El cromo es un elemento químico de símbolo Cr y número atómico 24. Es el primer elemento del grupo 6. Es un metal de transición de color gris acerado, brillante , duro y quebradizo . [7]
El cromo es valorado por su alta resistencia a la corrosión y dureza . Un avance importante en la producción de acero fue el descubrimiento de que el acero podía hacerse altamente resistente a la corrosión y la decoloración añadiendo cromo metálico para formar acero inoxidable . [8] El acero inoxidable y el cromado ( galvanoplastia con cromo) juntos comprenden el 85% del uso comercial. El cromo también es muy valorado como un metal que puede pulirse mucho al mismo tiempo que resiste el deslustre . El cromo pulido refleja casi el 70% del espectro visible y casi el 90% de la luz infrarroja . [9] El nombre del elemento se deriva de la palabra griega χρῶμα, chrōma , que significa color , [10] porque muchos compuestos de cromo son intensamente coloreados.
La producción industrial de cromo procede del mineral de cromita (principalmente FeCr2O4 ) para producir ferrocromo , una aleación de hierro y cromo, mediante reacciones aluminotérmicas o silicotérmicas . El ferrocromo se utiliza luego para producir aleaciones como el acero inoxidable. El cromo metálico puro se produce mediante un proceso diferente: tostación y lixiviación de la cromita para separarla del hierro, seguida de una reducción con carbono y luego con aluminio .
En los Estados Unidos, el ion cromo trivalente (Cr(III)) se considera un nutriente esencial en los seres humanos para el metabolismo de la insulina , el azúcar y los lípidos . [11] Sin embargo, en 2014, la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria , actuando en nombre de la Unión Europea, concluyó que no había pruebas suficientes para que el cromo fuera reconocido como esencial. [12]
Mientras que el cromo metálico y los iones Cr(III) se consideran no tóxicos, el cromato y sus derivados, a menudo llamados " cromo hexavalente ", son tóxicos y cancerígenos . Según la Agencia Europea de Sustancias y Mezclas Químicas (ECHA), el trióxido de cromo que se utiliza en los procesos industriales de galvanoplastia es una "sustancia altamente preocupante" (SVHC). [13]
El cromo gaseoso tiene una configuración electrónica en estado fundamental de [ Ar ] 3d 5 4s 1 . Es el primer elemento de la tabla periódica cuya configuración viola el principio de Aufbau . También se producen excepciones al principio más adelante en la tabla periódica para elementos como el cobre , el niobio y el molibdeno . [14]
El cromo es el primer elemento de la serie 3d en el que los electrones 3d empiezan a hundirse en el núcleo; por lo tanto, contribuyen menos a la unión metálica y, por lo tanto, los puntos de fusión y ebullición y la entalpía de atomización del cromo son inferiores a los del elemento precedente, el vanadio . El cromo (VI) es un agente oxidante fuerte en contraste con los óxidos de molibdeno (VI) y tungsteno (VI). [15]
El cromo es el tercer elemento más duro después del carbono ( diamante ) y el boro . Su dureza Mohs es de 8,5, lo que significa que puede rayar muestras de cuarzo y topacio , pero puede ser rayado por el corindón . El cromo es muy resistente al deslustre , lo que lo hace útil como metal que preserva su capa más externa de la corrosión , a diferencia de otros metales como el cobre , el magnesio y el aluminio .
El cromo tiene un punto de fusión de 1907 °C (3465 °F), que es relativamente bajo en comparación con la mayoría de los metales de transición. Sin embargo, todavía tiene el segundo punto de fusión más alto de todos los elementos del período 4 , siendo superado por el vanadio por 3 °C (5 °F) a 1910 °C (3470 °F). El punto de ebullición de 2671 °C (4840 °F), sin embargo, es comparativamente más bajo, teniendo el cuarto punto de ebullición más bajo de los metales de transición del período 4 solo detrás del cobre , el manganeso y el zinc . [nota 1] La resistividad eléctrica del cromo a 20 °C es de 125 nanoohm - metros .
El cromo tiene una alta reflexión especular en comparación con otros metales de transición. En el infrarrojo , a 425 μm , el cromo tiene una reflectancia máxima de aproximadamente el 72%, reduciéndose a un mínimo del 62% a 750 μm antes de aumentar nuevamente al 90% a 4000 μm. [9] Cuando el cromo se utiliza en aleaciones de acero inoxidable y pulido , la reflexión especular disminuye con la inclusión de metales adicionales, pero sigue siendo alta en comparación con otras aleaciones. Entre el 40% y el 60% del espectro visible se refleja desde el acero inoxidable pulido. [9] La explicación de por qué el cromo muestra una participación tan alta de ondas de fotones reflejadas en general, especialmente el 90% en el infrarrojo, se puede atribuir a las propiedades magnéticas del cromo. [16] El cromo tiene propiedades magnéticas únicas; es el único sólido elemental que muestra ordenamiento antiferromagnético a temperatura ambiente y por debajo. Por encima de los 38 °C, su ordenamiento magnético se vuelve paramagnético . [4] Las propiedades antiferromagnéticas, que hacen que los átomos de cromo se ionicen temporalmente y se unan entre sí, están presentes porque las propiedades magnéticas del cúbico centrado en el cuerpo son desproporcionadas con respecto a la periodicidad reticular . Esto se debe a los momentos magnéticos en las esquinas del cubo y a los centros del cubo desiguales, pero antiparalelos. [16] A partir de aquí, la permitividad relativa dependiente de la frecuencia del cromo, derivada de las ecuaciones de Maxwell y del antiferromagnetismo del cromo , deja al cromo con una alta reflectancia de luz infrarroja y visible. [17]
El cromo metálico en el aire se pasiva : forma una fina capa protectora superficial de óxido de cromo con la estructura del corindón . La pasivación se puede mejorar mediante un contacto breve con ácidos oxidantes como el ácido nítrico . El cromo pasivado es estable frente a los ácidos. La pasivación se puede eliminar con un agente reductor fuerte que destruya la capa protectora de óxido del metal. El cromo metálico tratado de esta manera se disuelve fácilmente en ácidos débiles. [18]
La costra de cromo superficial Cr2O3 se adhiere al metal. Por el contrario, el hierro forma un óxido más poroso que es débil y se descascara fácilmente y expone el metal fresco al aire, lo que provoca una oxidación continua . A temperatura ambiente, la costra de cromo tiene un espesor de unas pocas capas atómicas y aumenta de espesor por la difusión hacia afuera de los iones metálicos a través de la costra. Por encima de los 950 °C, se forma trióxido de cromo volátil CrO3 a partir de la costra de cromo, lo que limita el espesor de la costra y la protección contra la oxidación. [19]
El cromo, a diferencia del hierro y el níquel, no sufre fragilización por hidrógeno . Sin embargo, sí sufre fragilización por nitrógeno , reaccionando con el nitrógeno del aire y formando nitruros frágiles a las altas temperaturas necesarias para trabajar las piezas metálicas. [20]
El cromo natural se compone de cuatro isótopos estables : 50 Cr, 52 Cr, 53 Cr y 54 Cr, siendo 52 Cr el más abundante (83,789 % de abundancia natural ). El 50 Cr es observablemente estable , ya que teóricamente es capaz de desintegrarse en 50 Ti mediante captura doble de electrones con una vida media de no menos de 1,3 × 1018 años. Se han caracterizadoveinticinco radioisótopos , que van desde el 42 Cr al 70 Cr; el radioisótopo más estable es el 51 Cr con una vida media de 27,7 días. Todos los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias inferiores a 24 horas y la mayoría, inferiores a 1 minuto. El cromo también tiene dos isómeros nucleares metaestables . [6] El modo de desintegración principal antes del isótopo estable más abundante, el 52 Cr, es la captura de electrones y el modo principal después es la desintegración beta . [6]
El 53 Cr es el producto de la desintegración radiogénica del 53 Mn (vida media de 3,74 millones de años). [21] Los isótopos de cromo suelen estar colocados (y compuestos) con isótopos de manganeso . Esta circunstancia es útil en la geología isotópica . Las proporciones de isótopos de manganeso-cromo refuerzan la evidencia de 26 Al y 107 Pd sobre la historia temprana del Sistema Solar . Las variaciones en las proporciones de 53 Cr/ 52 Cr y Mn/Cr de varios meteoritos indican una proporción inicial de 53 Mn/ 55 Mn que sugiere que la composición isotópica Mn-Cr debe ser el resultado de la desintegración in situ del 53 Mn en cuerpos planetarios diferenciados. Por lo tanto, el 53 Cr proporciona evidencia adicional de procesos nucleosintéticos inmediatamente antes de la coalescencia del Sistema Solar. [22] Se ha postulado que el 53 Cr es un indicador de la concentración de oxígeno atmosférico. [23]
El cromo es un miembro del grupo 6 de los metales de transición . Los estados +3 y +6 se encuentran con mayor frecuencia en los compuestos de cromo, seguidos del +2; las cargas +1, +4 y +5 para el cromo son raras, pero sin embargo existen ocasionalmente. [26] [27]
Se conocen numerosos complejos de Cr(0). El bis(benceno)cromo y el cromo hexacarbonilo son los más destacados en la química del organocromo .
Los compuestos de cromo (II) son poco comunes, en parte porque se oxidan fácilmente a derivados de cromo (III) en el aire. Cloruro de cromo (II) estable en agua CrCl
2que se puede obtener reduciendo el cloruro de cromo (III) con cinc. La solución azul brillante resultante creada al disolver el cloruro de cromo (II) es estable a pH neutro . [18] Otros compuestos notables de cromo (II) incluyen el óxido de cromo (II) CrO y el sulfato de cromo (II) CrSO
4Se conocen muchos carboxilatos de cromo (II). El acetato de cromo (II) rojo (Cr 2 (O 2 CCH 3 ) 4 ) es bastante famoso. Presenta un enlace cuádruple Cr-Cr . [29]
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Se conocen una gran cantidad de compuestos de cromo (III), como el nitrato de cromo (III) , el acetato de cromo (III) y el óxido de cromo (III) . [30] El cromo (III) se puede obtener disolviendo cromo elemental en ácidos como el ácido clorhídrico o el ácido sulfúrico , pero también se puede formar a través de la reducción del cromo (VI) por el citocromo c7 . [31] El Cr3+
El ion tiene un radio similar (63 pm ) al de Al.3+
(radio 50 pm), y pueden reemplazarse entre sí en algunos compuestos, como en el alumbre de cromo y el alumbre .
El cromo (III) tiende a formar complejos octaédricos . El hidrato de cloruro de cromo (III) disponible comercialmente es el complejo verde oscuro [CrCl 2 (H 2 O) 4 ]Cl. Compuestos estrechamente relacionados son el verde pálido [CrCl(H 2 O) 5 ]Cl 2 y el violeta [Cr(H 2 O) 6 ]Cl 3 . Si se disuelve cloruro de cromo (III) violeta anhidro [32] en agua, la solución violeta se vuelve verde después de un tiempo a medida que el cloruro en la esfera de coordinación interna es reemplazado por agua. Este tipo de reacción también se observa con soluciones de alumbre de cromo y otras sales de cromo (III) solubles en agua. Se ha informado de una coordinación tetraédrica del cromo (III) para el anión Keggin centrado en Cr [α-CrW 12 O 40 ] 5– . [33]
El hidróxido de cromo (III) (Cr(OH) 3 ) es anfótero y se disuelve en soluciones ácidas para formar [Cr(H 2 O) 6 ] 3+ , y en soluciones básicas para formar [Cr(OH)
6]3−
Se deshidrata mediante calentamiento para formar el óxido de cromo (III) verde (Cr 2 O 3 ), un óxido estable con una estructura cristalina idéntica a la del corindón . [18]
Los compuestos de cromo (VI) son oxidantes a pH bajo o neutro. Los aniones cromato ( CrO2−
4) y los aniones dicromato (Cr 2 O 7 2− ) son los iones principales en este estado de oxidación. Existen en un equilibrio, determinado por el pH:
También se conocen oxihaluros de cromo (VI) e incluyen fluoruro de cromilo (CrO 2 F 2 ) y cloruro de cromilo ( CrO
2Cl
2). [18] Sin embargo, a pesar de varias afirmaciones erróneas, el hexafluoruro de cromo (así como todos los hexahaluros superiores) sigue siendo desconocido, a partir de 2020. [34]
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El cromato de sodio se produce industrialmente mediante la tostación oxidativa del mineral de cromita con carbonato de sodio . El cambio en el equilibrio es visible por un cambio de color de amarillo (cromato) a naranja (dicromato), como cuando se agrega un ácido a una solución neutra de cromato de potasio . A valores de pH aún más bajos, es posible una mayor condensación a oxianiones de cromo más complejos .
Tanto los aniones cromato como dicromato son reactivos oxidantes fuertes a pH bajo: [18]
Sin embargo, sólo son moderadamente oxidantes a pH alto: [18]
Los compuestos de cromo (VI) en solución se pueden detectar añadiendo una solución ácida de peróxido de hidrógeno . Se forma el peróxido de cromo (VI) azul oscuro inestable (CrO 5 ), que se puede estabilizar como un aducto de éter CrO
5·O
2. [18]
El ácido crómico tiene la fórmula hipotética H
2Cromo
4Se trata de una sustancia química de descripción vaga, a pesar de que se conocen muchos cromatos y dicromatos bien definidos. El óxido de cromo (VI) rojo oscuro CrO
3, el anhídrido ácido del ácido crómico, se vende industrialmente como "ácido crómico". [18] Se puede producir mezclando ácido sulfúrico con dicromato y es un fuerte agente oxidante.
Los compuestos de cromo(V) son bastante raros; el estado de oxidación +5 sólo se presenta en unos pocos compuestos, pero son intermediarios en muchas reacciones que implican oxidaciones por cromato. El único compuesto binario es el fluoruro de cromo(V) volátil (CrF 5 ). Este sólido rojo tiene un punto de fusión de 30 °C y un punto de ebullición de 117 °C. Se puede preparar tratando el metal cromo con flúor a 400 °C y 200 bares de presión. El peroxocromato(V) es otro ejemplo del estado de oxidación +5. El peroxocromato de potasio (K 3 [Cr(O 2 ) 4 ]) se obtiene haciendo reaccionar cromato de potasio con peróxido de hidrógeno a bajas temperaturas. Este compuesto de color marrón rojizo es estable a temperatura ambiente, pero se descompone espontáneamente a 150–170 °C. [35]
Los compuestos de cromo (IV) son ligeramente más comunes que los de cromo (V). Los tetrahaluros, CrF 4 , CrCl 4 y CrBr 4 , se pueden producir tratando los trihaluros ( CrX
3) con el halógeno correspondiente a temperaturas elevadas. Dichos compuestos son susceptibles a reacciones de desproporción y no son estables en agua. También se conocen compuestos orgánicos que contienen el estado Cr(IV), como el tetra t- butóxido de cromo. [36]
La mayoría de los compuestos de cromo(I) se obtienen únicamente por oxidación de complejos octaédricos de cromo(0) ricos en electrones. Otros complejos de cromo(I) contienen ligandos de ciclopentadienilo . Como se verificó por difracción de rayos X , también se ha descrito un enlace quíntuple Cr-Cr (longitud 183,51(4) pm). [37] Los ligandos monodentados extremadamente voluminosos estabilizan este compuesto al proteger el enlace quíntuple de reacciones posteriores.
El cromo es el 21.º elemento más abundante en la corteza terrestre [38], con una concentración media de 100 ppm. También es el séptimo elemento más abundante en la Tierra. [39] Los compuestos de cromo se encuentran en el medio ambiente a partir de la erosión de rocas que contienen cromo y pueden redistribuirse mediante erupciones volcánicas. Las concentraciones de fondo típicas de cromo en los medios ambientales son: atmósfera <10 ng/m 3 ; suelo <500 mg/kg; vegetación <0,5 mg/kg; agua dulce <10 μg/L; agua de mar <1 μg/L; sedimento <80 mg/kg. [40] El cromo se extrae como mineral de cromita (FeCr 2 O 4 ). [41]
Aproximadamente dos quintas partes de los minerales y concentrados de cromita del mundo se producen en Sudáfrica, aproximadamente un tercio en Kazajstán, [42] mientras que India, Rusia y Turquía también son productores importantes. Los depósitos de cromita sin explotar son abundantes, pero geográficamente se concentran en Kazajstán y el sur de África. [43] Aunque raros, existen depósitos de cromo nativo . [44] [45] La tubería Udachnaya en Rusia produce muestras del metal nativo. Esta mina es una tubería de kimberlita , rica en diamantes , y el entorno reductor ayudó a producir tanto cromo elemental como diamantes. [46]
La relación entre Cr(III) y Cr(VI) depende en gran medida del pH y de las propiedades oxidativas del lugar. En la mayoría de los casos, el Cr(III) es la especie dominante [24] , pero en algunas áreas, el agua subterránea puede contener hasta 39 μg/L de cromo total, de los cuales 30 μg/L son Cr(VI). [47]
Los minerales de cromo como pigmentos llamaron la atención de Occidente en el siglo XVIII. El 26 de julio de 1761, Johann Gottlob Lehmann encontró un mineral de color rojo anaranjado en las minas de Beryozovskoye en los Montes Urales al que llamó minio siberiano . [48] [49] Aunque se identificó erróneamente como un compuesto de plomo con componentes de selenio y hierro , el mineral era de hecho crocoíta con una fórmula de PbCrO 4 . [50] En 1770, Peter Simon Pallas visitó el mismo sitio que Lehmann y encontró un mineral de minio siberiano que se descubrió que poseía propiedades útiles como pigmento en pinturas . Después de Pallas, el uso de minio siberiano como pigmento de pintura comenzó a desarrollarse rápidamente en toda la región. [51] La crocoíta sería la principal fuente de cromo en pigmentos hasta el descubrimiento de la cromita muchos años después. [52]
En 1794, Louis Nicolas Vauquelin recibió muestras de mineral de crocoíta . Produjo trióxido de cromo (CrO 3 ) mezclando crocoíta con ácido clorhídrico . [50] En 1797, Vauquelin descubrió que podía aislar el cromo metálico calentando el óxido en un horno de carbón, por lo que se le atribuye ser el verdadero descubridor del elemento. [53] [54] Vauquelin también pudo detectar trazas de cromo en piedras preciosas , como el rubí y la esmeralda . [50] [55]
Durante el siglo XIX, el cromo se utilizó principalmente no solo como componente de pinturas, sino también en sales curtientes. Durante bastante tiempo, la crocoíta encontrada en Rusia fue la principal fuente de dichos materiales curtientes. En 1827, se descubrió un depósito de cromita más grande cerca de Baltimore , Estados Unidos, que rápidamente satisfizo la demanda de sales curtientes de manera mucho más adecuada que la crocoíta que se había utilizado anteriormente. [56] Esto convirtió a Estados Unidos en el mayor productor de productos de cromo hasta el año 1848, cuando se descubrieron depósitos más grandes de cromita cerca de la ciudad de Bursa , Turquía. [41] Con el desarrollo de la metalurgia y las industrias químicas en el mundo occidental, aumentó la necesidad de cromo. [57]
El cromo también es famoso por su brillo metálico reflectante cuando se pule. Se utiliza como revestimiento protector y decorativo en piezas de automóviles, accesorios de plomería, piezas de muebles y muchos otros artículos, generalmente aplicados mediante galvanoplastia . El cromo se utilizó para galvanoplastia ya en 1848, pero este uso solo se generalizó con el desarrollo de un proceso mejorado en 1924. [58]
En 2013 se produjeron aproximadamente 28,8 millones de toneladas métricas (Mt) de mineral de cromita comercializable, que se convirtieron en 7,5 Mt de ferrocromo. [43] Según John F. Papp, que escribe para el USGS, "el ferrocromo es el principal uso final del mineral de cromita, [y] el acero inoxidable es el principal uso final del ferrocromo". [43]
Los mayores productores de mineral de cromo en 2013 fueron Sudáfrica (48%), Kazajstán (13%), Turquía (11%) e India (10%), y varios otros países produjeron el resto de aproximadamente el 18% de la producción mundial. [43]
Los dos productos principales del refinado del mineral de cromo son el ferrocromo y el cromo metálico. Para estos productos, el proceso de fundición del mineral difiere considerablemente. Para la producción de ferrocromo, el mineral de cromita (FeCr 2 O 4 ) se reduce a gran escala en un horno de arco eléctrico o en fundiciones más pequeñas con aluminio o silicio en una reacción aluminotérmica . [59]
Para la producción de cromo puro, el hierro debe separarse del cromo en un proceso de tostado y lixiviación de dos pasos. El mineral de cromita se calienta con una mezcla de carbonato de calcio y carbonato de sodio en presencia de aire. El cromo se oxida a la forma hexavalente, mientras que el hierro forma el Fe2O3 estable . La lixiviación posterior a temperaturas más elevadas disuelve los cromatos y deja el óxido de hierro insoluble. El cromato se convierte mediante ácido sulfúrico en dicromato. [59]
El dicromato se convierte en óxido de cromo (III) por reducción con carbono y luego se reduce en una reacción aluminotérmica a cromo. [59]
La creación de aleaciones de metales representa el 85% del uso de cromo disponible. El resto del cromo se utiliza en las industrias química , refractaria y de fundición . [61]
El efecto de fortalecimiento de la formación de carburos metálicos estables en los límites de grano y el fuerte aumento de la resistencia a la corrosión hicieron del cromo un material de aleación importante para el acero. Los aceros para herramientas de alta velocidad contienen entre un 3 y un 5 % de cromo. El acero inoxidable , la principal aleación metálica resistente a la corrosión, se forma cuando se introduce cromo en el hierro en concentraciones superiores al 11 %. [62] Para la formación del acero inoxidable, se añade ferrocromo al hierro fundido. Además, las aleaciones a base de níquel tienen una mayor resistencia debido a la formación de partículas de carburo metálicas estables y discretas en los límites de grano. Por ejemplo, Inconel 718 contiene un 18,6 % de cromo. Debido a las excelentes propiedades de alta temperatura de estas superaleaciones de níquel , se utilizan en motores a reacción y turbinas de gas en lugar de materiales estructurales comunes. [63] La norma ASTM B163 se basa en el cromo para los tubos de condensadores e intercambiadores de calor, mientras que las piezas fundidas con alta resistencia a temperaturas elevadas que contienen cromo están estandarizadas con la norma ASTM A567. [64] El tipo AISI 332 se utiliza donde las altas temperaturas normalmente causarían carburación , oxidación o corrosión . [65] El Incoloy 800 "es capaz de permanecer estable y mantener su estructura austenítica incluso después de exposiciones prolongadas a altas temperaturas". [66] El nicromo se utiliza como cable de resistencia para elementos calefactores en cosas como tostadoras y calentadores de ambiente. Estos usos hacen del cromo un material estratégico . En consecuencia, durante la Segunda Guerra Mundial, se instruyó a los ingenieros de carreteras estadounidenses para que evitaran el cromo en la pintura amarilla para carreteras, ya que "puede convertirse en un material crítico durante la emergencia". [67] Estados Unidos también consideró al cromo "esencial para la industria bélica alemana" e hizo intensos esfuerzos diplomáticos para mantenerlo fuera de las manos de la Alemania nazi . [68]
La alta dureza y resistencia a la corrosión del cromo no aleado lo convierte en un metal confiable para el recubrimiento de superficies; sigue siendo el metal más popular para el recubrimiento de láminas, con su durabilidad superior a la media, en comparación con otros metales de recubrimiento. [69] Se deposita una capa de cromo sobre superficies metálicas pretratadas mediante técnicas de galvanoplastia . Hay dos métodos de deposición: fina y gruesa. La deposición fina implica una capa de cromo por debajo de 1 μm de espesor depositada mediante cromado , y se utiliza para superficies decorativas. Se depositan capas de cromo más gruesas si se necesitan superficies resistentes al desgaste. Ambos métodos utilizan soluciones ácidas de cromato o dicromato . Para evitar el cambio de estado de oxidación que consume energía, se está desarrollando el uso de sulfato de cromo (III); para la mayoría de las aplicaciones del cromo, se utiliza el proceso establecido previamente. [58]
En el proceso de recubrimiento por conversión de cromato , las fuertes propiedades oxidativas de los cromatos se utilizan para depositar una capa de óxido protectora sobre metales como el aluminio, el zinc y el cadmio. Esta pasivación y las propiedades de autocuración del cromato almacenado en el recubrimiento de conversión de cromato, que es capaz de migrar a los defectos locales, son los beneficios de este método de recubrimiento. [70] Debido a las regulaciones ambientales y de salud sobre los cromatos, se están desarrollando métodos de recubrimiento alternativos. [71]
La anodización con ácido crómico (o anodización tipo I) del aluminio es otro proceso electroquímico que no conduce a la deposición de cromo, sino que utiliza ácido crómico como electrolito en la solución. Durante la anodización, se forma una capa de óxido sobre el aluminio. El uso de ácido crómico, en lugar del ácido sulfúrico que se utiliza normalmente, conduce a una ligera diferencia de estas capas de óxido. [72] La alta toxicidad de los compuestos de Cr(VI), utilizados en el proceso establecido de galvanoplastia de cromo, y el fortalecimiento de las normas de seguridad y medioambientales exigen la búsqueda de sustitutos del cromo, o al menos un cambio a compuestos de cromo(III) menos tóxicos. [58]
El mineral crocoíta (que también es cromato de plomo PbCrO 4 ) se utilizó como pigmento amarillo poco después de su descubrimiento. Después de que se dispusiera de un método de síntesis a partir de la cromita más abundante, el amarillo de cromo fue, junto con el amarillo de cadmio , uno de los pigmentos amarillos más utilizados. El pigmento no se fotodegrada, pero tiende a oscurecerse debido a la formación de óxido de cromo (III). Tiene un color fuerte y se utilizó para autobuses escolares en los Estados Unidos y para los servicios postales (por ejemplo, el Deutsche Post ) en Europa. El uso del amarillo de cromo ha disminuido desde entonces debido a preocupaciones ambientales y de seguridad y fue reemplazado por pigmentos orgánicos u otras alternativas que no contienen plomo ni cromo. Otros pigmentos que se basan en el cromo son, por ejemplo, el pigmento rojo de tono profundo rojo cromo , que es simplemente cromato de plomo con hidróxido de plomo (II) (PbCrO 4 · Pb(OH) 2 ). Un pigmento de cromato muy importante, que se utilizó ampliamente en formulaciones de imprimación de metales, fue el cromato de zinc, ahora reemplazado por fosfato de zinc. Se formuló una imprimación de lavado para reemplazar la peligrosa práctica de pretratar los cuerpos de aluminio de las aeronaves con una solución de ácido fosfórico. Esto utilizó tetroxicromato de zinc disperso en una solución de butiral de polivinilo . Se agregó una solución al 8% de ácido fosfórico en disolvente justo antes de la aplicación. Se descubrió que un alcohol fácilmente oxidable era un ingrediente esencial. Se aplicó una capa delgada de aproximadamente 10-15 μm, que pasó de amarilla a verde oscuro cuando se curó. Todavía hay una pregunta sobre el mecanismo correcto. El verde cromo es una mezcla de azul de Prusia y amarillo cromo , mientras que el verde óxido de cromo es óxido de cromo (III) . [73]
Los óxidos de cromo también se utilizan como pigmento verde en el campo de la fabricación de vidrio y también como esmalte para cerámica. [74] El óxido de cromo verde es extremadamente resistente a la luz y, como tal, se utiliza en revestimientos. También es el ingrediente principal de las pinturas reflectantes de infrarrojos , utilizadas por las fuerzas armadas para pintar vehículos y darles la misma reflectancia infrarroja que las hojas verdes. [75]
Los iones de cromo (III) presentes en los cristales de corindón (óxido de aluminio) hacen que se tiñan de rojo; cuando el corindón aparece como tal, se conoce como rubí . Si el corindón carece de iones de cromo (III), se conoce como zafiro . [nota 3] También se puede lograr un rubí artificial de color rojo dopando cromo (III) en cristales de corindón artificiales, lo que hace que el cromo sea un requisito para fabricar rubíes sintéticos. [nota 4] [76] Un cristal de rubí sintético de este tipo fue la base para el primer láser , producido en 1960, que se basó en la emisión estimulada de luz de los átomos de cromo en dicho cristal. El rubí tiene una transición láser a 694,3 nanómetros, en un color rojo intenso. [77]
Las sales de cromo (VI) se utilizan para la conservación de la madera. Por ejemplo, el arseniato de cobre cromado (CCA) se utiliza en el tratamiento de la madera para protegerla de hongos que la pudren, insectos que atacan la madera, incluidas las termitas , y los barrenadores marinos. [78] Las formulaciones contienen cromo basado en el óxido CrO 3 entre el 35,3% y el 65,5%. En los Estados Unidos, se utilizaron 65.300 toneladas métricas de solución de CCA en 1996. [78]
Las sales de cromo (III), especialmente el alumbre de cromo y el sulfato de cromo (III) , se utilizan en el curtido del cuero . El cromo (III) estabiliza el cuero mediante la reticulación de las fibras de colágeno . [79] El cuero curtido con cromo puede contener entre un 4 y un 5 % de cromo, que está fuertemente ligado a las proteínas. [41] Aunque la forma de cromo utilizada para el curtido no es la variedad hexavalente tóxica, sigue habiendo interés en la gestión del cromo en la industria del curtido. La recuperación y la reutilización, el reciclaje directo/indirecto, [80] y el curtido "sin cromo" o "libre de cromo" se practican para gestionar mejor el uso del cromo. [81]
La alta resistividad térmica y el alto punto de fusión hacen que la cromita y el óxido de cromo (III) sean un material para aplicaciones refractarias de alta temperatura, como altos hornos , hornos de cemento , moldes para la cocción de ladrillos y como arenas de fundición para la fundición de metales. En estas aplicaciones, los materiales refractarios se fabrican a partir de mezclas de cromita y magnesita. El uso está disminuyendo debido a las regulaciones ambientales debido a la posibilidad de formación de cromo (VI). [59] [82]
Varios compuestos de cromo se utilizan como catalizadores para procesar hidrocarburos. Por ejemplo, el catalizador Phillips , preparado a partir de óxidos de cromo, se utiliza para la producción de aproximadamente la mitad del polietileno del mundo . [83] Los óxidos mixtos de Fe-Cr se emplean como catalizadores de alta temperatura para la reacción de desplazamiento del gas de agua . [84] [85] La cromita de cobre es un catalizador de hidrogenación útil . [86]
Los efectos biológicamente beneficiosos del cromo (III) son objeto de debate. [95] [96] El cromo es aceptado por los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU. como un oligoelemento por sus funciones en la acción de la insulina , una hormona que media el metabolismo y el almacenamiento de carbohidratos, grasas y proteínas. [11] Sin embargo, el mecanismo de sus acciones en el cuerpo no ha sido definido, lo que deja en duda la esencialidad del cromo. [97] [98]
Por el contrario, el cromo hexavalente (Cr(VI) o Cr 6+ ) es altamente tóxico y mutagénico . [99] La ingestión de cromo (VI) en el agua se ha relacionado con tumores de estómago y también puede causar dermatitis alérgica de contacto (DAC). [100]
La " deficiencia de cromo ", que implica una falta de Cr(III) en el cuerpo, o quizás de algún complejo de este, como el factor de tolerancia a la glucosa , es controvertida. [11] Algunos estudios sugieren que la forma biológicamente activa del cromo(III) se transporta en el cuerpo a través de un oligopéptido llamado sustancia de unión al cromo de bajo peso molecular (LMWCr), que podría desempeñar un papel en la vía de señalización de la insulina. [101]
El contenido de cromo de los alimentos comunes es generalmente bajo (1 a 13 microgramos por porción). [11] [102] El contenido de cromo de los alimentos varía ampliamente, debido a las diferencias en el contenido mineral del suelo, la temporada de crecimiento, el cultivo de la planta y la contaminación durante el procesamiento. [102] El cromo (y el níquel ) se filtran en los alimentos cocinados en acero inoxidable, y el efecto es mayor cuando los utensilios de cocina son nuevos. Los alimentos ácidos que se cocinan durante muchas horas también exacerban este efecto. [103] [104]
Existe desacuerdo sobre el estatus del cromo como nutriente esencial. Los departamentos gubernamentales de Australia, Nueva Zelanda, India, Japón y los Estados Unidos consideran que el cromo es esencial [105] [106] [107] [108], mientras que la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (AESA) de la Unión Europea no lo considera así. [109]
La Academia Nacional de Medicina de los Estados Unidos (NAM) actualizó los requerimientos promedio estimados (EAR) y las ingestas dietéticas recomendadas (RDA) para el cromo en 2001. En el caso del cromo, no había suficiente información para establecer EAR y RDA, por lo que sus necesidades se describen como estimaciones de ingestas adecuadas (IA). Las IA actuales de cromo para mujeres de 14 a 50 años son 25 μg/día, y las IA para mujeres de 50 años o más son 20 μg/día. Las IA para mujeres embarazadas son 30 μg/día, y para mujeres en período de lactancia, las IA establecidas son 45 μg/día. Las IA para hombres de 14 a 50 años son 35 μg/día, y las IA para hombres de 50 años o más son 30 μg/día. Para los niños de 1 a 13 años, las IA aumentan con la edad desde 0,2 μg/día hasta 25 μg/día. En cuanto a la seguridad, la NAM establece niveles máximos de ingesta tolerables (UL) para vitaminas y minerales cuando la evidencia es suficiente. En el caso del cromo, todavía no hay suficiente información, por lo que no se ha establecido un UL. En conjunto, las EAR, RDA, IA y UL son los parámetros para el sistema de recomendación nutricional conocido como ingesta dietética de referencia (DRI). [108] Australia y Nueva Zelanda consideran que el cromo es un nutriente esencial, con una IA de 35 μg/día para hombres, 25 μg/día para mujeres, 30 μg/día para mujeres embarazadas y 45 μg/día para mujeres en período de lactancia. No se ha establecido un UL debido a la falta de datos suficientes. [105] La India considera que el cromo es un nutriente esencial, con una ingesta recomendada para adultos de 33 μg/día. [106] Japón también considera que el cromo es un nutriente esencial, con una IA de 10 μg/día para adultos, incluidas las mujeres embarazadas o en período de lactancia. No se ha establecido un UL. [107] Sin embargo, la EFSA de la Unión Europea no considera que el cromo sea un nutriente esencial; el cromo es el único mineral para el que los Estados Unidos y la Unión Europea no están de acuerdo. [109] [110]
Para los fines del etiquetado de alimentos y suplementos dietéticos en los EE. UU., la cantidad de la sustancia en una porción se expresa como un porcentaje del valor diario (% VD). Para los fines del etiquetado de cromo, el 100 % del valor diario fue de 120 μg. A partir del 27 de mayo de 2016, el porcentaje del valor diario se revisó a 35 μg para que la ingesta de cromo coincidiera con la ingesta dietética recomendada oficial . [111] [112] Se proporciona una tabla de los valores diarios antiguos y nuevos para adultos en Ingesta diaria de referencia .
Las bases de datos de composición de alimentos, como las que mantiene el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos, no contienen información sobre el contenido de cromo de los alimentos. [113] Una amplia variedad de alimentos animales y vegetales contienen cromo. [108] El contenido por porción está influenciado por el contenido de cromo del suelo en el que se cultivan las plantas, por los alimentos que se dan a los animales y por los métodos de procesamiento, ya que el cromo se filtra en los alimentos si se procesan o cocinan en equipos de acero inoxidable. [114] Un estudio de análisis de la dieta realizado en México informó una ingesta diaria promedio de cromo de 30 microgramos. [115] Se estima que el 31% de los adultos en los Estados Unidos consumen suplementos dietéticos multivitamínicos/minerales, [116] que a menudo contienen de 25 a 60 microgramos de cromo.
El cromo es un ingrediente de la nutrición parenteral total (NPT), porque puede producirse deficiencia tras meses de alimentación intravenosa con NPT sin cromo. [117] También se añade a productos nutricionales para bebés prematuros . [118] Aunque no está claro el mecanismo de acción de las funciones biológicas del cromo, en los Estados Unidos los productos que contienen cromo se venden como suplementos dietéticos sin receta en cantidades que van de 50 a 1.000 μg. También se suelen incorporar cantidades menores de cromo en suplementos multivitamínicos/minerales que consume aproximadamente el 31% de los adultos en los Estados Unidos. [116] Los compuestos químicos utilizados en los suplementos dietéticos incluyen cloruro de cromo, citrato de cromo, picolinato de cromo (III) , polinicotinato de cromo (III) y otras composiciones químicas. [11] No se ha demostrado el beneficio de los suplementos. [11] [119]
En 2005, la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos aprobó una declaración de propiedades saludables calificada para el picolinato de cromo con un requisito de redacción muy específica en la etiqueta: "Un pequeño estudio sugiere que el picolinato de cromo puede reducir el riesgo de resistencia a la insulina y, por lo tanto, posiblemente puede reducir el riesgo de diabetes tipo 2. Sin embargo, la FDA concluye que la existencia de tal relación entre el picolinato de cromo y la resistencia a la insulina o la diabetes tipo 2 es muy incierta". Al mismo tiempo, en respuesta a otras partes de la petición, la FDA rechazó las declaraciones sobre el picolinato de cromo y la enfermedad cardiovascular, la retinopatía o la enfermedad renal causadas por niveles anormalmente altos de azúcar en sangre. [120] En 2010, Health Canada aprobó el picolinato de cromo (III) para su uso en suplementos dietéticos. Las declaraciones de etiquetado aprobadas incluyen: un factor en el mantenimiento de la buena salud, proporciona apoyo para el metabolismo saludable de la glucosa, ayuda al cuerpo a metabolizar los carbohidratos y ayuda al cuerpo a metabolizar las grasas. [121] La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (AESA) aprobó en 2010 las afirmaciones de que el cromo contribuía al metabolismo normal de los macronutrientes y al mantenimiento de una concentración normal de glucosa en sangre, pero rechazó las afirmaciones sobre el mantenimiento o logro de un peso corporal normal o la reducción del cansancio o la fatiga. [122]
Dada la evidencia de que la deficiencia de cromo causa problemas con el manejo de la glucosa en el contexto de productos de nutrición intravenosa formulados sin cromo, [117] el interés de la investigación se centró en si la suplementación con cromo beneficiaría a las personas que tienen diabetes tipo 2 pero no son deficientes de cromo. Al observar los resultados de cuatro metanálisis, uno informó una disminución estadísticamente significativa en los niveles de glucosa plasmática en ayunas (FPG) y una tendencia no significativa en la hemoglobina A1C más baja . [123] Un segundo informó lo mismo, [124] un tercero informó disminuciones significativas para ambas medidas, [125] mientras que un cuarto no informó ningún beneficio para ninguna. [126] Una revisión publicada en 2016 enumeró 53 ensayos clínicos aleatorizados que se incluyeron en uno o más de seis metanálisis . Concluyó que, si bien puede haber disminuciones modestas en FPG y/o HbA1C que alcanzan significancia estadística en algunos de estos metanálisis, pocos de los ensayos lograron disminuciones lo suficientemente grandes como para esperar que sean relevantes para el resultado clínico. [127]
Dos revisiones sistemáticas analizaron los suplementos de cromo como un medio para controlar el peso corporal en personas con sobrepeso y obesidad. Una, limitada al picolinato de cromo , un ingrediente popular de los suplementos, informó una pérdida de peso estadísticamente significativa de -1,1 kg (2,4 lb) en ensayos de más de 12 semanas. [128] La otra incluyó todos los compuestos de cromo e informó un cambio de peso estadísticamente significativo de -0,50 kg (1,1 lb). [129] El cambio en el porcentaje de grasa corporal no alcanzó la significación estadística. Los autores de ambas revisiones consideraron que la relevancia clínica de esta modesta pérdida de peso era incierta/poco fiable. [128] [129] La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria revisó la literatura y concluyó que no había pruebas suficientes para respaldar una afirmación. [122]
El cromo se promociona como un suplemento dietético para el rendimiento deportivo, basándose en la teoría de que potencia la actividad de la insulina, con resultados anticipados de aumento de la masa muscular y una recuperación más rápida del almacenamiento de glucógeno durante la recuperación posterior al ejercicio. [119] [130] [131] Una revisión de ensayos clínicos informó que la suplementación con cromo no mejoró el rendimiento del ejercicio ni aumentó la fuerza muscular. [132] El Comité Olímpico Internacional revisó los suplementos dietéticos para atletas de alto rendimiento en 2018 y concluyó que no había necesidad de aumentar la ingesta de cromo para los atletas, ni respaldo a las afirmaciones de pérdida de grasa corporal. [133]
Los niveles de cromo en el agua de riego son de 0,1 mg/L, pero algunos ríos de Bangladesh tienen más de cinco veces esa cantidad. El nivel de cromo para el consumo humano es inferior a 1 mg/kg, pero muchas muestras analizadas tenían más de cinco veces esa cantidad. [134] El cromo, especialmente el cromo hexavalente, es altamente tóxico para los peces porque se absorbe fácilmente a través de las branquias, entra rápidamente en la circulación sanguínea, atraviesa las membranas celulares y se bioconcentra en la cadena alimentaria. En cambio, la toxicidad del cromo trivalente es muy baja, debido a la escasa permeabilidad de la membrana y a la escasa biomagnificación. [135]
La exposición aguda y crónica al cromo (VI) afecta el comportamiento, la fisiología, la reproducción y la supervivencia de los peces. Se han reportado casos de hiperactividad y natación errática en ambientes contaminados. La eclosión de los huevos y la supervivencia de los alevines se ven afectadas. En peces adultos hay informes de daños histopatológicos en el hígado, los riñones, los músculos, los intestinos y las branquias. Los mecanismos incluyen daño genético mutagénico y alteraciones de las funciones enzimáticas. [135]
Hay evidencia de que los peces pueden no necesitar cromo, pero se benefician de una cantidad medida en la dieta. En un estudio, los peces juveniles ganaron peso con una dieta sin cromo, pero la adición de 500 μg de cromo en forma de cloruro de cromo u otros tipos de suplementos, por kilogramo de alimento (peso seco), aumentó el aumento de peso. Con 2.000 μg/kg, el aumento de peso no fue mejor que con la dieta sin cromo, y hubo un aumento de roturas de cadenas de ADN. [136]
Los compuestos de cromo (III) insolubles en agua y el metal de cromo no se consideran un peligro para la salud, mientras que la toxicidad y las propiedades cancerígenas del cromo (VI) se conocen desde hace mucho tiempo. [137] Debido a los mecanismos de transporte específicos , solo ingresan cantidades limitadas de cromo (III) a las células. La toxicidad oral aguda varía entre 50 y 150 mg/kg. [138] Una revisión de 2008 sugirió que la absorción moderada de cromo (III) a través de suplementos dietéticos no plantea ningún riesgo genético-tóxico. [139] En los EE. UU., la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA) ha designado un límite de exposición permisible al aire (PEL) en el lugar de trabajo como un promedio ponderado en el tiempo (TWA) de 1 mg/m 3 . El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) ha establecido un límite de exposición recomendado (REL) de 0,5 mg/m 3 , promedio ponderado en el tiempo. El valor IDLH (inmediatamente peligroso para la vida y la salud) es de 250 mg/m 3 . [140]
La toxicidad oral aguda del cromo (VI) oscila entre 1,5 y 3,3 mg/kg. [138] En el cuerpo, el cromo (VI) se reduce por varios mecanismos a cromo (III) ya en la sangre antes de que entre en las células. El cromo (III) se excreta del cuerpo, mientras que el ion cromato se transfiere a la célula mediante un mecanismo de transporte, por el que también entran en la célula iones de sulfato y fosfato . La toxicidad aguda del cromo (VI) se debe a sus fuertes propiedades oxidantes . Después de que llega al torrente sanguíneo, daña los riñones, el hígado y las células sanguíneas a través de reacciones de oxidación. El resultado es hemólisis , insuficiencia renal y hepática. La diálisis agresiva puede ser terapéutica. [141]
La carcinogenicidad del polvo de cromato se conoce desde hace mucho tiempo y en 1890 la primera publicación describió el elevado riesgo de cáncer de los trabajadores de una empresa de tintes de cromato. [142] [143] Se han propuesto tres mecanismos para describir la genotoxicidad del cromo (VI). El primer mecanismo incluye radicales hidroxilo altamente reactivos y otros radicales reactivos que son subproductos de la reducción de cromo (VI) a cromo (III). El segundo proceso incluye la unión directa de cromo (V), producido por reducción en la célula, y compuestos de cromo (IV) al ADN . El último mecanismo atribuyó la genotoxicidad a la unión al ADN del producto final de la reducción de cromo (III). [144] [145]
Las sales de cromo (cromatos) también son causa de reacciones alérgicas en algunas personas. Los cromatos se utilizan a menudo para fabricar, entre otras cosas, productos de cuero, pinturas, cemento, mortero y anticorrosivos. El contacto con productos que contienen cromatos puede provocar dermatitis alérgica de contacto y dermatitis irritativa, que provocan ulceraciones de la piel, a veces denominadas "úlceras de cromo". Esta afección se da a menudo en trabajadores que han estado expuestos a soluciones de cromato fuertes en las industrias de galvanoplastia, curtido y producción de cromo. [146] [147]
Debido a que los compuestos de cromo se utilizaban en tintes , pinturas y compuestos para curtir cuero , estos compuestos se encuentran a menudo en el suelo y las aguas subterráneas en sitios industriales activos y abandonados, por lo que es necesario limpiarlos y remediarlos . La pintura de imprimación que contiene cromo hexavalente todavía se utiliza ampliamente en aplicaciones de repintado de automóviles y aeroespaciales . [148]
En 2010, el Environmental Working Group estudió el agua potable en 35 ciudades estadounidenses en el primer estudio a nivel nacional. El estudio encontró cromo hexavalente medible en el agua del grifo de 31 de las ciudades muestreadas, con Norman, Oklahoma , a la cabeza de la lista; 25 ciudades tenían niveles que excedían el límite propuesto por California. [149]
La forma más tóxica del cromo hexavalente puede reducirse al estado de oxidación trivalente, menos soluble, en los suelos mediante materia orgánica, hierro ferroso, sulfuros y otros agentes reductores, y las tasas de reducción son más rápidas en condiciones más ácidas que en condiciones más alcalinas. Por el contrario, el cromo trivalente puede oxidarse a cromo hexavalente en los suelos mediante óxidos de manganeso, como los compuestos de Mn(III) y Mn(IV). Dado que la solubilidad y la toxicidad del cromo (VI) son mayores que las del cromo (III), las conversiones de oxidación-reducción entre los dos estados de oxidación tienen implicaciones para el movimiento y la biodisponibilidad del cromo en los suelos, las aguas subterráneas y las plantas. [150]
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