ПМ-19 хімія 23.09.21

 

23.09.2021

Лекція (2 год.)

Тема 1.9. Хром.Фізичні і хімічні властивості хрому, застосування. Окислювальні властивості хроматів і дихроматів

Опрацювати: матеріал лекції.

Виконати (письмово):

для самостійного вивчення: Тема 1.10. Молібден. Вольфрам. Властивості і застосування.

 Поширення у природі. Хром трапляється у вигляді сполук у різних мінералах. Найпоширеніший мінерал хроміт, або хромистий залізняк FeCr₂O₄, багаті родовища якого є на Уралі і в Казахстані. Загальний вміст хрому в земній корі становить 0,03%. Хром виявлено на Сонці, зірках і в метеоритах.

Добування. Металічний хром добувають відновленням оксиду хрому(ІІІ) при нагріванні з алюмінієм:

Сr₂О₃ + 2Аl = Аl₂О₃ + 2Сr.

Металічний хром добувають також електролізом водних розчинів сполук хрому.

Фізичні властивості. Хром — сірувато-білий блискучий метал. З металів він найтвердіший, його густина 7,2 г/см³, т. пл. 1 855°С. Природний хром складається із суміші п’яти ізотопів з масовими числами 50, 52, 53, 54 і 56. Радіоактивні ізотопи добуті штучно.

Хімічні властивості. Розміщення електронів на 3d- і 4s - орбіталях атома хрому можна представити схемою

↑

↑

↑

↑

↑

↑

Звідси випливає, що хром може виявляти у сполуках різні ступені окиснення — від +1 до +6; з них найстійкіші сполуки хрому зі ступенями окиснення +2, +3, +6. Отже, в утворенні хімічних зв’язків бере участь не тільки електрон зовнішнього рівня, а й п’ять електронів d -підрівня другого ззовні рівня.

На поверхні хрому, як і алюмінію, утворюється оксидна плівка Сr₂О₃. Тому хром у розведених сульфатній і хлоридній кислотах починає розчинятися не відразу, а після розчинення оксидної плівки:

Сr + 2Н⁺ = Сr²⁺ + Н₂ ↑.

У нітратній і концентрованій сульфатній кислотах хром не розчиняється, оскільки його оксидна плівка зміцнюється, тобто хром переходить у пасивний стан. З цієї самої причини не взаємодіють з хромом розведені сульфатна і хлоридна кислоти, що містять розчинений кисень. Пасивацію хрому можна усунути очищенням поверхні металу. При високій температурі хром горить у кисні, утворюючи оксид Сr₂О₃. Розжарений хром реагує з парою води:

2Cr + 3H₂O ⇆ Сr₂О₃ + 3Н₂ ↑.

Металічний хром при нагріванні реагує також з галогенами, галогеноводнями, сіркою, азотом, фосфором, вугіллям, кремнієм і бором. Наприклад:

Сr + 2HF = CrF₂ + Н₂ ↑;   2Cr + N₂ = 2CrN;

2Cr + 3S = Cr₂S;    Cr + Si = CrSi.

Застосування. На початку ХIX ст. сполуки хрому використовувалися як вогнетривкий матеріал для футерування металургійних печей, отримання фарб і дублення шкіри. В кінці ХIX ст. хром почали широко використовувати для легування сталі. Сьогодні основним споживачем хромітів є металургійна промисловість (65 %), значно менше — промисловість вогнетривів (18 %) і хімічна (17 %) промисловість.

Хром —один з основних компонентів неіржавної жароміцної, кислототривкої сталі і важливого інгредієнта корозійностійких і жароміцних суперсплавів. Добавка ферохрому (65-70 % Cr, 5-7 % С, інше — Fe) або чарж-хрому (54 % Cr, 6-7 % С, інше Fe) до сталей підвищує їх в'язкість, твердість і антикорозійні властивості (нержавіючі, жароміцні, кислототривкі, інструментальні і інші види сталей). Сплави хрому з кобальтом, вольфрамом або молібденом використовуються як антикорозійні покриття (хромування). Штучний радіоактивний ізотоп ⁵¹Cr — ізотопний індикатор. Сполуки хрому застосовують як фарби, окисники, дубильні речовини, протрави при фарбуванні.

Хром та його аналоги широко використовують як легувальні додатки до спеціальних неіржавних сталей, які містять більше 10 % хрому. При меншому вмісті хрому сталь набуває значної міцності та твердості. Сплав нікелю з хромом ніхром (80 % Ni, 20 % Cr) має високу температуру плавлення, його використовують в нагрівальних елементах печей, які дають можливість досягти температури +1100 °C.

Біологічна роль

Хром відіграє важливу біологічну роль в організмі людини. Він позитивно впливає на процеси кровотворення, а також на ферментативні системи. У складі ферменту трипсину Хром бере участь у процесі травлення. Вченими встановлено, що вилучення Хрому з харчового раціону тварин приводить до підвищення у крові та сечі глюкози. Додавання Хрому до їжі хворим на діабет нормалізує вуглеводний обмін. Хром в організм людини потрапляє з такими продуктами харчування, як соя, кукурудзяна та вівсяна крупи. Добова потреба організму в Хромі становить 5-10 мг.

Хромати і дихромати

Хромові кислоти утворюють два ряди солей: хромати — так називаються солі хроматної кислоти — і дихромати — так називаються солі дихроматної кислоти. Хромати мають жовте забарвлення (колір хромат-іона СrО₄^2-), дихромати — оранжеве (колір дихромат-іона Сr₂О₇^2-).

Іони СrО₄^2- і Сr₂О₇^2- взаємно перетворюються при зміні концентрації іонів гідрогену за рівнянням:

2 СrО₄^2- + 2Н⁺ ⇆ Сr₂O₇^2- + Н₂О

і

Сr₂O₇^2-+ 2OН^- ⇆ 2СrO₄^2- + Н₂О.

Звідси видно, що якщо підкислити розчин, то рівновага буде зміщуватися в бік утворення дихромат-іонів Сr₂O₇^2-, і навпаки, якщо добавляти луги, то рівновага буде зміщуватися в бік утворення хромат-іонів СrО₄^2-. Так хромати можна перетворити на дихромати і навпаки.

Дихромати Na₂Cr₂O₇ ∙ 2Н₂О і К₂Сr₂О₇ називаються хромпіками. Вони як окисники застосовуються у шкіряній (дублення шкір), лакофарбовій, сірниковій та текстильній промисловості. Хромову суміш — так називають 3%-вий розчин дихромату калію у концентрованій сульфатній кислоті — застосовують у хімічних лабораторіях для миття скляного посуду.

Солі хроматних кислот у кислому середовищі — сильні окисники. Наприклад:

    +4                      +6                                                +6                +3

3SO₂ + К₂Сr₂ О₇ + H₂SO₄ = K₂SO₄ + Cr₂(SO₄)₃ + Н₂О;

Сполуки хрому(ІІІ) у лужному середовищі відіграють роль відновників. Під дією різних окисників — Сl₂, Вr₂, Н₂О₂, КМnO₄ тощо — вони переходять у сполуки хрому(ІV) — хромати:

               +3                                             0                                                 +6                          -1

2Na [Cr(OH)₄(H₂O)₂] + 3Br₂ + 4NaOH = 2Na₂CrO₄ + 6NaBr + 8H₂O;

Тут сполука Сr(ІІІ) зображена у формі Na [Cr(OH)₄(H₂O)], оскільки у вигляді іонів Na⁺ і [Сr(OН)₄(Н₂O)₂]^- вона міститься в надлишку розчину лугу.

Сильні окисники, такі, як KMnO₄, (NH₄)₂ S₂O₈, у кислому середовищі переводять сполуки Сr(ІІІ) у дихромати:

   +3                                   +7                                         +6                    +4

Cr₂(SO₄)₃ + 2КМnO₄ + 7Н₂О = К₂Сr₂О₇ + 2Мn(ОН)₄ + 3H₂SO₄;

Отже, окисні властивості послідовно зростають зі зміною

                                                                                +2                      +3                     +6

ступенів окиснення в ряду: Сr —> Сr —> Сr. Сполуки Сr(ІІ) — сильні відновники, легко окиснюються, перетворюючись на сполуки хрому(ІІІ). Сполуки хрому(VІ) — сильні окисники, легко відновлюються до сполук хрому(ІІІ). Сполуки з проміжним ступенем окиснення, тобто сполуки хрому(ІІІ), можуть при взаємодії з сильними відновниками виявляти окисні властивості, переходячи у сполуки хрому(ІІ), а при взаємодії з сильними окисниками (наприклад, бромом, КМnO₄) виявляти відновні властивості, перетворюючись на сполуки xpoMy(VI).

Солі хрому(ІІІ) дуже різноманітні за забарвленням: фіолетові, сині, зелені, коричневі, оранжеві, червоні та чорні. Усі хроматні кислоти та їх солі, а також оксид хрому(VІ) отруйні: уражають шкіру, дихальні шляхи, викликають запалення очей, тому, працюючи з ними, необхідно дотримувати усіх запобіжних заходів.