CHROME: PROPRIÉTÉS, CARACTÉRISTIQUES ET UTILISATIONS - CHIMIE - 2025

Le chrome (Cr) est un élément métallique du groupe 6 (VIB) du tableau périodique. Des tonnes de ce métal sont produites annuellement grâce à son extraction du minéral chromite de fer ou de magnésium (FeCr ₂ O ₄, MgCr ₂ O ₄), qui sont réduits avec du charbon pour obtenir le métal. Il est très réactif, et ce n'est que dans des conditions très réductrices qu'il est sous sa forme pure.

Son nom dérive du mot grec «chroma», qui signifie couleur. On lui a donné ce nom en raison des couleurs multiples et intenses des composés du chrome, qu'ils soient inorganiques ou organiques; des solides ou solutions noirs au jaune, orange, vert, violet, bleu et rouge.

Crocodile chromé. Alligator modèle en métal chromé avec crocodile argenté. Source: Maxpixel

Cependant, la couleur du chrome métallique et de ses carbures est grisâtre argenté. Cette caractéristique est exploitée dans la technique du chromage pour donner à de nombreuses structures des paillettes argentées (comme celles que l'on voit chez le crocodile sur l'image ci-dessus). Ainsi, en «baignant avec du chrome», les pièces reçoivent du lustre et une grande résistance à la corrosion.

Le chrome en solution réagit rapidement avec l'oxygène de l'air pour former des oxydes. En fonction du pH et des conditions d'oxydation du milieu, il peut acquérir différents indices d'oxydation, (III) (Cr ³⁺) étant le plus stable de tous. Par conséquent, l'oxyde de chrome (III) vert (Cr ₂ O ₃) est le plus stable de ses oxydes.

Ces oxydes peuvent interagir avec d'autres métaux de l'environnement, provoquant par exemple le pigment de plomb rouge de Sibérie (PbCrO ₄). Ce pigment est jaune-orangé ou rouge (selon son alcalinité), et à partir de lui le scientifique français Louis Nicolas Vauquelin a isolé le cuivre métallique, c'est pourquoi il est récompensé comme son découvreur.

Ses minéraux et oxydes, ainsi qu'une infime partie de cuivre métallique font de cet élément le 22e rang des plus abondants dans la croûte terrestre.

La chimie du chrome est très diversifiée car elle peut former des liaisons avec presque tout le tableau périodique. Chacun de ses composés présente des couleurs qui dépendent du nombre d'oxydation, ainsi que des espèces qui interagissent avec lui. De même, il forme des liaisons avec le carbone, intervenant dans un grand nombre de composés organométalliques.

Caractéristiques et propriétés

Le chrome est un métal argenté à l'état pur, avec un numéro atomique de 24 et un poids moléculaire d'environ 52 g / mol (⁵² Cr, son isotope le plus stable).

Compte tenu de ses fortes liaisons métalliques, il présente des points de fusion élevés (1907 ºC) et des points d'ébullition (2671 ºC). De plus, sa structure cristalline en fait un métal très dense (7,19 g / mL).

Il ne réagit pas avec l'eau pour former des hydroxydes, mais il réagit avec les acides. Il s'oxyde avec l'oxygène de l'air, produisant généralement de l'oxyde chromique, qui est un pigment vert largement utilisé.

Ces couches d'oxyde créent ce que l'on appelle la passivation, protégeant le métal d'une corrosion supplémentaire, car l'oxygène ne peut pas pénétrer dans le sinus métallique.

Sa configuration électronique est 4s ¹ 3d ⁵, avec tous les électrons non appariés, et par conséquent, il présente des propriétés paramagnétiques. Cependant, l'accouplement des spins électroniques peut se produire si le métal est soumis à de basses températures, acquérant d'autres propriétés telles que l'antiferromagnétisme.

Structure chimique du chrome

Par PNG originaux de Daniel Mayer, DrBob, tracés dans Inkscape par l'utilisateur: Stannered (structure en cristal), via Wikimedia Commons

Quelle est la structure du métal chromé? Dans sa forme pure, le chrome prend une structure cristalline cubique centrée sur le corps (cc ou bcc). Cela signifie que l'atome de chrome est situé au centre d'un cube, dont les bords sont occupés par d'autres chromes (comme dans l'image ci-dessus).

Cette structure est responsable du chrome ayant des points de fusion et d'ébullition élevés, ainsi qu'une dureté élevée. Les atomes de cuivre chevauchent leurs orbitales s et d pour former des bandes de conduction selon la théorie des bandes.

Ainsi, les deux bandes sont à moitié pleines. Parce que? Parce que sa configuration électronique est 4s ¹ 3d ⁵ et que l'orbitale s, elle peut abriter deux électrons, et les orbitales d dix. Alors seulement la moitié des bandes formées par leurs chevauchements sont occupées par des électrons.

Avec ces deux perspectives - la structure cristalline et la liaison métallique - bon nombre des propriétés physiques de ce métal peuvent être expliquées en théorie. Cependant, ni l'un ni l'autre n'explique pourquoi le chrome peut avoir différents états ou nombres d'oxydation.

Cela nécessiterait une compréhension approfondie de la stabilité de l'atome par rapport aux spins électroniques.

Numéro d'oxydation

Puisque la configuration électronique du chrome est 4s ¹ 3d ^{5, il} peut gagner jusqu'à un ou deux électrons (Cr ^1– et Cr ^2–), ou les perdre pour acquérir des nombres d'oxydation différents.

Ainsi, si le chrome perd un électron, ce serait 4s ⁰ 3d ⁵; s'il en perd trois, 4s ⁰ 3d ³; et s'il les perd tous, ou ce qui est pareil, ce serait isoélectronique à l'argon.

Le chrome ne perd ni ne gagne d'électrons par simple caprice: il doit y avoir une espèce qui les donne ou les accepte pour passer d'un nombre d'oxydation à un autre.

Le chrome a les numéros d'oxydation suivants: -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5 et +6. Parmi ceux-ci, +3, Cr ³⁺, est le plus stable et donc prédominant de tous; suivi de +6, Cr ⁶⁺.

Cr (-2, -1 et 0)

Le chrome est très peu susceptible de gagner des électrons, car il s'agit d'un métal, et donc sa nature est de les donner. Cependant, il peut se coordonner avec des ligands, c'est-à-dire des molécules qui interagissent avec le centre métallique via une liaison dative.

L'un des plus connus est le monoxyde de carbone (CO), qui forme le composé hexacarbonyle du chrome.

Ce composé a la formule moléculaire Cr (CO) ₆, et comme les ligands sont neutres et ne fournissent aucune charge, alors Cr a un indice d'oxydation de 0.

Ceci peut également être observé dans d'autres composés organométalliques tels que le bis (benzène) chrome. Dans ce dernier, le chrome est entouré de deux anneaux benzéniques dans une structure moléculaire en sandwich:

Par Ben Mills, de Wikimedia Commons

De nombreux autres composés Cr (0) peuvent provenir de ces deux composés organométalliques.

Des sels ont été trouvés là où ils interagissent avec les cations sodium, ce qui implique que Cr doit avoir un indice d'oxydation négatif pour attirer les charges positives: Cr (-2), Na ₂ et Cr (-1), Na ₂.

Cr (I) et Cr (II)

Cr (I) ou Cr ¹⁺ est produit par l'oxydation des composés organométalliques qui viennent d'être décrits. Ceci est réalisé par des ligands oxydants, tels que CN ou NO, formant ainsi, par exemple, le composé K ₃.

Ici, le fait qu'il y ait trois cations K ⁺ implique que le complexe de chrome a trois charges négatives; de même le ligand CN ^- apporte cinq charges négatives, de sorte qu'entre Cr et NO, ils doivent ajouter deux charges positives (-5 + 2 = -3).

Si NON est neutre, alors c'est Cr (II), mais s'il a une charge positive (NO ⁺), alors c'est Cr (I).

En revanche, les composés Cr (II) sont plus abondants, parmi lesquels les suivants: chlorure de chrome (II) (CrCl ₂), acétate de chrome (Cr ₂ (O ₂ CCH ₃) ₄), oxyde de chrome (II) (CrO), sulfure de chrome (II) (CrS), etc.

Cr (III)

De tous, c'est celui qui a la plus grande stabilité, car il est en fait le produit de nombreuses réactions oxydatives d'ions chromate. Peut-être que sa stabilité est due à sa configuration électronique d ³, dans laquelle trois électrons occupent trois orbitales d de plus faible énergie par rapport aux deux autres plus énergétiques (doublage d-orbitale).

Le composé le plus représentatif de cet indice d'oxydation est l'oxyde de chrome (III) (Cr ₂ O ₃). Selon les ligands qui s'y coordonnent, le complexe présentera une couleur ou une autre. Des exemples de ces composés sont: Cl, Cr (OH) ₃, CrF ₃, ³⁺, etc.

Bien que la formule chimique ne le montre pas à première vue, le chrome a généralement une sphère de coordination octaédrique dans ses complexes; c'est-à-dire qu'il est situé au centre d'un octaèdre où ses sommets sont positionnés par les ligands (six au total).

Cr (IV) et Cr (V)

Les composés auxquels participe Cr ⁵⁺ sont très peu nombreux, du fait de l'instabilité électronique dudit atome, en plus du fait qu'il s'oxyde facilement en Cr ⁶⁺, beaucoup plus stable car isoélectronique par rapport au gaz rare argon.

Cependant, les composés Cr (V) peuvent être synthétisés dans certaines conditions, telles que la haute pression. De même, ils ont tendance à se décomposer à des températures modérées, ce qui rend leurs applications possibles impossibles car ils n'ont pas de résistance thermique. Certains d'entre eux sont: CrF ₅ et K ₃ (O ₂ ^2- est l'anion peroxyde).

En revanche, le Cr ⁴⁺ est relativement plus stable, étant capable de synthétiser ses composés halogénés: CrF ₄, CrCl ₄ et CrBr ₄. Cependant, ils sont également susceptibles d'être décomposés par des réactions redox pour produire des atomes de chrome avec de meilleurs indices d'oxydation (tels que +3 ou +6).

Cr (VI): le couple chromate-dichromate

2 ^2- + 2H ⁺ (jaune) => ^2- + H ₂ O (orange)

L'équation ci-dessus correspond à la dimérisation acide de deux ions chromate pour produire du bichromate. La variation du pH entraîne une modification des interactions autour du centre métallique du Cr ⁶⁺, également évidente dans la couleur de la solution (du jaune à l'orange ou vice versa). Le bichromate consiste en un pont O ₃ Cr-O-CrO ₃.

Les composés du Cr (VI) ont les caractéristiques d'être nocifs et même cancérigènes pour le corps humain et les animaux.

Comment? Des études soutiennent que les ions CrO ₄ ^2- traversent les membranes cellulaires par l'action de protéines de transport de sulfate (les deux ions sont en fait de taille similaire).

Les agents réducteurs dans les cellules réduisent le Cr (VI) en Cr (III), qui s'accumule en se coordonnant de manière irréversible à des sites spécifiques sur les macromolécules (comme l'ADN).

Une fois que la cellule est contaminée par un excès de chrome, elle ne peut pas sortir en raison de l'absence de mécanisme qui la ramène à travers les membranes.

Utilisations du chrome

Comme colorant ou pigments

Le chrome a une large gamme d'applications, du colorant pour différents types de tissus, au protecteur qui embellit les pièces métalliques dans ce que l'on appelle le chromage, qui peut être fabriqué avec du métal pur, ou avec des composés Cr (III) ou Cr (VI).

Le fluorure chromique (CrF ₃), par exemple, est utilisé comme colorant pour les tissus de laine; le sulfate chromique (Cr ₂ (SO ₄) ₃), est utilisé pour colorer les émaux, les céramiques, les peintures, les encres, les vernis, et est également utilisé pour le chrome des métaux; et l'oxyde chromique (Cr ₂ O ₃) trouve également une utilisation là où sa couleur verte attrayante est requise.

Par conséquent, tout minéral de chrome aux couleurs intenses peut être destiné à tacher une structure, mais après cela, le fait se pose de savoir si ces composés sont dangereux ou non pour l'environnement ou pour la santé des individus.

En fait, ses propriétés toxiques sont utilisées pour préserver le bois et d'autres surfaces des attaques d'insectes.

En chrome ou en métallurgie

De petites quantités de chrome sont également ajoutées à l'acier pour le renforcer contre l'oxydation et pour améliorer sa brillance. Ceci est dû au fait qu'il est capable de former des carbures grisâtres (Cr ₃ C ₂) très résistants à la réaction avec l'oxygène de l'air.

Parce que le chrome peut être poli pour obtenir des surfaces brillantes, le chrome présente alors des motifs et des couleurs argentés comme une alternative moins chère à ces fins.

Nutritionnel

Certains se demandent si le chrome peut être considéré comme un élément essentiel, c'est-à-dire indispensable dans l'alimentation quotidienne. Il est présent dans certains aliments en très faibles concentrations, comme les feuilles vertes et les tomates.

De même, il existe des suppléments protéiques qui régulent l'activité de l'insuline et favorisent la croissance musculaire, comme c'est le cas avec le polynicotinate de chrome.

Où est-il situé?

Source: Pixabay

Le chrome se trouve dans une grande variété de minéraux et de pierres précieuses tels que les rubis et les émeraudes. Le principal minéral à partir duquel le chrome est extrait est la chromite (MCr ₂ O ₄), où M peut être tout autre métal auquel l'oxyde de chrome est associé. Ces mines abondent en Afrique du Sud, en Inde, en Turquie, en Finlande, au Brésil et dans d'autres pays.

Chaque source a une ou plusieurs variantes de chromite. De cette manière, pour chaque M (Fe, Mg, Mn, Zn, etc.), un minéral de chrome différent apparaît.

Pour extraire le métal, il est nécessaire de réduire le minéral, c'est-à-dire de faire gagner des électrons au centre du métal chromé par l'action d'un réducteur. Cela se fait avec du carbone ou de l'aluminium:

FeCr ₂ O ₄ + 4C => Fe + 2Cr + 4CO

On trouve également de la chromite (PbCrO ₄).

Généralement, dans tout minéral où l'ion Cr ³⁺ peut se substituer à Al ³⁺, tous deux avec des rayons ioniques légèrement similaires, il constitue une impureté qui se traduit par une autre source naturelle de ce métal étonnant, mais nocif.

Références

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