Chrom ist derzeit in aller Munde – bildlich gesprochen! Grund in der Branche Oberflächentechnologien ist vor allem REACh. Doch auch sonst spielt Chrom eine wichtige Rolle an vielen Stellen des täglichen Lebens. Doch um was handelt es sich bei Chrom denn eigentlich? Da wird medizinisch von Chrommangel gesprochen. Wo findet sich denn im menschlichen Körper Chrom? Sogar Nahrungsergänzungsmittel mit Chrom werden angeboten – doch wie Metall sieht es da nicht aus.
Nähern wir uns der Sache doch naturwissenschaftlich. Chrom ist ein Metall, chemisch ein Element. Es befindet sich in der 6. Nebengruppe und der ersten Reihe der Übergangselemente – gar nicht weit vom wohlbekannten Eisen. Da es ein Element ist, repräsentiert es eine der etwas über 100 Atomsorten, die wir kennen. Und es ist, wie alle Elemente, elektrisch neutral. Wie in jedem Element befinden sich außen um das Atom Elektronen. Und hier setzt der Chemiker an, wenn er seine Synthesen durchführt: Er entfernt Elektronen oder fügt welche hinzu und schaut, was passiert. Im Falle des Chroms entnimmt er dem Atom Elektronen, was auch als Oxidation bezeichnet wird. Und so erhält man (Abb. 1) ausgehend vom Chrom-0 (also Chrom mit 0 Ladung) beispielsweise Chrom–II (2 positive Ladungen), Chrom-III (3 positive Ladungen), Chrom-IV (4 positive Ladungen) und Chrom-VI (6 positive Ladungen). Alle diese Abkömmlinge unseres metallischen Chroms sind keine Metalle mehr, dafür aber schön farbig – woher das Chrom auch seinen Namen hat (altgriechisch chroma = Farbe).
Abb. 1: Zustandsformen des Chroms mit unterschiedlichen Oxidationsstufen, als unterschiedlicher Anzahl elektrischer Ladungen pro Atom durch Entfernen von Elektronen aus der Atomhülle
Nun werden viele sagen: Was soll das alles? Mit diesen Chromsorten bin ich nie in Berührung gekommen. Doch das ist ein Irrtum (außer für Chrom-II, das im Folgenden nicht weiter betrachtet werden soll!)
Beginnen wir mit dem ominösen Chrom-VI, wie es zum Beispiel in Chromtrioxid zu finden ist (Abb. 2). Seine Verwendung ist jedem Oberflächentechniker bekannt: Natürlich für die Verchromung. Beispiele von verchromten Oberflächen gibt es genug: Fahrradrahmen, Wasserhähne, Auto- und Motorradteile, Haushaltswaren wie Toaster, Reibebleche und Isolierkannen, medizinische Ausrüstungsteile, Walzen, Kolbenstangen, Grillroste, Schraubendreher und vieles mehr. Alles haltbar, kostengünstig und daher beliebt.
Abb. 2: Chromtrioxid in Flockenform
Was passiert hier? Chrom-VI wird in der Oberflächentechnik zum schönen, glänzenden und funktionell vielseitigen Chrom-0 – als dem Metall Chrom – reduziert. Wie wird diese Verwendung durchgeführt? Moderne Anlagen verhindern fast völlig den Austritt von Schadstoffen (Abb. 3), wofür in der Regel strenge Sicherheitsvorschriften bis hin zur persönlichen Schutzausrüstung gelten. Höchster Standard wurde mit großen Aufwendungen sichergestellt.
Doch Chrom-VI wird auch für andere Anwendungen eingesetzt – lange Zeit auch in Deutschland. Da wäre zum Beispiel die Lederindustrie zu nennen, die wie die Oberflächenbranche in KMUs organisiert war. Doch die hohen Umwelt- und Sicherheitsauflagen waren für die Branche einer der Hauptgründe für den Verlust der Wettbewerbsfähigkeit. Mittlerweile werden Rohstoffe beliebter Lederartikel außerhalb der EU produziert – ob dort die gleichen Standards in Umweltschutz und Arbeitssicherheit gelten, davon möge man sich am besten persönlich vor Ort überzeugen. (Schutzkleidung dabei zu haben, könnte eine gute Idee sein!) Das Schicksal der mittelständischen Lederindustrie wird hoffentlich keine Nachfolger haben!
Abb. 3: Moderne Chromanlage, die keinen Austritt von Chrom-VI zulässt
Kommen wir nun zum scheinbar unbekannten Chrom-IV. Dabei weiß kaum noch jemand, dass es weit verbreitet ist, denn es ist in Form seines Oxids CrO2 Hauptbestandteil vieler Tonspurenkassetten (Abb. 4). Auch in den Magnetstreifen der meisten Kreditkarten versieht es seinen Dienst als magnetischer Werkstoff. Eher exotisch mutet an, dass es auch Bestandteil einiger Make-up-Utensilien sein soll (was der Autor nicht hat direkt verifizieren können).
Kommen wir stattdessen zum Chrom-III. Auch dieses wird meist als Oxid (Cr2O3) eingesetzt und findet als grünes Farbpigment weite Verwendung. Anstrich- und Ölfarben, Pigmente für Kunststoffe, sogar in Geldscheinen wird es verwendet. Nicht zuletzt ist Chrom-III Basis für Nahrungsergänzungsstoffe zur Verhinderung von Chrommangel. Doch hier endet die Einsatzmöglichkeit von Chrom-III keineswegs. Es ist Bestandteil zahlreicher Schleifmittel, vieler Katalysatoren im großtechnischen Bereich chemischer Analysen und vor allem eine wesentliche Voraussetzung für die Herstellung von Eisen. Chromitsteine werden zur Ausmauerung feuerfester Behältnisse für flüssiges Eisen und flüssigen Stahl verwendet.
Toxikologisch ist übrigens interessant, dass eigentlich nicht das Chrom-VI die schädigende Spezies ist. Wie in Abbildung 5 erkennbar ist [1], fungiert das Chrom-VI als Vehikel in die Zelle, da die Anionen-Carrier das CrO4-Ion ebenso in die Zelle eintreten lassen, wie zum Beispiel Sulfat. Im Inneren von Zelle oder Zellkern erfolgt dann die Reduktion zu Chrom-III, das letztlich durch Komplexbildung zur DNA-Schädigung beiträgt. Das ändert zwar nichts am potentiellen Risiko durch Chrom-VI, ist aber trotzdem ein interessantes Detail!
Das potentielle Risiko, dass von Chrom-VI ausgeht, führt derzeit zu Substitutionsgedanken. Unter REACh wird dies sogar zur Maxima erhoben. Wie vorsichtig man mit solchen pauschalen Forderungen umgehen muss, zeigt ein Beispiel aus unserem modernen kollektiven Allgemeinwissen, auch Wikipedia genannt. Unter dem Stichwort Jones-Oxidation [2] sind die Aufforderungen zu finden, die Gefährlichkeit des Chromtrioxids zu umgehen, indem äquivalente Reaktionen wie die Swern-Reaktion bevorzugt eingesetzt werden sollten. Werden solche Reaktionen genauer betrachtet, so sind als notwendige Reagenzien Dimethylsulfoxid (DMSO), Oxalylchlorid und Triethylamin zu finden. DMSO ist im Gemisch mit Luft explosionsfähig, biologisch nicht abbaubar und erleichtert durch Carrier-Wirkung die Aufnahme von Giftstoffen über die Haut [3]. Triethylamin ist entzündlich, verursacht schwere Verätzungen bei direktem Kontakt und über die Dampfphase [4]. Oxalychlorid reagiert heftig mit Wasser unter Freisetzung giftiger Gase, wirkt stark ätzend, ist flüchtig und toxisch [5]. Zudem unterliegt es einer Abgabebeschränkung!
Abb. 4: Chromdioxid ist als magnetischer Werkstoff Bestandteil von Tonbändern
Es ist stark zu bezweifeln, dass durch diesen Übergang auf eine Alternative wirklich eine Besserung erreicht wird. Zudem ist die organische Vielfalt der Swern-Reaktion auch in der Abwasseraufbereitung oder Entsorgung eine weit größere Herausforderung als die Chromsäure. Das Beispiel zeigt, dass ein potentiell hohes Risiko keineswegs unbedingt beseitigt werden muss. Beherrschbarkeit einer Chemikalie ist unter anderem ein ebenso wichtiges Kriterium.
Zu guter Letzt soll noch die Herkunft des offensichtlich omnipräsenten Chroms und seiner Verbindungen geklärt werden. Chrom kommt hauptsächlich in Chromeisenstein als Chrom-III-Verbindung und in geringeren Mengen als Rotbleierz als Chrom-VI-Verbindung natürlich vor. Die Aufarbeitung zu verwendbaren Chromsalzen erfolgt jedoch immer über die Chrom-VI-Stufe, anders sind die Erze nicht aufschließbar.
4FeCr2O4 + 8Na2CO3 + 7O2 → 8Na2CrO4 + 2Fe2O3 + 8CO2
2Na2CrO4 + H2SO4 → Na2Cr2O7 + Na2SO4+ H2O
Na2Cr2O7 ·2H2O + 2C → Cr2O3 + Na2CO3 + 2H2O + CO
Cr2O3 + 2Al → Al2O3+ 2Cr
Erst im dritten Aufschlussschritt erfolgt die Reduktion zu Chrom-III, sofern gewünscht. Ansonsten kann die Verarbeitung gleich beim Natriumbichromat verbleiben, aus dem beispielsweise direkt das Chromtrioxid zugänglich ist.
Abb. 5: Wirkungswege von Chromionen in Zellen
Bei genauerer Betrachtung des Lebenswegs von Chrom wird deutlich, dass die vielen Anwendungen des Chroms zumeist über die zwischenzeitliche Chrom-VI-Schiene laufen – Ausnahmen sind nur metallurgische Anwendungen. Selbst die viel diskutierten, so genannten Chrom-III-Alternativen im galvanischen Bereich verwenden Ausgangsstoffe, die zwangsläufig vorher aus Chrom-VI-Verbindungen hergestellt wurden.
Offensichtlich führt die Frage, wie man das Chrom weiter verwenden und einsetzen will und soll, vor allem auf die Frage: Wo soll es eingesetzt werden? Chrom-VI ist in jedem Fall Bestandteil der Lieferkette! Es erhebt sich daher die Frage, ob das Selbstverständnis eines hochtechnisierten Europa es zulässt, den Anspruch eines beherrschten Risikos in andere Teile der Welt zu verlagern oder ob es mutig selbst Lösungen schafft, um den Nutzen der Technologie weiter für uns alle zur Verfügung zu halten. Die Vermeidung unnötigen realen Risikos ist sicher ein vernünftiges Ziel. Maßnahmen hierzu müssen sich nicht auf das potentielle, sondern auf das tatsächliche Risiko beziehen und einen messbaren Erfolg aufweisen können. Andernfalls gerät man leicht auf Irrwege und generiert unzweckmäßige Lösungen.
Quellen
[1] Braun, Fuhrmann, Legrum, Steffen: Spezielle Toxikologie für Chemiker; Teubner, 1999
[2] www.wikikpedia.org
[3] www.omikron-online.de
[4] Sicherheitsdatenblatt unter www.gischem.de
[5] Sicherheitsdatenblatt von Merck unter: www.merckmillipore.de/pharmaceuticalingredients/de_DE/Merck-DE-Site/EUR/ViewProductDocuments-File?
ProductSKU=MDA_CHEM-807066&DocumentType=MSD&DocumentId=/mda/chemicals/msds/de-CH/807066_DE_CH.PDF&DocumentSource=GDS&Country=DE&Channel=Merck-DE-Site w
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