Свойства хрома. Теоретическая часть

Общие сведения

Хром Cr - химический элемент VI группы периодической системы Менделеева, атомный номер 24, атомная масса 51, 996, радиус атома 0, 0125, радиусы ионов Cr²⁺ - 0, 0084; Cr³⁺ - 0, 0064; Cr⁴⁺ - 6, 0056. Имеет четыре стабильных изотопа с атомными массами 50, 52, 53, 54, распространенность которых в природе составляет 4, 35%, 83, 79%, 9, 50%, 2, 36%. Обычно хром проявляет степени окисления +2, +3, +6 (валентности II, III, VI соответственно) [4].

Рисунок 1- Структура атома хрома

Рисунок 2-Распределение электронов по энергетическим уровням

Физические свойства

Хром - твердый, довольно тяжелый, пластичный, ковкий металл серо-стального цвета, плавится при 1878±22⁰С, кипит при 2469⁰С [2]. Ничтожные примеси кислорода, азота, углерода резко изменяют физические свойства хрома, в частности он становится хрупким. Получить хром без этих примесей очень трудно. Устойчив к коррозии на воздухе и в воде.

Структура кристаллической решетки объемноцентрированная кубическая.

Хром обладает всеми характерными свойствами металлов - хорошо проводит тепло, почти не оказывает сопротивления электрическому току, имеет присущий большинству металлов блеск. Любопытна одна особенность хрома: при температуре около 37°С многие его физические свойства резко, скачкообразно меняются. В этой температурной точке внутреннее трение хрома достигает максимума, а модуль упругости падает до минимальных значений. Так же внезапно изменяются электропроводность, коэффициент линейного расширения, термоэлектродвижущая сила. Пока ученые не могут достоверно объяснить эту аномалию.

Таблица 1- Физические свойства хрома

Параметр	Значение
Плотность при 200C	7, 19 г/см3
Температура плавления	1878±220С
Температура кипения	2469-2480 0C
Теплота парообразования	344, 4 кДж/Моль
Теплопроводность	93, 7 Вт/(м´ К)
Температурный коэффициент линейного расширения	6, 2´ 10-6
Удельное электрическое сопротивление	12, 7´ 10-8Ом´ м
Твердость по Бринеллю	687 МПа
Удельная магнитная восприимчивость	+4, 45´ 10-8м/кг3

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 + 3С0 Cr4+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

 

Соединения хрома

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

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.

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.

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

 

⇐ Предыдущая123Следующая ⇒

Поделиться: