscher im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie", WS 2003/2004, WS 2011/2012 und WS 2016/2017


Gliederung:


Einleitung Version 1: Einige Gegenstände wie ein Wasserhahn, eine grüne Glasmurmel, eine Musikkassette oder ein Schraubenschlüssel begegnen uns fast täglich im Leben. Alle diese Gegenstände haben etwas gemeinsam; sie alle bestehen zumindest teilweise aus Chrom.

Einleitung Version 2: Das Bild "Zwölf Sonnenblumen in einer Vase" wurde 1888 von Vincent Van Gogh gemalt. Damals waren die Sonnenblumen strahlend gelb. Im Laufe der Zeit sind die Sonnenblumen immer dunkler geworden. Aber warum? Ist das Bild z.B. durch Ruß schmutzig?

Abb. 1: Zwölf Sonnenblumen in einer Vase von Vincent van Gogh [10]

Einleitung Version 3: Messer und Gabel werden bei fast jeder Mahlzeit verwendet. Auch nach wiederholter Verwendung bleibt der "silberne" Glanz des Besteckes erhalten. Das beständige Glänzen scheint durch die Eigenschaften des im Besteck enthaltenen Chroms bedingt zu sein.  

1 Das Element Chrom

Chrom ist ein Element der 6. Nebengruppe und hat die Elektronenkonfiguration  [Ar] 3d5 4s1. Im Vergleich zur erwarteten Elektronenkonfiguration [Ar] 3d4 4s2 ist die Halbbesetzung der 4s- und der 3d-Schalen durch Abgabe eines Elektrons energetisch günstiger. Der Name Chrom leitet sich ab vom griechischen "chromos", was soviel bedeutet wie "Farbe". Diesen Namen hat das Element auf Grund der Vielfarbigkeit seiner Salze bekommen. Einige relevante Daten zum Chrom sind:

  • relative Atommasse: 51,9961u
  • Schmelzpunkt: 1903°C
  • Siedepunkt: 2640°C
  • Atomradius: 128pm
  • Elektronegativität: 1,6
  • Oxidationszahlen: +6, +5, +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2

Die bevorzugte Oxidationszahl in sauren Lösungen ist +3. Im Alkalischen oxidiert Chrom leicht zu 6-wertigen Verbindungen.  


2 Vorkommen

Chrom steht in der Elementarhäufigkeit an 20. Stelle. Das Element kommt in der Natur fast ausschließlich in Verbindungen vor. Nur in Meteoriten konnten bislang Spuren von metallischem Chrom nachgewiesen werden. Das wichtigste Chromerz ist Chromit (Chromeisenstein, FeCr2O4). Ein weiteres Chromerz von geringerer Bedeutung ist Krokoit (Rotbleierz, PbCrO4). Die Chromitlagerstätten finden sich vor allem in der Türkei, Indien und Südafrika.


Abb. 2: Chromit


3 Eigenschaften

Reines Chrom ist ein zähes bläulich-weiß glänzendes Schwermetall, das gut schmiedbar und formbar ist. Es kann kubisch-raumzentrierte oder hexagonal-dichteste Kugelpackungen aufweisen. Bei geringfügigen Verunreinigungen mit Wasserstoff oder Sauerstoff wird es zu dem härtesten aller Gebrauchsmetalle aber auch sehr spröde. An Luft ist Chrom enorm beständig, da es von einer dünnen Oxidschicht überzogen wird, die das Metall vor weiterer Korrosion schützt. Dadurch wird Chrom sogar an feuchter Luft und im Wasser vor Korrosion geschützt.

Chrom ist ein relativ unedles Metall. Bei hohen Temperaturen reagiert Chrom mit den meisten Nichtmetallen. Mit Chlor bildet sich Chrom(III)-chlorid:

2 Cr + 3 Cl2 → 2 CrCl3

Mit Sauerstoff verbrennt es zu Chrom(III)-oxid:

4 Cr + 3 O2 → 2 Cr2O3

Die Farben der einzelnen Chromsalze variieren stark . Einige Farben sollen kurz aufgezeigt werden:

Tab. 1: Farbigkeit von Chromverbindungen

Verbindung Farbe
Chrom(II)-chlorid himmelblau
Chrom(III)-oxid grün
Chrom(III)-sulfat violett
Chrom(IV)-oxid schwarz
Chrom(VI)-oxid rot
Chromate gelb
Dichromate orange

4 Geschichtliche Hintergründe

Mitte des 18. Jahrhunderts wurde ein neues Mineral (Bleichromat PbCrO4) entdeckt, dass wegen seiner roten Farbe den Namen Krokoit (griechisch krokos = safranfarbend) erhielt. Durch die Farbigkeit des Minerals wurde dieses sehr schnell als Farbpigment verwendet. Das nun hergestellte Chromgelb wurde schnell unter dem Namen "Postgelb" zur damaligen Modefarbe.

1797 entdeckte der französische Chemiker Louis Nicolas Vauquelin das Element Chrom bei Untersuchungen von Krokoit und stellte es in unreiner Form dar. Im gleichen Jahr erkannte der deutsche Chemiker Martin Heinrich Klaproth ebenfalls im Krokoit das Element Chrom. Die Darstellung reinen Chroms gelang erstmals Robert Wilhelm Bunsen 1854 durch die Elektrolyse von wässrigen Chromchloridlösungen.


5 Herstellung

Als Ausgangsmaterial dient das Mineral Chromit. Das Erz wird durch Flotation angereichert, fein zermahlen und mit Kalk und Soda vermischt. Unter Luftzufuhr wird bei ca. 1200°C Natriumchromat erhalten:

4 FeCr2O4 + 8 Na2CO3 + 7 O2 → 8 Na2CrO4 + 2 FeO3 + 8 CO2

Nach der Extraktion des Chromats mit heißem Wasser wird konz. Schwefelsäure hinzu gegeben, so dass Natriumdichromat entsteht:

2 Na2CrO4 + H2SO4 + H2O → NaCr2O7 + Na2SO4 + 2 H2O

Das Natriumdichromat kristallisiert beim Abkühlen als Dihydrat aus der Lösung. Durch eine nachfolgende Reduktion mit Kohle wird Chrom(III)-oxid erhalten:

NaCr2O7 x 2 H2O + 2 C → Cr2O3 + Na2CO3 + 2 H2O + CO

Im Anschluss erfolgt die aluminothermische Reduktion des Chrom(III)-oxids zu Chrom:

Cr2O3 + 2 Al → Al2O3 + 2 Cr

Das so gewonnene Chrom besitzt einen Reinheitsgrad von 99%. Reineres Chrom entsteht durch die Elektrolyse von Chrom(III)-Salzlösungen.

In der Technik wird Chrom jedoch meist als unreines Ferrochrom hergestellt. Dieses wird durch Reduktion von Chromit mit Koks im Elektroofen erhalten:

FeCr2O4 + 4 C → Fe + 2 Cr + 4 CO

Dieses Ferrochrom (ca. 60 % Chrom) wird zur Herstellung chromhaltiger Stähle verwendet. Chrom ist das wichtigste Legierungselement für nichtrostende und hitzebeständige Stähle.


6 Verwendung

Cr Chrom: Ein wichtiges Verwendungsfeld für Chrom liegt in der Stahlherstellung. Bereits kleine Mengen Chrom verleihen dem Stahl hohe mechanische Beanspruchbarkeit. Durch das Hartverchromen erhält Metall eine wirksame Verschleiß- und Korrosionsschutz. Hierbei werden relativ dicke Chromschichten von bis zu 500 mm direkt auf das Metall aufgetragen. Bei der Dekorverchromung, die nur zur Verschönerung dient, werden nur dünne Chromschichten (bis 0,3 mm dick) auf korrosionsbeständige Nickel- oder Kupfer-Nickel-Schichten oder Kunststoffen aufgetragen, um Objekte "chrom-glänzend" erscheinen zu lassen.

Cr2O3 Chrom(III)-oxid: Es dient als sehr temperatur-, oxidations- und wetterbeständiges grünes Pigment für Anstrichstoffe, als Malerfarbe und zum Einfärben von Glas und Porzellan. Chrom(III)-Verbindungen sind auch für die grüne Färbung in Smaragden verantwortlich. Eine rötliche Färbung von rosa bis hin zu violett entsteht in der Natur durch das grüne Chrom(III)-oxid in Mischkristallen mit Aluminium(III)-oxid z.B. in Rubinen. Rubine sind jedoch nicht nur schön anzusehen. Sie werden z.B. auch als aktives Medium in Rubin-Lasern verwendet.

Abb. 3: Smaragd Abb. 4: Rubin

PbCrO4 Blei(II)-chromat: Bleichromat ist ein Gelbpigment, das häufig in Malerfarben vorkommt.

CrO2 Chrom(IV)-oxid: Chromdioxid ist ein schwarzes, ferromagnetisches Pulver, das als Bild- und Tonträger auf Magnetbändern verwendet wird.

Na2Cr2O7 Natriumdichromat(VI): Findet Verwendung als Oxidationsmittel, z.B. bei der technischen Herstellung von Anthrachinon aus Anthracen. Chrom(VI)-Verbindungen sind ebenso wie Chrom(III)-Verbindungen für die Färbung von Edelsteinen verantwortlich. Mit diesen Verbindungen lässt sich Glas gelblich färben. Auch im roten Granat-Edelstein sind Chrom(VI)-Verbindungen enthalten.

 
Abb. 5: Granat

7 Experiment

Tab. 2: Alkoholnachweis mithilfe von Alkoholteströhrchen

Nachweis von Ethanol

Zeitbedarf 5 Minuten
Chemikalien Spirituosen (Schnaps, Bier, Wein) B1
Alcoteströhrchen

Durchführung Eine Testperson nimmt einen Schluck alkoholhaltiges Getränk zu sich und pustet nach Vorschrift in das Teströhrchen.
Beobachtung Das gelbe Salz verfärbt sich nach grün.
Deutung Reaktionsgleichung:

4 CrO42- + 3 Et-OH + 20 H3O+ →
                                   4 Cr3+ + 3 Me-COOH + 33 H2O

Entsorgung E16 (enthält Kaliumdichromat; Reduktion bis Cr3+, dann in B1)
Quelle http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/experimente/standard/1103_ethanol.htm, 07.02.2018

8 Toxikologie

Dreiwertiges Chrom ist ein für den menschlichen Zuckerstoffwechsel essentielles Spurenelement. Es ist vor allem ein wichtiger Bestandteil des Glukosetoleranzfaktors (GTF). Der GTF gilt als möglicher Bestandteil des Insulin-Rezeptors und ein Mangel von Chrom führt daher nachweislich zu Problemen der Zuckerkonzentration im Stoffwechselsystem. Chrom hat somit Einfluss auf die Entstehung von Glukoseintoleranz sowie auf den Blutlipidspiegel.

Aber nicht alle Chrom-Verbindungen sind für den Menschen harmlos. Besonders Chrom(VI)-Verbindungen sind für den Menschen gefährlich. Sie verätzen Haut, Schleimhäute (auch die Augen), und können zu schlecht heilenden Hautgeschwüren, die deshalb auch Chromgeschwüre genannt werden, führen. Chrom(VI)-Verbindungen gelten des Weiteren als cancerogen und mutagen. Beim Verschlucken von Chromatlösungen kommt es zu schwerwiegenden Magen-Darm-Verätzungen, Leber- und Nierenschäden. Bereits 0,6 g vom Magen aufgenommenes Chrom(VI)-oxid wirken bereits tödlich.


Zusammenfassung

  • Die bevorzugte und stabilste Oxidationsstufe ist +3.
  • Die wichtigsten Chromerze sind Chromit und Krokoit.
  • Chrom dient überwiegend als Korrosionsschutz.
  • In der Technik wird meist unreines Ferrochrom verwendet.
  • Die Chromsalze variieren stark in ihren Farben.
  • Chrom begegnet uns fast täglich im Leben.
  • Je nachdem in welcher Oxidationsstufe Chrom vorliegt ist es für den Menschen schädlich oder notwendig.
  • Chrom kann für Dekorverchromung und Hartverchromen eingesetzt werden.

Abschluss Version 1: Die thermische Zersetzung von Ammoniumdichromat: "Der Vulkan" (Video).

Ammoniumdichromat wird auf einer feuerfesten Unterlage aufgehäuft. Nach Zugabe eines Tropfen Alkohols zur Brandbeschleunigung wird der Haufen entzündet. Das Ammoniumdichromat zersetzt sich nach dem Anzünden gemäß der Gleichung

(NH4)2Cr2O7  → Cr2O3 + N2 + 4 H2O

unter Versprühung von grünem, voluminösem Chrom(III)-oxid; hierbei oxidiert das Dichromat-Ion den Stickstoff des Ammonium-Ions. Dieser Vorgang gleicht dem Ausbruch eines Vulkans.

Abschluss Version 2: Das Bild "Zwölf Sonnenblumen in einer Vase" von Van Gogh ist demnach nicht verstaubt oder verrußt. Das Bild wurde 1888 mit Chromgelb gemalt. Im Laufe der Zeit fand in der obersten Chromschicht eine Reduktion von Cr(VI) zu Cr(III) statt (wie in dem Experiment). Es bildete sich eine Mischfarbe und das Bild erscheint nun dunkler. Doch die Reaktion hat auch den Vorteil, dass durch sie eine grobe Altersbestimmung möglich ist, da ab dem 20. Jahrhundert Chromgelb nicht mehr verwendet wurde.

Abschluss Version 3: Aufgrund der Eigenschaften wird Chrom für die Herstellung rostfreier Stähle wie beispielsweise Besteck verwendet. Der Chromanteil im Besteck beträgt hierbei mehr als 10,5 %. Die vorhandene Oxidschicht des Chroms dient dazu, dass das Besteck seinen Glanz und die Festigkeit im Wasser und an der Luft beibehält. Das Besteck kann somit über einen längeren Zeitraum verwendet werden. 


Literatur:

  1. Riedel, E., Janiak, C. (2002): Anorganische Chemie, 5. Auflage, Berlin: Walter de Gruyter-Verlag.
  2. Mortimer, C. E. (2001): Das Basiswissen der Chemie, 7. Auflage, Georg Thieme Verlag.
  3. Schliebs, R. (1980): Chemie in unserer Zeit, 14. Jahrg., Verlag Chemie, S. 13-17.
  4. Schröter, W., Lautenschläger, K. H., Teschner, J. (2002): Taschenbuch der Chemie, 19. Auflage, Verlag Harri Deutsch.
  5. Riedel, E., Janiak, C. (2007): Anorganische Chemie, 7. Auflage, Berlin: Walter de Gruyter GmbH & Co. KG.
  6. www.seilnacht.com/Lexikon/24Chrom.htm, 11.07.2018.
  7. www.chids.de/dachs/expvortr/752Chrom_Kallin.doc, 30.10.2011.
  8. http://www.uni-ulm.de/fileadmin/website_uni_ulm/nawi.inst.060/Lectures/Einheit4rw.pdf, 19.11.2011. (08.07.2018 Link verschollen)
  9. http://www.chemievorlesung.uni-kiel.de/quali/ammoniumsulfid.pdf, 30.10.2011. (08.07.2018 Link verschollen)
  10. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b4/Vincent_Willem_van_Gogh_128.jpg, 01.11.2011 (Autor: The York Project; GNU Free Documentation License).
  11. https://www.youtube.com/watch?v=oWpXPSBSe6M, 08.07.2018.

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de