Химические свойства

3.3 Химические свойства

При небольших температурах хром химически мало активен (взаимодействует только с фтором). Выше 600⁰C взаимодействует с галогенами, серой, азотом, кремнием, бором, углеродом, кислородом. Взаимодействие с кислородом протекает сначала довольно активно, затем, однако, резко замедляется, так как поверхность покрывается тонкой чрезвычайно устойчивой пленкой, препятствующему дальнейшему окислению. Это явление называется пассивированием. При 1200⁰C пленка начинает разрушаться, окисление снова идет быстро. При 2000⁰C хром воспламеняется в кислороде с образованием темно-зеленого оксида Cr₂O₃.

Хром пассивируется холодными концентрированными H₂SO₄ и HNO₃, однако при сильном нагревании он растворяется в этих кислотах [3]:

2Cr + 6H₂SO_4(конц.) = Cr₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O

Cr + 6HNO_3(конц.) = Cr(NO₃)₃ + 3NO₂ + 3H₂O

Хром растворяется в разбавленных сильных кислотах (HCl и H₂SO₄). В этих случаях в отсутствии воздуха образуются соли Cr²⁺, а на воздухе - соли Cr³⁺:

Cr + 2HCl = CrCl₂+ H₂

4Cr + 12HCl +3O₂ = 4CrCl₃ + 6H₂O

Нерастворим в H₃PO₄, HClO₄ благодаря образованию защитной пленки.

Таблица 2- Основные химические реакции чистого хрома

Хром реагирует
0…600 0С	600…1200 0С	1200…2000 0С
1.    со фтором 2Cr0 + 3F20 = 2Cr+3F3-	1.    с галогенами: 2Cr0 + 3Cl20 2Cr+3Cl3-	1. с кислородом: 4Cr + 3O2  2Cr2O3
	2.    с серой: 2Cr0 + 3S0 Cr2+2S3-2
	3.    с азотом: 2Cr0+ N20 2Cr+3N-3
	4. с кремнием: 4Cr0 + 3Si0 Cr4+3Si3-4
	5. с бором Cr0 + B0 Cr+3B-3
	6. с углеродом 4Cr0 + 3С0Cr4+3C3-4
	7. с кислородом: 4Cr0 + 3O20 = 2Cr2+3O3-2
	8. с серной кислотой: 2Cr0 + 6H2+SO4-2= Cr2+3(SO4)3-2 + 3S-2O2 +6H2O

3.4 Соединения хрома 3.4.1 Оксиды

Оксид хрома (II) CrO (основной) - сильный восстановитель, чрезвычайно неустойчив в присутствии влаги и кислорода. Практического значения не имеет.

Оксид хрома (III) Cr₂O₃ (амфотерный) устойчив на воздухе и в растворах.

Cr₂O₃ + H₂SO₄ = Cr₂(SO₄)₃ + H₂O

Cr₂O₃ + 2NaOH = Na₂CrO₄ + H₂O

Образуется при нагревании некоторых соединений хрома (VI), например:

4CrO₃ 2Cr₂O₃ + 3О₂

(NH₄)₂Cr₂O₇ Cr₂O₃ + N₂ + 4H₂O

4Cr + 3O₂ 2Cr₂O₃

Оксид хрома (III) используется для восстановления металлического хрома невысокой чистоты с помощью алюминия (алюминотермия) или кремния (силикотермия):

Cr₂O₃ +2Al = Al₂O₃ +2Cr

2Cr₂O₃ + 3Si = 3SiO₃ + 4Cr

Оксид хрома (VI) CrO₃ (кислотный) - темно малиновые игольчатые кристаллы. Получают действием избытка концентрированной H₂SO₄ на насыщенный водный раствор бихромата калия:

K₂Cr₂O₇ + 2H₂SO₄ = 2CrO₃ + 2KHSO₄ + H₂O

Оксид хрома (VI) - сильный окислитель, одно из самых токсичных соединений хрома.

При растворении CrO₃ в воде образуется хромовая кислота H₂CrO₄

CrO₃ + H₂O = H₂CrO₄

Кислотный оксид хрома, реагируя со щелочами, образует желтые хроматы CrO₄^2-.

CrO₃ + 2KOH = K₂CrO₄ + H₂O

3.4.2 Гидроксиды

Гидроксид хрома (III) обладает амфотерными свойствами, растворяясь как в кислотах (ведет себя как основание):

2Cr(OH)₃ + 3H₂SO₄ = Cr₂(SO₄)₃ + 6H₂O

так и в щелочах (ведет себя как кислота):

Cr(OH)₃ + KOH = K[Cr(OH)₄]

Cr(OH)₃ + NaOH = NaCrO₂ + 2H₂O

При прокаливании гидроксида хрома (III) образуется оксид хрома (III) Cr₂O₃.

2Cr(OH)₃ Cr₂O₃ + 3H₂O

Нерастворим в воде.

3.4.3 Кислоты

Кислоты хрома, отвечающие его степени окисления +6 и различающиеся соотношением числа молекул CrO₃ и H₂O, существуют только в виде растворов. При растворении кислотного оксида CrO₃, образуется монохромовая кислота (просто хромовая) H₂CrO₄.

CrO₃ + H₂O = H₂CrO₄

Подкисление раствора или увеличение в нем CrO₃ приводит к кислотам общей формулы nCrO₃ H₂O при n=2, 3, 4 это, соответственно, ди, три, тетрохромовые кислоты. Самая сильная из них - дихромовая, то есть H₂Cr₂O₇. Хромовые кислоты и их соли- сильные окислители и ядовиты.

3.4.4 Соли

Различают два вида солей: хромиты и хроматы

Хромитами с общей формулой RCrO₂ называются соли хромистой кислоты HCrO₂.

Cr(OH)₃ + NaOH = NaCrO₂ + 2H₂O

Хромиты обладают различной окраской - от темно коричневой до совершенно черной и обычно встречаются в виде сплошных массивов. Хромит мягче многих других минералов, температура плавления хромита зависит от его состава 1545-1730⁰С. Хромит имеет металлический блеск и почти нерастворим в кислотах.

Хроматы - соли хромовых кислот. Соли монохромовой кислоты H₂CrO₄ называют монохроматами (хроматы) R₂CrO₄, соли дихромовой кислоты H₂Cr₂O₇ дихроматы (бихроматы) - R₂Cr₂O₇. Монохроматы обычно окрашены в желтый цвет. Они устойчивы только в щелочной среде, а при подкислении превращаются в оранжево-красные бихроматы:

2Na₂CrO₄ + H₂SO₄ = Na₂Cr₂O₇ + Na₂SO₄ + H₂O

4. Свойства хрома. Экспериментальная часть 4.1 Опыт №1. Получение оксида хрома (III)

Приборы и реактивы: асбестированная сетка; спички; бихромат аммония (NH₄)₂Cr₂O₇ (измельченный).

Выполнение опыта. Расстилаю большой лист бумаги, на который кладу асбестированную сетку. Тонко измельченный бихромат аммония насыпаю в виде горки. До бихромата аммония дотрагиваюсь зажженной спичкой.

Начинается разложение бихромата, которое протекает с выделением тепла и постепенно захватывает все большие и большие количества соли. В конце реакция идет все более бурно - появляются искры, пламя, летит рыхлый и легкий пепел - типичное извержение вулкана в миниатюре. Образовалось большое количество рыхлого темно-зеленого вещества.

Вывод: оксид хрома (III) Cr₂O₃ получается путем нагревания бихромата аммония:

(NH₄)₂Cr₂O₇Cr₂O₃+N₂+4H₂O

4.2 Опыт №2. Исследование свойств оксида хрома (III)

Приборы и реактивы: колба; вода H₂O; оксид хрома (III) Cr₂O₃; серная кислота

Выполнение опыта. Добавляю полученный зеленый порошок оксида хрома (III) сначала в колбу с водой

Cr₂O₃ + 3H₂O = 2Cr(OH)₃

затем в колбу с серной кислотой

Cr₂O₃ + 3H₂SO₄ = Cr₂(SO₄)₃ + 3H₂O

Наблюдаю растворение оксида в обоих колбах.

Вывод: Оксид хрома растворяется в воде и в кислотах.

 

4.3 Опыт №3.Окислительные свойства солей хрома (VI)

Приборы и реактивы: раствор бихромата калия K₂Cr₂O₇; раствор сульфита натрия Na₂SO₃; серная кислота H₂SO₄.

Выполнение опыта. К раствору K₂Cr₂O₇, подкисленному серной кислотой, добавляю раствор Na₂SO₄. Наблюдаю изменения окраски.

Оранжевый раствор стал зелено- фиолетовым.

Вывод: В кислой среде хром восстанавливается сульфитом натрия от хрома (VI) до хрома (III):

K₂Cr₂O₇ + 3Na₂SO₃ + 4H₂SO₄ = K₂SO₄ + Cr₂(SO₄)₃  + 3Na₂SO₄ + 4H₂O

4.4 Опыт №4. Исследование свойств солей хрома (VI)

Приборы и реактивы: концентрированный раствор бихромата калия K₂Cr₂O₇; концентрированная соляная кислота HCl

Выполнение опыта. К концентрированному раствору бихромата калия K₂Cr₂O₇ добавляю концентрированную соляную кислоту HCl. При нагревании наблюдается выделение резкого хлорного запаха, от которого жжет нос и горло.

Вывод: Так как все соединения хрома (VI) являются сильными окислителями, то при реакции с соляной кислотой:

K₂Cr₂O₇ + 14HCl  3Cl₂­ + 2CrCl₃ + 2KCl + 7H₂O

происходит восстановление хлора:

2Cl^- -2Cl₂⁰

4.5 Опыт №5. Переход хромата в бихромат и обратно

Приборы и реактивы: раствор хромата калия K₂CrO₄, раствор бихромата калия K₂Cr₂O₇, серная кислота, гидроксид натрия.

Выполнение опыта. К раствору хромата калия добавляю серную кислоту, в результате происходит изменение окраски раствора из желтого в оранжевый.

2K₂CrO₄ + H₂SO₄ = K₂Cr₂O₇ + K₂SO₄ + H₂O

К раствору бихромата калия добавляю щелочь, в результате происходит изменение окраски раствора из оранжевого в желтый.

K₂Cr₂O₇ + 4NaOH = 2Na₂CrO₄ + 2KOH + H₂O

Вывод: В кислой среде хроматы неустойчивы, ион CrO₄^2-  желтого цвета превращается в ион Cr₂O₇^2-  оранжевого цвета, а в щелочной среде эта реакция протекает в обратном направлении

2CrO₄^2- + 2H⁺_{кислая среда®}^{¬щелочная среда} Cr₂O₇^2- + H₂O.

4.6 Опыт №6. Получение малорастворимых солей хромовых кислот

Приборы и реактивы: раствор хромата калия K₂CrO₄, раствор бихромата калия K₂Cr₂O₇, раствор нитрата серебра AgNO₃.

Выполнение опыта. Наливаю в одну пробирку раствор хромата калия, в другую - раствор бихромата калия, и добавляю в обе пробирки раствор нитрата серебра, в обоих случаях наблюдаю образование красно-бурого осадка.

K₂CrO₄ + 2AgNO₃= Ag₂CrO₄¯ + 2KNO₃

K₂Cr₂O₇ + AgNO₃ ® Ag₂CrO₄¯+ KNO₃

Вывод: Растворимые соли хрома при взаимодействии с нитратом серебра образуют нерастворимый осадок

4.7 Опыт №7. Получение гидроксида хрома

Приборы и реактивы: раствор соли хрома (III) CrCl₃, едкий натр (гидроксид натрия) NaOH.

Выполнение опыта. В пробирку с раствором хлорида хрома (III) по каплям добавляю раствор едкого натра до образования серо-зеленого осадка.

Вывод: Гидроксид хрома Cr(OH)₃  получается при действии на соль трехвалентного хрома щелочью:

CrCl₃ + 3NaOH = Cr(OH)₃¯ + 3NaCl

 

5. Применение хрома

Основная часть добываемой в мире хромистой руды поступает сегодня на ферросплавные заводы, где выплавляются различные сорта феррохрома и металлического хрома.

Хромиты широко используют в огнеупорной промышленности для изготовления огнеупорного хромитового и хромомагнезитового кирпича. Такой кирпич химически пассивен, устойчив при температурах выше 2200⁰С, хорошо выдерживает резкие колебания температур. Магнезитохромитовый кирпич - отличный огнеупорный материал для футеровки (защитной внутренней облицовки) мартеновских печей и других металлургических агрегатов. Своды из хромомагнезитового кирпича выдерживают вдвое больше плавок, чем своды из упорного кварцевого материала.

Химики используют хромиты для получения бихроматов калия и натрия, а также хромовых квасцов, которые применяются для дубления кожи, придающего ей красивый блеск и прочность. Такую кожу называют «хромом», а сапоги из нее «хромовыми». Растворимые в воде хроматы натрия и калия применяются в текстильном и кожевенном производстве, как консерванты древесины (они уничтожают древесные грибки).

Хромовая смесь - сернокислый раствор бихромата калия или натрия используется для мытья химической посуды в лабораториях. Наиболее часто применяется раствор содержащей по массе приблизительно 12 частей K₂Cr₂O₇, 70 частей воды и 22 части H₂SO₄.

Как бы оправдывая свое название, хром принимает деятельное участие в производстве красителей для стекольной, керамической, текстильной промышленности. Нерастворимые хроматы некоторых металлов (PbCrO₄, ZnCrO₄, SrCrO₄) - прекрасные художественные краски. Богатством оттенков - от розово-красного до фиолетового славится SnCrO₄, используемый в живописи по фарфору.

В мире драгоценных камней рубину принадлежит второе место после алмаза. Технология получения искусственного рубина заключается в следующем: в оксид алюминия Al₂O₃ вводят дозированную добавку оксида хрома (III), - ему-то и обязаны рубиновые кристаллы своим чарующим цветом. Но искусственные рубины ценятся не только за свои «внешние данные»: рожденный с их помощью лазерный луч способен буквально творить чудеса.

Оксид хрома (III) позволил тракторостроителям значительно сократить сроки обкатки двигателей. Обычно эта операция, во время которой все трущиеся детали должны «привыкнуть» друг к другу, продолжалась довольно долго и это, конечно, не очень устраивало работников тракторных заводов. Выход из положения был найден, когда удалось разработать новую топливную присадку, в состав которой вошел оксид хрома (III). Секрет действия присадки прост: при сгорании топлива образуются мельчайшие абразивные частицы оксида хрома (III), которые, оседая на внутренних стенках цилиндров и других подвергающихся трению поверхностях, быстро ликвидируют шероховатости, полируют и плотно подгоняют детали. Эта присадка в сочетании с новым сортом масла позволила в 30 раз сократить продолжительность обкатки.

Замена в рабочем слое магнитофонной пленки оксида железа на частицы оксида хрома (III) позволила резко улучшить качество звучания, пленка стала надежнее в работе.

Фотоматериалы и лекарства, катализаторы для химических процессов и металлические покрытия - всюду хром оказывается «при деле». О хромовых покрытиях следует рассказать подробнее.

5.1 Хромирование

Давно было замечено, что хром не только отличается большой твердостью (в этом отношении у него нет конкурентов среди металлов), но и хорошо сопротивляется окислению на воздухе, не взаимодействует с кислотами. Тонкий слой этого металла попробовали электролитически осаждать на поверхность изделий из других материалов, чтобы предохранить их от коррозии, царапин и прочих «травм». Однако хромовые покрытия оказались пористыми, легко отслаивались и не оправдывали возлагаемых на них надежд.

Почти три четверти века бились ученые над проблемой хромирования, и лишь в 20-х годах прошлого столетия проблема была решена. Причина неудач заключалась в том, что используемый при этом электролит содержал трехвалентный хром, который не мог создать нужное покрытие. А вот его шестивалентному «собрату» такая задача оказалась по плечу. С этого времени в качестве электролита начали применять хромовую кислоту - в ней валентность хрома равна 6. Толщина защитных покрытий (например, на некоторых наружных деталях автомобилей, мотоциклов, велосипедов) составляет до 0,1 миллиметра. Но иногда хромовое покрытие используют в декоративных целях - для отделки часов, дверных ручек и других предметов, не подвергающихся серьезной опасности. В таких случаях на изделие наносят тончайший слой хрома (0,0002-0,0005 миллиметра).

Литовские химики разработали способ создания многослойной «кольчуги» для особо ответственных деталей. Тончайший верхний слой этого покрытия (под микроскопом его поверхность и в самом деле напоминает кольчугу) состоит из хрома: в процессе службы он первым «принимает огонь на себя», но пока хром окисляется, проходят многие годы. Тем временем деталь спокойно несет свою ответственную службу.

Хромированию подвергаются не только металлические детали, но и изделия из пластмасс. Подвергнутый испытаниям широко известный полимер - полистирол, «одетый» в хром, стал прочнее, для него оказались менее страшными такие известные «враги» конструкционных материалов, как истирание, изгиб, удар. Само собой разумеется, возрос срок службы деталей.

Существует и другой способ хромирования - диффузионный, протекающий не в гальванических ваннах, а в печах. Первоначально стальную деталь помещали в порошок хрома и нагревали в восстановительной атмосфере до высоких температур. При этом на поверхности детали появлялся обогащенный хромом слой, по твердости и коррозионной стойкости значительно превосходящий сталь, из которой сделана деталь. Но при температуре примерно 1000°С хромовый порошок спекается и, кроме того, на поверхности покрываемого металла образуются карбиды, препятствующие диффузии хрома в сталь. Пришлось подыскивать другой носитель хрома; вместо порошка для этой цели начали использовать летучие галоидные соли хрома - хлорид или иодид, что позволило снизить температуру процесса. Хлорид (или иодид) хрома получают непосредственно в установке для хромирования, пропуская пары соответствующей галоидоводородной кислоты через порошкообразный хром или феррохром. Образующийся газообразный хлорид обволакивает хромируемое изделие, и поверхностный слой насыщается хромом. Такое покрытие гораздо прочнее связано с основным материалом, чем гальваническое.

5.2 Сплавы

Семейство хромовых сплавов весьма многочисленно.

Таблица 3- Основные хромовые сплавы

Название	Хром Cr	Железо Fe	Никель Ni	Алюминий Al	Кобальт Co	Вольфрам W
Феррохром	65%	35 %
Нихром	15-30%		70-85%
Хромаль	17-30%	64-79%		4-6%
Стеллит	20-25%	1-3%			45-60%	5-29%

Феррохром - сплав хрома с железом, вводимый в жидкую сталь для ее легирования. Вводить хром в чистом виде в сталь очень затруднительно - он медленно растворяются в жидком металле, так как температуры его плавления выше, чем у стали. У феррохрома же температура плавления такая же, как у стали, или ниже.

Нихромы и хромали, устойчивы в интервале 1000-1300⁰C, обладают высоким электросопротивлением, используются для изготовления нагревателей в электрических печах сопротивления.

Добавка к хромоникелевым сплавам кобальта и молибдена придает металлу способность переносить большие нагрузки при 650-900° С. Из этих сплавов делают, например, лопатки газовых турбин.

Стеллит очень твердый сплав, стоек против износа и коррозии; применяется в металлообрабатывающей промышленности, для изготовления режущих инструментов.

Комохром - сплав хрома, кобальта и молибдена безвреден для человеческого организма и поэтому используется в восстановительной хирургии.

Хром входит в состав очень многих марок сталей.

«Нержавейка» - сталь, отлично противостоящая коррозии и окислению, содержит примерно 17-19% хрома и 8-13% никеля. Но этой стали углерод вреден: карбидообразующие «наклонности» хрома приводят к тому, что большие количества этого элемента связываются в карбиды, выделяющиеся на границах зерен стали, а сами зерна оказываются бедны хромом и не могут стойко обороняться против натиска кислот и кислорода. Поэтому содержание углерода в нержавеющей стали должно быть минимальным (не более 0,1%).

При высоких температурах сталь может покрываться «чешуей» окалины. В некоторых машинах детали нагреваются до сотен градусов. Чтобы сталь, из которой сделаны эти детали, не «страдала» окалинообразованием, в нее вводят 25-30% хрома. Такая сталь выдерживает температуры до 1000°С.

Хромолибденовые стали используются для создания фюзеляжей самолетов.

6. Экологические проблемы

(Влияние геологоразведочных работ, добычи и переработки сырья на окружающую среду)

Хром относится к высоко токсичным веществам. Действие на живой организм солей хрома сопровождается раздражением кожи или слизистой оболочки, иногда с образованием язв. Поражают они главным образом верхние дыхательные пути, легкие и глаза. Оксиды хрома менее токсичны, чем чистый металл.

Таблица 4-Предельно допустимые концентрации оксидов хрома

	CrO3	Cr2O3
Разовая в воздухе населенных мест, мг/м3	0,01	1,0
Суточная в воздухе населенных мест мг/м3	0,0015	-
В воде для хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водоснабжения, мг/л	0,1	1,0
В воде для рыбохозяйственных целей, мг/л	0,1	0,5

При проведении геологоразведочных работ на хромовые руды не требуются специальные меры по защите окружающей среды. При добыче хромовых руд для исключения попадания рудной пыли в воздух населенных пунктов следует выполнять ряд условий: соблюдение определенного расстояния от населенных пунктов, орошение дорог в карьерах и в складах добытой руды.

Наиболее значительное нарушение окружающей среды связано с переработкой хромового сырья, при котором в воздух попадает значительное количество пыли при сухом долблении и сортировке. При мокром обогащении сточные воды нуждаются в отчистке от хрома, его оксидов, что исключает сброс сточных вод в водоемы и требует строительства экранированных шламохранилищ.

Заключение

В данной работе рассмотрены основные вопросы изучения свойств хрома- химического элемента VI группы периодической системы Менделеева.

В первых двух разделах реферата кратко изложены факты открытия и дальнейшего использования хрома, указана особенность распространения хрома в природных месторождениях: хром никогда не встречается в несвязанном состоянии.

Далее рассмотрены физические свойства хрома. Отмечены аномальные изменения физических свойств хрома при температуре 37⁰С.

Основные разделы реферата посвящены изучению химических свойств хрома и его соединений. Отмечены малая химическая активность хрома, сильные окислительные свойства и высокая токсичность его соединений.

Отдельный раздел посвящен экспериментальному исследованию свойств основных практически значимых соединений хрома - оксидов, гидроксидов и солей. Все опыты подтверждены соответствующими химическими реакциями. Результаты экспериментов могут быть использованы при формировании лабораторного практикума по разделу "Металлы" курса химии школьной программы.

Также в реферате рассмотрены вопросы промышленного применения хрома и экологические проблемы его добычи и переработки.

Литература

1.    Лисицын А.Е., Остапенко П.Е. Минеральное сырье. Хром // Справочник. - М.: ЗАО Геоинформмарк, 1999. - 25 с.

2.    Салли А., Брендз Э. Хром.- Изд. 2-е переработ. и доп. Перев. с англ. М.: Металлургия, 1971.- 360 с.

3.    Химия. Решение задач: учеб. пособие для уч. сред. и ст. шк. возраста/ Авт.- сост. А.Е.Хасанов. - Мн.: Современный литератор, 1999. -448 с.

4.    Неорганическая химия. Энциклопедия школьника/ Гл. ред. И.П.Алимарин.- М.: Советская Энциклопедия, 1975.- 384 с.

5.    Энциклопедический словарь юного химика/ Сост. В.А.Крицман, В.В.Станцо.- М.: Педагогика, 1982.- 368 с.

Приложение А

(справочное)

Таблица А.1-Важнейшие природные соединения хрома

Название минерала	Химическая формула
Хромистый железняк	FeO*Cr2O3 или FeCr2O4
Магнезиохромит	MgO*Cr2O3 или MgCr2O4
Алюмохромит	FеО*(Аl,Сr)2O3 или Fe(Al,Cr)2O4
Пикотит	(Mg,Fe)(Al,Сr,Fе)2O3, или (Mg,Fe)O*(AI,Сr,Fе)2О3
Хромитит	(Fe*Al)2O3*2Cr2O3
Добреслит	FeS*Cr2S3
Крокоит	PbCrO4
Вокеленит	2(Pb*Cu)CrO4(Pb*Cu)3(PO4)2
Феницит	3PbO*2Cr2O3
Березовит	(PbO)2*(PbCrO4)PbCrO3

Таблица А.2-Свойства оксидов хрома

валентность	обозначение	свойства
II	CrO	основной	восстановитель
III	Cr2O3	амфотерный
VI	CrO3	кислотный	окислитель

 

Рисунок А.1- Структура применения хрома по отраслям промышленности