Cromo

Cromo
24 Cr                                                                                                                                                                                                                                               vanadio ← cromo → manganese
Aspetto
Aspetto dell'elemento metallo argenteo
Linea spettrale Linea spettrale dell'elemento
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico	cromo, Cr, 24
Serie	metalli di transizione
Gruppo, periodo, blocco	6 (VIB), 4, d
Densità	7 140 kg/m³
Durezza	8,5
Configurazione elettronica	Configurazione elettronica
Termine spettroscopico	7S3
Proprietà atomiche
Peso atomico	51,9961
Raggio atomico (calc.)	140(166) pm
Raggio covalente	127 pm
Configurazione elettronica	[Ar]3d54s1
e− per livello energetico	2, 8, 13, 1
Stati di ossidazione	6,3,2 (acido forte)
Struttura cristallina	cubica a corpo centrato
Proprietà fisiche
Stato della materia	solido
Punto di fusione	2 130 K (1 860 °C)
Punto di ebollizione	2 945 K (2 672 °C)
Volume molare	7,23×10−6 m³/mol
Entalpia di vaporizzazione	344,3 kJ/mol
Calore di fusione	16,9 kJ/mol
Tensione di vapore	990 Pa a 2 130 K
Velocità del suono	5940 m/s a 293,15 K
Altre proprietà
Numero CAS	7440-47-3
Elettronegatività	1,66 (scala di Pauling)
Calore specifico	450 J/(kg·K)
Conducibilità elettrica	7,74×106 S/m
Conducibilità termica	93,7 W/(m·K)
Energia di prima ionizzazione	652,9 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione	1 590,6 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione	2 987 kJ/mol
Energia di quarta ionizzazione	4 743 kJ/mol
Energia di quinta ionizzazione	6 702 kJ/mol
Energia di sesta ionizzazione	8 744,9 kJ/mol
Isotopi più stabili
iso NA TD DM DE DP 50Cr 4,345% È stabile con 26 neutroni 51Cr sintetico 27,7025 giorni ε 0,753 51V 52Cr 83,789% È stabile con 28 neutroni 53Cr 9,501% È stabile con 29 neutroni 54Cr 2,365% È stabile con 30 neutroni
iso: isotopo NA: abbondanza in natura TD: tempo di dimezzamento DM: modalità di decadimento DE: energia di decadimento in MeV DP: prodotto del decadimento

Il cromo è l'elemento chimico di numero atomico 24, ha un numero di massa (pari alla somma dei suoi neutroni e dei suoi pro.toni) di 52 e il suo simbolo è Cr. È il primo elemento del gruppo 6 del sistema periodico, facente parte del blocco d. È un metallo di transizione lucente, di color grigio-acciaio, duro e fragile, molto resistente alla corrosione. Il nome deriva dal greco χρῶμα (chrôma), colore, per la varietà dei colori dei suoi composti.

Storia

Nel 1761 Johann Gottlob Lehmann trovò un minerale color rosso-arancio nei monti Urali, che battezzò piombo rosso siberiano: erroneamente identificato come un composto di piombo con parti di selenio e ferro, il minerale era in realtà un cromato di piombo.

Nel 1770 Peter Simon Pallas visitò lo stesso sito di Lehmann e rinvenne un altro "minerale di piombo" color rosso che poteva essere utilmente impiegato come pigmento per vernici. Nello stesso anno François Sulpice Beudant attribuì al nuovo minerale il nome di crocoite.

L'uso del piombo rosso siberiano si sviluppò rapidamente; nello stesso periodo un colore giallo brillante ricavato sempre dalla crocoite divenne molto di moda.

Nel 1797 Nicolas-Louis Vauquelin ricevette dei campioni di crocoite e riuscì a ricavarne ossido di cromo (CrO₃) mescolando la crocoite con acido cloridrico; un anno più tardi scoprì che poteva ottenere cromo metallico riscaldando l'ossido in un letto di carbone. Fu anche in grado di rilevare tracce di cromo in alcune gemme preziose, come rubini e smeraldi.

Durante l'Ottocento la crocoite come materia prima per l'estrazione del cromo fu soppiantata dalla cromite (scoperta nel 1797 ma descritta solo nel 1845 da Wilhelm von Haidiger), la quale ha contenuto decisamente più alto di cromo (fino a più del 40% in peso, contro un massimo del 16% nella crocoite).

Durante il XIX secolo il cromo fu usato principalmente per preparare vernici e pigmenti vari; oggi l'uso principale del cromo (85% del totale) è per leghe metalliche, con il resto diviso fra l'industria chimica, le fonderie e le fabbriche di laterizi.

Il nome "cromo" deriva dalla parola greca chroma, che vuol dire "colore", a causa del gran numero di composti vivacemente colorati di tale elemento.

Caratteristiche chimico-fisiche

Il cromo è un metallo durissimo, impiegato nelle leghe di acciai inossidabili. Partecipa anche alla formazione di leghe d'alluminio, rame e nichel. È impiegato come rivestimento protettivo delle superfici metalliche (cromatura), che acquistano splendore e resistenza alla corrosione.

Gli stati di ossidazione più comuni del cromo sono +2, +3 e +6, di cui +3 è il più stabile; gli stati +4 e +5 sono relativamente rari. I composti del cromo +6 (cromo esavalente) sono potenti ossidanti, e gli effetti tossici e cancerogeni del cromo esavalente sono principalmente imputati a questa caratteristica, rendendolo fortemente aggressivo nei confronti dei sistemi biologici. Il suo calore specifico è 0,45 J/(g·K). Esso è un elemento di transizione.

Isotopi

Del cromo si conoscono almeno 26 isotopi, con numeri di massa che vanno da A = 42, ad A = 67. Tra questi, quelli presenti in natura, e che sono osservativamente stabili, sono i quattro isotopi che seguono, con le loro abbondanze relative in parentesi: ⁵⁰Cr (4,345%), ⁵²Cr (83,789%, il più abbondante, con N = 28, numero magico di neutroni), ⁵³Cr (9,501%) e ⁵⁴Cr (2,365%). Passando dal primo all'ultimo di questi, l'eccesso dei neutroni sui protoni va da 2 a 6.

Isotopi stabili

Il primo degli isotopi naturali, il nuclide ⁵⁰Cr è osservativamente stabile ma, dato che il suo decadimento a ⁵⁰Ti è energeticamente favorito, si sospetta che possa avvenire. Le due modalità permesse sono la doppia cattura elettronica (εε), con rilascio di 1173,3 keV di energia, o anche il modo combinato di cattura elettronica e contemporanea emissione di positrone (εβ⁺), con rilascio di energia di 296,07 keV, mentre il modo di doppia emissione di positrone (2β⁺) è energeticamente proibito. L'emivita stimata del processo è di 1,3×10¹⁸ anni. Gli altri tre isotopi menzionati sono stabili.

L'isotopo ⁵³Cr è l'unico ad avere uno spin nucleare (3/2-) e ciò permette di usare la risonanza magnetica nucleare per l'elemento cromo (⁵³Cr-RMN), ma il suo valore maggiore di 1/2 comporta la presenza di un momento di quadrupolo nucleare, che causa allargamento dei picchi; tuttavia, in alcuni casi la tecnica è stata applicata, sebbene solo su campioni allo stato solido.

Il ⁵³Cr è un nuclide radiogenico del cromo, prodotto dal decadimento per cattura elettronica da parte del manganese-53 (T_1/2 = 3,7 milioni di anni), un radionuclide ormai estinto. Questo collega gli isotopi di Cr e Mn nelle indagini sui processi di nucleosintesi agli inizi della coalescenza del Sistema solare. Parallelamente, lo studio del rapporto ⁵⁴Cr/⁵²Cr nelle condriti carbonacee che si rinvengono nelle meteoriti riveste importanza per lo studio dell'evoluzione del Sistema Solare.

Isotopi radioattivi

Il ⁴⁸Cr (spin 0), con un numero di protoni e neutroni uguale, non è stabile; decade in modalità coesistente (ε/β⁺): principalmente (99,4%) per cattura elettronica (ε), accompagnata in percentuale restante da emissione di positrone (β⁺) per dare vanadio-48 (Q_ε = 1656 keV, Q_β+ = 634,01 keV, T_1/2 = 21,56 ore). Quest'ultimo non è stabile e decade a sua volta, ancora in modalità coesistente (ε/β⁺) a titanio-48, stabile.

Il ⁴⁹Cr (spin 5/2-), decade in modalità coesistente (ε/β⁺) a vanadio-49 (Q_ε = 2,626 MeV, Q_β+ = 1,604 MeV, T_1/2 = 42,33 minuti), che poi decade a sua volta, per cattura elettronica (ε), a titanio-49, stabile.

Il ⁵¹Cr (spin 7/2-), è un isotopo instabile che si trova in mezzo a due stabili: ⁵⁰Cr e ⁵²Cr; decade per cattura elettronica (ε) a vanadio-51, stabile (Q = 752,58 keV, T_1/2 = 27,70 giorni). È usato da tempo come radiofarmaco diagnostico in ematologia e nefrologia. Viene anche ampiamente impiegato in saggi di citotossicità.

Il ⁵⁵Cr (spin 3/2-), decade β⁻ a manganese-55, stabile (Q = 2,603 MeV, T_1/2 = 3,497 minuti).

Il ⁵⁶Cr (spin 0), decade β⁻ a manganese-56 (Q = 1,628 MeV, T_1/2 = 5,933 minuti), che poi decade a sua volta, ancora β⁻, a ferro-56, stabile.

Tutti gli altri isotopi sono molto radioattivi, con emivite di meno di un minuto.

Produzione

Materia prima

Il cromo si estrae dal suo principale minerale, la cromite (FeCr₂O₄), un ossido misto di Cr(III) e Fe(II) ed anche uno spinello. Circa metà della cromite estratta nel mondo viene dal Sudafrica. Altri produttori importanti sono il Kazakistan, l'India e la Turchia. Esistono molti giacimenti vergini di cromite, ma sono concentrati quasi tutti in Kazakistan e in Sudafrica. La produzione annua nel 2000 è stata di circa 15 milioni di tonnellate, convertita quasi tutta in 40 milioni di tonnellate di lega ferro-cromo con un valore approssimativo di mercato di 2 miliardi di euro.

I depositi di cromo nativo puro sono rari: la miniera Udačnaja in Russia ne produce piccole quantità. È una miniera di diamanti che sfrutta una vena di kimberlite, in cui l'ambiente riducente favorisce l'accumulo di cromo metallico puro.

Processi

Riduzione chimica dell'ossido di cromo(III) con alluminio, silicio o carbone:

Cr₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Cr

Cr₂O₃ + 3C → 3CO + 2Cr

Per via elettrochimica è possibile ridurre l'allume di cromo e l'ossido di cromo(VI).

• 
  Produzione mondiale di cromo per nazione
• 
  Produzione annuale di cromo

Produzione mondiale

I maggiori produttori di cromo nel 2019
Posizione	Paese	Produzione (Mille tonnellate)
1	Sudafrica	16395
2	Turchia	10000
3	Kazakistan	6700
4	India	4139
5	Finlandia	2415
6	Brasile	200
	Altri paesi	4910

Composti

Il dicromato di potassio è un potente agente ossidante ed è il miglior composto disponibile per eliminare ogni possibile composto organico dai vetri di laboratorio, ma è altamente tossico e mutageno. Il verde cromo è un ossido di cromo, Cr₂O₃ usato nelle vernici per miniature, modellismo e pittura su vetro. Il giallo cromo è un pigmento giallo brillante, PbCrO₄, usato dai pittori.

L'acido cromico ha la struttura (ipotizzata) H₂CrO₄. Né l'acido cromico né l'acido dicromico sono presenti in natura, ma i loro anioni si possono ritrovare in una gran varietà di composti. Sia il triossido di cromo, CrO₃ (l'anidride acida di cromo) che l'acido cromico propriamente detto sono venduti industrialmente come "acido cromico".

Applicazioni

Utilizzi del cromo e dei suoi composti:

• In metallurgia, per conferire resistenza alla corrosione ed una finitura lucida:
  • come costituente per leghe resistenti al calore (grazie alla funzione protettiva dell'ossido Cr₂O₃), come nell'acciaio inox, nelle leghe per resistenze elettriche al Ni-Cr (80% Ni - 20% Cr) o Fe-Ni-Cr (con tenori massimi del 30%),
  • nella cromatura,
  • nell'alluminio anodizzato.
• Per smalti e vernici.
  • L'ossido di cromo (III) è un lucidante per metalli conosciuto come green rouge.
  • I sali di cromo colorano il vetro di verde smeraldo.
  • Il cromo è responsabile del colore rosso dei rubini, ed è usato nella produzione di rubini sintetici.
• Come catalizzatore.
• La cromite si usa per fare impasti per la cottura dei mattoni.
• Sali di cromo si usano nella conciatura del cuoio.
• Il dicromato di potassio è un reagente chimico ed è anche un agente titolante. Si usa anche come mordenzante per tinture per stoffa.
• La miscela cromica è usata nella pulitura della vetreria di laboratorio.
• L'ossido di cromo (IV) (CrO₂) si usa per fabbricare nastri magnetici: grazie alla maggiore coercitività rispetto al ferro, i nastri al cromo offrono prestazioni superiori.

• 
  Cerchione cromato
• 
  Componenti cromati in una motocicletta

Precauzioni e tossicologia

Simboli di rischio chimico
frasi H	---
frasi R	R 40
consigli P	---
Le sostanze chimiche vanno manipolate con cautela
Avvertenze

Il cromo metallico e i composti del cromo trivalente non sono normalmente considerati pericolosi per la salute, ma i composti del cromo esavalente (cromati e bicromati) sono molto tossici se ingeriti o se i fumi vengono respirati. La dose letale di composti di cromo esavalente è, per esempio, nel caso del bicromato d'ammonio, per somministrazione orale LD50 <190 (Cr⁶⁺) mg/kg nel ratto. Dimostra irritabilità primaria ed è corrosivo sulla pelle e sulle mucose, può essere mortale se assorbito anche attraverso la pelle e se ingerito; l'inalazione può provocare spasmo dei bronchi, infiammazione ed edema della laringe e dei bronchi, polmonite chimica ed edema polmonare. Presenta frequentemente fenomeni di sensibilizzazione se inalato, e a contatto con la pelle. Si sospetta essere teratogeno ed è classificato come cancerogeno per quasi tutti gli organismi viventi (tra cui anche gli esseri umani).

Si discute invece se il cromo trivalente sia un oligonutriente essenziale, necessario per il corretto metabolismo degli zuccheri nel corpo umano. La Food Standards Agency inglese, per esempio ha visto e ricorretto i dati relativi al fabbisogno umano di tale elemento, spesso supplementato nella dieta in forma di cromo picolinato e varie volte accusato di essere al contrario solamente dannoso, o al più ininfluente, se assunto in piccole dosi. Non è dimostrato che una carenza di cromo influenzi eventualmente la capacità dell'insulina di regolare il livello di glucosio nel sangue. Diversamente da altri oligominerali, non è stata trovata traccia di atomi di cromo in alcuna metalloproteina dotata di attività biologica e neppure in altri composti attivi. Il ruolo del cromo nel metabolismo degli zuccheri resta dunque, per ora, un mistero o un fatto irrilevante.

Poiché molti composti del cromo sono stati e sono tuttora usati in colori, vernici e nella concia del cuoio, molti di essi si ritrovano oggi nel terreno e nelle falde acquifere in siti industriali abbandonati, che ora necessitano di decontaminazione e recupero ambientale.

Nel 1958 l'OMS consigliò una concentrazione massima ammissibile per il cromo esavalente di 0,05 mg/l nell'acqua potabile, sulla base di misure di salvaguardia per la salute. Tale raccomandazione è stata rivista molte volte, ma il valore fissato non è mai stato elevato.

A partire dal 1º luglio 2006 è diventata obbligatoria la Direttiva della Comunità Europea 2002/95/CE (RoHS) che vieta l'utilizzo di cromo esavalente come componente nei rivestimenti anticorrosione in vari tipi di apparecchiature elettriche ed elettroniche.

Cromo trivalente

Risultati contrastanti di studi di tossicità subcronica, cronica e riproduttiva sui sali del cromo solubile (III) e sull'uomo impediscono di determinare il valore massimo di tossicità.
Il gruppo di esperti sulle vitamine e minerali del Regno Unito (EVM) ha definito non tossica una dose di 0,15 mg/kg di peso corporeo / giorno di cromo (III) (o 10 mg / persona / giorno).
L'OMS ha fissato il limite alla supplementazione di cromo a 250 μg / giorno.

Più studi hanno affermato che il cromo picolinato monoidrato non è mutageno o cancerogeno, con un ampio margine di sicurezza di 4-5 ordini di grandezza.L'US National Toxicology Programme (NTP) ha accertato nei ratti e topi l'assenza di danni al DNA per la somministrazione equivalente nell'uomo a 50 000 mg/kg della dieta per un periodo di due anni, molto più alto della dose di 250 µg/giorno

Intossicazione acuta

La maggior parte dei composti del cromo esavalente sono irritanti per gli occhi, per la pelle e per le mucose, ed un'esposizione cronica ad essi può causare danni permanenti agli occhi, se non adeguatamente curati. L'ingestione di liquidi contenenti cromo (accidentale o a scopo suicidario) provoca gravi gastroenteriti con nausea, dolori addominali, vomito e diarrea. A questa fase segue il danno epatico e renale e necrosi tubulare acuta con sviluppo di insufficienza renale acuta molto grave e possibile morte.

Intossicazione cronica

Il cromo è responsabile di una lunga serie di effetti tossici cronici. Tra questi i più noti sono:

• Congiutiviti e cheratocongiuntiviti croniche
• Dermatiti irritative, talora ulcerazioni a carico di avambracci, mani e piedi
• Laringite cronica, bronchite, asma
• Epatopatie e disturbi a carico del tratto gastrointestinale
• Rinite ulcerativa, con possibile perforazione del setto nasale

Il cromo esavalente è inoltre un famoso agente cancerogeno per gli esseri umani (gruppo I secondo IARC). Esiste infatti una estesa letteratura scientifica (vedi Bibliografia), dimostrante gli effetti cancerogeni del cromo (VI) sia in esperimenti di laboratorio che come casistica. Il cromo è responsabile di:

• Carcinoma dei seni paranasali
• Carcinoma del polmone, soprattutto negli addetti alla cromatura elettrolitica e alla produzione dei pigmenti del cromo.

Indicatori di dose

Per stabilire la possibile esposizione al cromo, si deve procedere alla misurazione del cromo urinario prima e dopo il turno lavorativo. Questo semplice metodica permette di quantificare l'esposizione al tossico in soggetti con manifestazioni cliniche suggestive di intossicazione da cromo.

Bibliografia

• Francesco Borgese, Gli elementi della tavola periodica. Rinvenimento, proprietà, usi. Prontuario chimico, fisico, geologico, Roma, CISU, 1993, ISBN 88-7975-077-1.
• R. Barbucci, A. Sabatini e P. Dapporto, Tavola periodica e proprietà degli elementi, Firenze, Edizioni V. Morelli, 1998 (archiviato dall'url originale il 22 ottobre 2010).
• Alfredo Bonsignore e Franco Ottenga, Medicina del lavoro, ECIG, 2002, ISBN 978-88-7545-929-1.
• W. Büchner, R. Schliebs, G. Winter e K.H. Büchel, Chimica inorganica industriale, Piccin, ISBN 88-299-1348-0.

Voci correlate

• Acido cromico
• Cromato di sodio
• Dicromato di potassio
• Formiato di cromo
• Solfato di cromo e potassio dodecaidrato
• Stellite

Altri progetti

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• Wikizionario
• Wikimedia Commons

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Collegamenti esterni

• cromo, su Treccani.it – Enciclopedie on line, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.
• (EN) Erik Gregersen, chromium, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
• (EN, FR) Cromo, su Enciclopedia canadese.
• (EN) Cromo, su periodic.lanl.gov, Los Alamos National Laboratory.
• (EN) Cromo, su EnvironmentalChemistry.com.
• (EN) International Chromium Development Association, su chromium-asoc.com. URL consultato il 6 gennaio 2005 (archiviato dall'url originale il 29 novembre 2003).
• (EN) It's Elemental – L'elemento Cromo, su education.jlab.org.
• (EN) Cromo nativo, su mineral.galleries.com. URL consultato il 6 gennaio 2005 (archiviato dall'url originale il 3 ottobre 2003).
• Manuale Merck – Carenze minerali e tossicità, su merck.com. URL consultato il 6 gennaio 2005 (archiviato dall'url originale l'8 ottobre 2003).