کروم

 یکی از عناصر مهم جدول تناوبی، با نماد شیمیاییCr و عدد اتمی 24 شناخته می‌شود. این فلز واسطه، در گروه ششم و دوره چهارم از جدول تناوبی قرار دارد و به عنوان یک فلز سخت، براق و خاکستری‌رنگ توصیف می‌شود. این فلز نه تنها به دلیل سختی و مقاومت بالای خود در برابر خوردگی و زنگ‌زدگی ارزشمند است، بلکه نقش کلیدی در صنایع مختلف ایفا می‌کند. در ادامه، اطلاعات جامعی در مورد تاریخچه، خواص، استخراج، کاربردها و خطرات آن ارائه می‌دهم.

تاریخچه کشف کروم

به عنوان یک عنصر در سال ۱۷۶۱ میلادی کشف شد، اما ابتدا بیشتر به عنوان رنگدانه (مانند رنگ قرمز روشن از کروکوئیت) استفاده می‌شد. در سال ۱۷۹۷، شیمیدان فرانسوی نیکولاس لوئی واکلین (Nicolas-Louis Vauquelin) موفق به جداسازی این فلز  از سنگ معدنی آن شد. او با مخلوط کردن کروکوئیت و هیدروکلریک اسید ، کروم(VI)اکسید ​\( CrO_{3} \)​را تهیه کرد و سپس در سال ۱۷۹۸، با حرارت دادن این اکسید در کوره‌های ذغالی، فلز خالص را به دست آورد. این کشف، پایه‌ای برای استفاده صنعتی از این عنصر شد، به ویژه در تولید فولاد ضدزنگ.

خواص فیزیکی و شیمیایی

کروم یک فلز واسطه است که ویژگی‌های منحصربه‌ فردی دارد :

استخراج و تولید کروم

این عنصر به طور عمده از سنگ معدن کرومیت (​\( FeCr_{2}O_{4} \)​، اکسید کروم-آهن-منیزیم) استخراج می‌شود. این معدن در پوسته زمین نسبتاً کمیاب است، اما منابع اصلی آن در آفریقای جنوبی (حدود ۵۰% تولید جهانی)، قزاقستان، هند، ترکیه و روسیه قرار دارد. در سال ۲۰۱۶، جهان حدود ۳۰ میلیون تن کرومیت تولید کرد که بیش از ۹۵% آن برای تولید فلزات استفاده شد.

فرآیند تولید شامل :

تشویه و شستشو: برای جداسازی ناخالصی‌ها.

کاهش: با روش‌های آلومینوترمی (با آلومینیوم)، سیلیکوترمی (با سیلیکون) یا الکترولیز برای تولید فروکروم (آلیاژ آهن-کروم). فلز خالص کروم با کاهش کربن یا آلومینیوم تولید می‌شود.

ایالات متحده از روش‌های آلومینوترمی و روسیه از الکترولیز استفاده می‌کنند.

کاربرد

حدود ۸۵% کروم در آلیاژهای فلزی استفاده می‌شود، اما کاربردهای متنوعی دارد:

صنعت فولاد: افزودنی اصلی در فولاد ضدزنگ (حداقل ۱۰٫۵% کروم برای خاصیت ضدخوردگی). مثلاً در استیل‌های ۳۰۴ و ۳۱۶.

آبکاری و روکش: برای افزایش براقیت و مقاومت در برابر سایش (مانند قطعات خودرو، ابزارآلات، شیرآلات و جواهرات).

صنایع شیمیایی: به عنوان کاتالیزور، در رنگ‌ها (سبز کروم)، رنگرزی و تمیزکننده‌ها.

مواد نسوز: در آجرهای نسوز و قالب‌های پخت.

زیست‌شناسی: یون Cr³⁺ برای متابولیسم قند، چربی و انسولین ضروری است (مکمل‌های غذایی).

سایر: در نوارهای مغناطیسی، شیشه‌های رنگی، رنگ مو و ابزارهای دقیق ، کروم فولاد را “زنگ‌نزن” می‌کند و ارزش اقتصادی بالایی ایجاد کرده است.

خطرات و ایمنی

​\( Cr^{3+} \)​: غیرسمی و ضروری برای بدن (کمبود آن باعث اختلال در قند خون می‌شود).

​\( Cr^{6+} \)​: سمی، سرطان‌زا و اکسیدکننده قوی ؛ باعث آسیب به پوست، ریه‌ها و DNA می‌شود. در صنایع شیمیایی و آبکاری، باید با احتیاط استفاده شود. کروم در فاضلاب‌های صنعتی (مانند چرم‌سازی) آلاینده است و نیاز به تصفیه دارد. در کل، کروم فلزی کلیدی در پیشرفت صنعتی است و بدون آن، صنایع مدرن مانند خودروسازی و ساخت‌وساز بسیار متفاوت بودند.

نقش زیستی و اهمیت در بدن انسان

کروم به عنوان یک عنصر کمیاب (trace element) در بدن انسان ضروری است، به ویژه در فرم​\( Cr^{3+} \)​  این یون نقش کلیدی در متابولیسم کربوهیدرات‌ها، چربی‌ها و پروتئین‌ها ایفا می‌کند.

عملکرد اصلی: کروم به عنوان بخشی از “عامل تحمل گلوکز” (Glucose Tolerance Factor – GTF) عمل می‌کند که به انسولین کمک می‌کند تا گلوکز را به سلول‌ها منتقل کند. کمبود آن می‌تواند منجر به دیابت نوع ۲، اختلال در کنترل قند خون و حتی مشکلات قلبی شود.

میزان مورد نیاز: روزانه حدود ۲۰ الی ۳۵ میکروگرم برای بزرگسالان توصیه می‌شود. منابع غذایی اصلی شامل بروکلی، غلات کامل، گوشت، تخم‌مرغ و مخمر آبجو هستند.

جذب: جذب کروم در روده کوچک حدود ۰٫۵ تا ۲٪ است و توسط ویتامین C و اسیدهای آمینه بهبود می‌یابد. در رژیم‌های غربی، کمبود شایع است، به همین دلیل مکمل‌های کروم (مانند پিকولینات کروم) محبوب شده‌اند، هرچند شواهد علمی برای کاهش وزن محدود است.

سمیت زیستی : ​\( Cr^{6+} \)​ (در کرومات‌ها) بسیار سمی است و می‌تواند باعث سرطان ریه، پوست و بینی شود، اما ​\( Cr^{3+} \)​ ایمن است.

در مطالعات اخیر، کروم به عنوان درمانی برای سندرم متابولیک و بهبود حساسیت به انسولین بررسی شده است.

ترکیبات مهم کروم

کروم بیش از ۳۰ حالت اکسیداسیون ( اکسایش ) دارد، اما ترکیبات اصلی آن عبارتند از:

کروم(III)اکسید ​\( Cr_{2}O_{3} \)​: سبز رنگ، مقاوم به حرارت، در رنگ‌ها، سرامیک‌ها و روکش‌های ضدسایش استفاده می‌شود. به عنوان کاتالیزور در صنایع شیمیایی کاربرد دارد.

کروم(VI)اکسید  (​\( CrO_{3} \)​): نارنجی‌رنگ، اکسیدکننده قوی، در آبکاری، چرم‌سازی و تمیزکننده‌ها. اما به دلیل سمیت بالا، در بسیاری کشورها (مانند اتحادیه اروپا) محدود شده است.

کرومات‌ها و دی‌کرومات‌ها (مانند ​\( Na_{2}CrO_{4} \)​ و ​\( K_{2}Cr_{2}O_{7} \)​): زرد یا نارنجی، در رنگ‌های ضدزنگ و ضدخوردگی (پرایمرها). پتاسیم دی‌کرومات در آزمایشگاه‌ها به عنوان اکسیدکننده استفاده می‌شود.

فروکروم: آلیاژ آهن-کروم (۶۰تا۷۰٪ کروم) که برای تولید فولاد ضدزنگ اساسی است.

سایر: کروم(III)کلرید در آبکاری و کروم سولفات در برنزه کردن چرم.

ترکیبات +۶ اغلب سرطان‌زا بوده و باید با احتیاط استفاده شوند.

کاربردهای پیشرفته و نوین

علاوه بر فولاد و آبکاری که قبلاً گفتم، کروم در فناوری‌های مدرن هم نقش دارد:

نانوتکنولوژی: نانوذرات کروم در کاتالیزورهای هیدروژناسیون و حسگرهای زیستی استفاده می‌شود. همچنین در روکش‌های نانویی برای افزایش دوام باتری‌های لیتیوم-یون.

انرژی و محیط زیست: در سلول‌های خورشیدی (به عنوان لایه محافظ) و هیدروژن‌سازی الکترولیتی. کروم در آلیاژهای سوپرآلیاژ برای توربین‌های گازی (مانند در هواپیماها) حیاتی است.

پزشکی: ایمپلنت‌های ارتوپدی (مانند مفاصل مصنوعی) از آلیاژ کروم-کبالت-مولیبدن ساخته می‌شوند. همچنین در داروهای ضددیابت.

صنایع الکترونیک: در لایه‌های نازک برای مدارهای مجتمع و صفحه‌های لمسی (به دلیل رسانایی و مقاومت سایشی).

هنر و جواهرات: در آبکاری طلایی (gold plating) و رنگ‌های جواهری مانند یاقوت کروم‌دار (به دلیل اثر رنگی​\( Cr^{3+} \)​ ). در سال‌های اخیر، با تمرکز بر پایداری، جایگزین‌های غیرسمی برای​\( Cr^{6+} \)​  (مانند تریفلات‌ها) در حال توسعه است. تریفلات (به انگلیسی: Triflate) که به طور کامل به آن تری‌فلوئورومتان‌سولفونات (Trifluoromethanesulfonate) گفته می‌شود، یک گروه عاملی یا آنیون شیمیایی با فرمول(​\( CF_{3}SO_{3}^{-} \)​ ) است. این ترکیب معمولاً به صورت نمک یا استر (مثل تریفلات‌های آلی) استفاده می‌شود و در شیمی آلی و کاتالیزورها نقش مهمی دارد.

نکات جالب و حقایق اضافی

نام‌گذاری: نام “کروم” از کلمه یونانی “chroma” به معنای “رنگ” گرفته شده، چون ترکیبات آن رنگ‌های درخشان (سبز، قرمز، زرد) تولید می‌کنند.

فراوانی: کروم پنجاه و چهارمین عنصر فراوان در پوسته زمین است (حدود100ppm)، اما خالص آن نادر است و همیشه در معادن یافت نمی‌شود.

تاریخچه جالب: در دوران باستان، کرومیت برای رنگ‌های سرخ و سبز در شیشه و سرامیک استفاده می‌شد. ناپلئون از دکمه‌های کروم‌دار در یونیفرم سربازانش برای براقیت استفاده کرد!

تولید جهانی ۲۰۲۳-۲۰۲۴: آفریقای جنوبی همچنان بزرگ‌ترین تولیدکننده (۱۵ میلیون تن کرومیت) است، اما زنجیره تأمین تحت تأثیر تنش‌های ژئوپلیتیکی (مانند جنگ اوکراین) قرار گرفته. قیمت فروکروم در ۲۰۲۴ حدود ۱٫۵-۲ دلار به ازای هر کیلوگرم نوسان داشته.

چالش‌های زیست‌محیطی: استخراج کروم باعث آلودگی آب‌های زیرزمینی با(​\( Cr^{+6} \)​ )  می‌شود (مانند حادثه ۲۰۱۰ در مجارستان). فناوری‌های جدید مانند بیو -رمدیاسیون (با باکتری‌ها) برای تبدیل​\( Cr^{+6} \)​ به ​\( Cr^{+3} \)​در حال پیشرفت است. بیورمدیاسیون (Bioremediation) به معنای استفاده از موجودات زنده، به‌ویژه میکروارگانیسم‌ها (مانند باکتری‌ها، قارچ‌ها یا جلبک‌ها)، برای حذف، تجزیه یا خنثی‌سازی آلاینده‌های زیست‌محیطی از خاک، آب یا هوا است. در این روش، میکروارگانیسم‌ها آلاینده‌های مضر مانند مواد شیمیایی، نفت، فلزات سنگین یا سموم را به ترکیبات غیرسمی یا کمتر خطرناک تبدیل می‌کنند. این فرآیند می‌تواند به‌صورت طبیعی یا با دخالت انسان (مثلاً افزودن مواد مغذی یا میکروب‌های خاص) انجام شود. بیورمدیاسیون یک روش پایدار و دوستدار محیط‌زیست برای پاکسازی محیط‌های آلوده است و در مقایسه با روش‌های شیمیایی یا فیزیکی معمولاً هزینه کمتری دارد. مانند استفاده از باکتری‌ها برای تجزیه لکه‌های نفتی در دریا  و پاکسازی خاک‌های آلوده به سموم کشاورزی با کمک قارچ‌ها

در فضا : آلیاژهای کروم‌دار در سازه‌های فضایی ناسا (مانند شاتل‌ها) برای مقاومت به دماهای بالا استفاده می‌شود.

اکسیدها و اسیدهای مرتبط

 ترکیبات 3 + (تری‌والانت، پایدار و غیرسمی)

کروم(III) کلرید بنفش رنگ ، در آبکاری و کاتالیزورها ، هیدرات آن ​\( CrCl_{3}.6H_{2}O \)​است .

کروم(III) سولفات ​\( Cr_{2}(SO_{4})_{3} \)​آبی – خاکستری ، محلول در آب ، در برنزه کردن چرم و مکمل های غذایی ( مانند پلی نیکوتینات کروم ) و هیدرات آن ​\( Cr_{2}(SO_{4})_{3}.18H_{2}O \)​است .

کروم(III) استات ​\( Cr(CH_{3}COO)_{3} \)​کمی محلول در آب و قابل استفاده در فرایند های شیمیایی

آلو کروم ( نمک دوگانه ) با فرمول شیمیایی ​\( KCr(SO_{4})_{2}.12H_{2}O \)​ با رنگ بنفش که در تصفیه آب و رنگ ها ، دباغی چرم و رنگرزی پارچه به عنوان تثبیت کننده رنگ استفاده می شود .

ترکیبات 6+ (هگزاوالانت، اکسیدکننده و سمی)

سدیم کرومات با رنگ زرد و محلول در آب که در رنگ های ضدزنگ . پرایمرها ( یک نوع پوشش اولیه است که به عنوان لایه زیرین روی سطوح معمولاً فلزی اعمال می شود . ) استفاده شده و بسیار سمی است .

پتاسیم کرومات زرد رنگ که در رنگ ها و آزمایشگاه ها به عنوان اکسید کننده کاربرد دارد .

پتاسیم دی کرومات نارنجی رنگ ، اکسید کننده قوی ، در تمیز کنندهها و آزمایش های تحلیلی به کار می رود و سرطان زا می باشد .

سدیم دی کرومات که مشابه پتاسیم دی کرومات که در تولید رنگ ها استفاده می شود .

سرب کرومات ( کروکوئیت معدنی ) ​\( PbCrO_{4} \)​ قرمز نارنجی ، رنگدانه های طبیعی اما سمی است .

ترکیبات نادر و خاص

فلوئورید کروم(V): ​\( CrF_{5} \) (سرخ، فرار، نقطه ذوب ۳۰ درجه سلسیوس؛ نادر.)

پتاسیم پروکسی‌کرومات : ​\( K_{3}[Cr(O_{2})_{4}] \)​(قهوه‌ای-سرخ، ناپایدار در دمای بالا.)

فروکروم ( آلیاژ، نه ترکیب شیمیایی خالص): FeCr (۶۰-۷۰% Cr، در فولادسازی.)

کروم(III)پیکولینات  (مکمل غذایی): ​\( Cr(C_{6}H_{4}NCO_{2})_{3} \)​ (برای کنترل قند خون.)