Chrom – objektiv betrachtet

Hintergrundwissen ermöglicht fundierte Meinungsbildung

Von Dr. M.-M. Zimmer, Fellheim

Über das Thema Chrom wurde in den vergangenen Jahren viel diskutiert und geschrieben. Wahres, Halbwissen, manchmal auch Polemisches war zu hören und zu lesen. Häufig werden die unterschiedlichen Modifikationen, in denen Chrom vorliegen kann, nicht klar unterschieden. Darüber hinaus wird unberücksichtigt gelassen, dass metallisches Chrom kaum zu übertreffende Vorteile besitzt oder alternative Werkstoffe wie Edelstahl ebenfalls die kritischen sechswertigen Chromverbindungen im Produktionsprozess verwenden.

Chromium – a Critical Assessment: Opinions must be based on Fact

Chromium has, in recent years, been the subject of heated discussions and contradictory views. Truths, half-truths and not infrequently, dogma have all been in evidence. In many cases, no distinction has been made between the different states in which this element can be present. Quite apart from this, the fact remains that, in many applications, chromium remains unsurpassed, even by stainless steel. At present, use of hexavalent chromium compounds is often essential to achieve these properties.

In der Schule gehört das Fach Chemie seit jeher zu jenen, die entweder geliebt oder gehasst werden. In letzterem Fall konnte man es gar nicht selten genug haben. Diesen emotionalen Umgang teilt es wohl mit der Mathematik. Es lässt sich jedoch nicht leugnen, dass unsere moderne Welt sehr chemisch aufgebaut ist. Somit sollte man bei Diskussionen über das Für und Wider des Einsatzes von Chemie Vorsicht walten lassen. Polemik und Halbwissen führen schnell zu völlig falschen Einschätzungen, die letztlich trotz guten Willens mehr zerstören als Gutes schaffen.

Das Thema Chrom ist seit einigen Jahren ein sehr gutes Beispiel dafür, dass ein breiterer Blick auf die Zusammenhänge seiner Nutzung notwendig ist, will man nicht zu falschen Schlüssen und Maßnahmen kommen.

Chrom – Was ist das eigentlich?

Zu Beginn ist es sinnvoll, klar zu definieren, worüber man eigentlich zu reden gewillt ist. Zu oft geistert das Wort Chrom durch Darstellungen. Ein Blick darauf, worum es sich bei Chrom eigentlich handelt, ist deshalb durchaus hilfreich.

Chemisch gesehen ist Chrom (chem. Zeichen Cr) einfach ein Metall. Hart, glänzend und vor allem völlig unbedenklich. Abbildung 1 zeigt Chrommetall in verschiedenen Ausführungen.

Der Chemiker sagt dazu, es sei ein Element.­ Als solches besteht es aus einer bestimmten Sorte Atome (es gibt nur etwa 100 verschiedene davon). Diese Chromatome haben einen exakten Aufbau, in dem für die Chemie vor allem seine Elektronen von Bedeutung sind. Sind alle am Atom vorhanden, spricht der Chemiker von Chrom(0); nichts fehlt. Nimmt man ihm drei Elektronen weg so heißt es Cr(III). Bei vier fehlenden erhält es die Bezeichnung Cr(IV), bei sechs fehlenden Elektronen wird es zu Cr(VI). Alle übrigen Fälle sollen an dieser Stelle vernachlässigt werden; ebenso die Tatsache, dass jedes dieser Cr(III) bis Cr(VI) entsprechend viele positive Ladungen trägt. Wichtig ist nur eines: Mit dem Chrommetall haben alle diese Spezies bis auf das Kurzzeichen nichts mehr gemein! In der Literatur (oder auch vielen Präsentationen) wird Chrom jedoch oft abweichend von seiner eigentlichen Bedeutung verwendet.

Chrom – seine Erscheinungsformen und Verwendungen

Fangen wir mit dem scheinbar wohlbekannten Cr(VI) an. Spätestens, seit REACh das Chrom in dieser Erscheinungsform verteufelt, wird es als hochgiftige Substanz geradezu angstvoll betrachtet. Die typischen Chemikalien, in denen Cr(VI) auftritt, sind Chromtrioxid (CrO₃) und diverse Salze, die so genannten Chromate. Unbestritten haben die Cr(VI)-Verbindungen zahlreiche Eigenschaften, die eine Chemikalie nicht haben sollte. Nicht umsonst sind sie als SVHC-Stoffe (SVHC = Substances of Very High Concern) charakterisiert. Andererseits haben sie auch positive Aspekte: Sie sind nicht flüchtig, als Feststoffe leicht zu handhaben und auch sehr einfach zu entgiften. Respektvoller und verantwortungsbewusster Umgang ermöglicht die volle Kontrolle über diese Substanzen – im Gegensatz zu vielen anderen prominenten Giftstoffen, insbesondere organische Komplexverbindungen, Cyanide, Quecksilber oder organische Lösemittel.

Wofür wird Chromtrioxid verwendet? Hauptanwendung ist wohl noch immer die galvanische Abscheidung auf Oberflächen. Chemisch gesprochen wird das Cr(VI) wieder als metallisches Chrom, also Cr(0), auf die Oberfläche gebracht – mit all den positiven Eigenschaften, die weltweit an Chromschichten geschätzt werden. In zahlreichen modernen Anlagen werden millionenfach Bauteile unterschiedlichster Größe und Verwendung durch diese Oberflächenbehandlung veredelt. Erst durch diese Schicht werden viele innovative Bauteile überhaupt erst wirtschaftlich nutzbar.

Eine weitere Großanwendung in Europa war früher das Gerben von Leder. Diese Verwendung verlor jedoch trotz (oder gerade wegen?) bester technischer Schutzmöglichkeiten ihre Rentabilität vollkommen und findet nur noch im außereuropäischen Raum statt. Die dortigen Arbeitsverhältnisse sind Gegenstand der Diskussion. Es ist durchaus fraglich, ob auch dort die hiesigen strengen Maßstäbe angelegt werden; die niedrig liegenden Stückpreise lassen zumindest Zweifel daran aufkommen.

Kommen wir zu der Frage, was es denn mit den anderen Chromabkömmlingen auf sich hat. Hier ist wieder die Frage zu diskutieren, wo sie eine wichtige Rolle spielen.

Cr(IV) scheint zunächst kaum jemandem geläufig. In Zeiten von CD und DVD ist sein Erscheinen im Tagesgeschehen auch deutlich zurückgedrängt worden. Doch wer noch Cassetten und Tonspuren kennt, sollte sich an mit Chromdioxid beschichtete Tonspuren erinnern. CrO₂ ist eine Cr(IV)-Verbindung! Doch wie Abbildung 2 bei näherer Betrachtung zeigt, war auch dort schon die Nomenklatur irreführend. Es handelt sich eben nicht um Cr(II)!

Cr(III) wird ebenfalls vor allem als Oxid verwendet, das Cr₂O₃. Es ist ein grünes Farbpigment, das zahllose Verwendungen findet. Beispiele zeigt Abbildung 3.

Weniger bekannt ist jedoch die Tatsache,­ das Cr(III) wesentliche Bedeutung für einen der Grundbausteine unserer Zivilisation aufweist: die Eisen- und Stahlherstellung. Chromitsteine werden als feuerfeste Auskleidung für die immensen Behälter genutzt, in denen mit flüssigem Eisen und Stahl umgegangen wird.

Ebenso finden diese Verbindungen Anwendung als Schleifmittel in Schleifpasten, denen es ihre typische, grüne Farbe verleiht. Auch als Katalysator, zum Beispiel bei der Methanolherstellung, – auch einem Grundstoff der modernen Industrie – ist Cr(III) vertreten.

Bleibt zu guter Letzt das Cr(0), dessen Verwendung jedem jederzeit buchstäblich vor Augen steht – sei es in Funktion oder als dekoratives Element; meist sogar beides gleichzeitig.

Chrom – Gewinnung und Verbindungen

Chrom kommt in der Natur im Wesentlichen als Chromit (Chromeisenstein, FeO·Cr₂O₃, Cr(III)-Verbindung) und als Krokoit (Rotbleierz, PbCrO₄, Cr(VI)-Verbindung) vor. In dieser Form ist das Chrom jedoch in keiner Weise verwendbar, weshalb es aufgeschlossen werden muss. Die folgenden chemischen Formeln zeigen am Beispiel des Rotbleierz summarisch, welche Reaktionen dazu zum Einsatz kommen:

4FeCr₂O₄ + 8Na₂CO₃+ 7O₂ → 8Na₂CrO₄ + 2Fe₂O₃ + 8CO₂    <1>

2Na₂CrO₄ + H₂SO₄ → Na₂Cr₂O₇ + Na₂SO₄ + H₂O    <2>

Na₂Cr₂O₇ ∙ 2H₂O + 2C → Cr₂O₃ + Na₂CO₃ + CO    <3>

Cr₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Cr    <4>

Im Einzelnen läuft folgendes ab:

• Gemäß Gleichung <1> wird Rotbleierz klassisch unter Sauerstoffzufuhr mit Soda­ aufgeschlossen, wodurch wasserlösliches Natriumchromat entsteht
• Die zweite Gleichung setzt Natriumchromat zu Natriumdichromat um, welches rein gewonnen werden kann
• Gleichung <3>eröffnet über Chrom(III)-oxid den Weg zu den Chrom(III)salzen durch Umsetzung mit Koks
• Weitere Reduktion mittels Aluminium führt zu elementarem Chrom.

Es gibt keinen alternativen Herstellungsweg,­ er gilt auch für Chromit. Bemerkenswert sind folgende zwei Erkenntnisse: Erstens führt die Chromgewinnung immer über das Cr(VI) als Zwischenprodukt! Dadurch erhält die oft zwanghafte Strategie zur Vermeidung von Cr(VI) der politischen Regulierung zu einem Gutteil Scheincharakter. Zweitens eröffnen die obigen Gleichungen einen sehr einfachen, weil bereits routinemäßig etablierten 100-prozentigen Recyclingweg für Chrom – eine für problembehaftete Stoffe eher selten komfortable Situation!

Exkurs Substitution: Gefahr des eingeschränkten Blickwinkels

Es ist nicht neu, dass Chromtrioxid als Cr(VI)-Verbindung fast zwanghaft als SVHC-Fokus im Blickpunkt steht. Seine Substitution wird als dringend notwendig angesehen. Die Stoffeigenschaften scheinen dies widerspruchsfrei zu belegen.

Aus diesem Grund erscheint ein Exkurs interessant, der in der modernen online-Allgemeinbildungsbasis Wikipedia zu finden­ ist und interessanterweise auch das Chromtrioxid betrifft: Unter dem Stichwort Jones-Oxidation ist eine spezielle Synthesebeschreibung (http://de.wikipedia.org/wiki/Jones-Oxidation) zu finden. Die Reaktionen laufen unter Verwendung von Chromtrioxid ab. Wörtlich findet man daher den Hinweis: Aufgrund ihrer Gefährlichkeit sollte die Jones-Oxidation, wenn möglich, durch äquivalente Reaktionen wie etwa die Swern-Oxidation ersetzt werden! Wird jedoch die als Alternative vorgeschlagene Reaktion genauer betrachtet, so ist erkennbar, dass sie unter Verwendung von Dimethylsulfoxid, Oxalylchlorid und Triethylamin abläuft. Sicher sind dies keine SVHC-Stoffe, jedoch sind ihre akute Toxizität, Flüchtigkeit und Entsorgung beziehungsweise Rückgewinnung sicher weit problematischer als bei Chromtrioxid! Eine solche Alternative kann nicht aus Sicherheitsbedenken gewählt werden. Hier spielen entweder unvollständiges Wissen oder ein beschränkter Betrachtungshorizont eine Rolle.

Schlussbetrachtung

Die beschriebenen chemischen Zusammen­hänge enden in einem Lebensweg des Chroms (Abb. 4), der noch einmal deutlich zeigt, dass der Weg zur Chromverwendung immer über Cr(VI) läuft. Es steht außer Frage, dass die Vermeidung kritischer Substanzen grundsätzlich erwogen werden muss. Jedoch sind die Zusammenhänge komplexer als sich manch chemisch und technologisch nur rudimentär ausgebildeter und tätiger Betrachter vorstellen mag. Vereinfachungen helfen nicht weiter.

Abb. 4: „Lebensbaum“ des Chroms

Da der Ersatz offensichtlich technisch und ökonomisch nicht grundsätzlich möglich ist (was der Markt sonst sicherlich genutzt hätte und beim Chrom auch für spezielle Anwendungen bereits getan hat), muss eine andere Frage gestellt werden: Ist die Verwendung einer derartigen Substanz nicht in einem hoch entwickelten Land wie in Deutschland oder in Europa am besten aufgehoben? Die Erde ist begrenzt, wir können daher nicht so handeln, als ob uns die Verwendung in anderen Regionen nach weniger strengen Regeln nichts anginge.

Niemand wird einen wirklichen Chrom­verzicht erwägen, wenn er nicht die industrielle Fertigung zahlloser Branchen gefährden will. Es ist nicht eine Frage des was wird verwendet, sondern des wo wird produziert werden! Cr(0)-Produkte sind unbedenklich, daher jederzeit importierbar.

DOI: 10.7395/2013/Zimmer1