Исследование свойств хрома и его соединений 
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)2Cr2O7[pic]Cr2O3+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 [pic] 3Cl2( + 2CrCl3 + 2KCl + 7H2O
происходит восстановление хлора:
2Cl- -2[pic]Cl20
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 CrO42- желтого цвета
превращается в ион Cr2O72- оранжевого цвета, а в щелочной среде эта
реакция протекает в обратном направлении
2CrO42- + 2H+ кислая среда((щелочная среда Cr2O72- + 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
|Названи|Хром |Железо|Никель|Алюминий|Кобаль|Вольфрам|
|е |Cr | | | |т | |
| | |Fe |Ni |Al |Co |W |
|Феррохр|65% |35 % | | | | |
|ом | | | | | | |
|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, |0,01 |1,0 |
|мг/м3 | | |
|Суточная в воздухе населенных мест |0,0015 |- |
|мг/м3 | | |
|В воде для хозяйственно-питьевого и |0,1 |1,0 |
|культурно-бытового водоснабжения, | | |
|мг/л | | |
|В воде для рыбохозяйственных целей, |0,1 |0,5 |
|мг/л | | |
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 |FeO*Cr2O3 или FeCr2O4 |
|железняк | |
|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
|валентност|обозначени|свойства |
|ь |е | |
|II |CrO |основной |восстановитель |
|III |Cr2O3 |амфотерный | |
|VI |CrO3 |кислотный |окислитель |
[pic]
Рисунок А.1- Структура применения хрома по отраслям промышленности
Страницы: 1, 2
|
