Відкриття хрому відноситься до періоду бурхливого розвитку хіміко-аналітичних досліджень солей та мінералів. У Росії хіміки виявляли особливий інтерес до аналізу мінералів, знайдених у Сибіру та майже невідомих у Західної Європи. Одним із таких мінералів була сибірська червона свинцева руда (крокоїт), описана ще Ломоносовим. Мінерал досліджувався, але нічого, крім оксидів свинцю, заліза та алюмінію, в ньому не було знайдено. Однак у 1797 році Вокелен, прокип'ятив тонко подрібнений зразок мінералу з поташом і осадивши карбонат свинцю, отримав розчин, пофарбований в оранжево червоний колір. З цього розчину він викристалізував рубіново-червону сіль, з якої виділили оксид і вільний метал, відмінний від усіх відомих металів. Вокелен назвав його Хром ( Chrome ) від грецького слова- фарбування, колір; правда тут йшлося про властивість не металу, яке яскраво пофарбованих солей.
Знаходження у природі.
Найважливішою рудою хрому, що має практичне значення, є хроміт, приблизний склад якого відповідає формулі FeCrO4.
Він зустрічається в Малій Азії, на Уралі, в Північної Америки, Півдні Африки. Технічне значення має також названий мінерал крокоїт – PbCrO 4 . У природі зустрічаються також оксид хрому (3) та деякі інші його сполуки. У земної коривміст хрому у перерахунку на метал становить 0,03%. Хром виявлено на Сонці, зірках, метеоритах.
Фізичні властивості.
Хром – білий, твердий та тендітний метал, виключно хімічно стійкий до дії кислот та лугів. На повітрі він окислюється, має поверхні тонку прозору плівку оксиду. Хром має щільність 7,1 г/см 3 його температура плавлення становить +1875 0 С.
Отримання.
При сильному нагріванні хромистого залізняку з вугіллям відбувається відновлення хрому та заліза:
FeO * Cr 2 O 3 + 4C = 2Cr + Fe + 4CO
В результаті цієї реакції утворюється сплав хрому із залізом, що відрізняється високою міцністю. Для отримання чистого хрому його відновлюють з оксиду хрому(3) алюмінієм:
Cr 2 O 3 + 2Al = Al 2 O 3 + 2Cr
У цьому процесі зазвичай використовують два оксиди - Cr 2 O 3 і CrO 3
Хімічні властивості.
Завдяки тонкій захисній плівці оксиду, що покриває поверхню хрому, він дуже стійкий до дії агресивних кислот та лугів. Хром не реагує з концентрованими азотною та сірчаною кислотами, а також з фосфорною кислотою. З лугами хром вступає у взаємодію при t = 600-700 про C. Однак хром взаємодіє з розведеними сірчаною та соляною кислотами, витісняючи водень:
2Cr + 3H 2 SO 4 = Cr 2 (SO 4) 3 + 3H 2
2Cr + 6HCl = 2CrCl 3 + 3H 2
За високої температури хром горить у кисні, утворюючи оксид(III).
Розпечений хром реагує з парами води:
2Cr + 3H 2 O = Cr 2 O 3 + 3H 2
Хром при високій температурі реагує також з галогенами, галоген - воднями, сіркою, азотом, фосфором, вугіллям, кремнієм, бором, наприклад:
Cr + 2HF = CrF 2 + H 2
2Cr + N2 = 2CrN
2Cr + 3S = Cr 2 S 3
Cr + Si = CrSi
Вищевказані фізичні та хімічні властивості хрому знайшли своє застосування у різних галузях науки та техніки. Так, наприклад, хром та його сплави використовуються для отримання високоміцних, корозійностійких покриттів у машинобудуванні. Сплави у вигляді ферохрому використовуються як металорізальні інструменти. Хромовані метали знайшли застосування в медичній техніці, при виготовленні хімічного технологічного обладнання.
Положення хрому в періодичній системі хімічних елементів:
Хром очолює побічну підгрупу VI групи періодичної системиелементів. Його електронна формуланаступна:
24 Cr IS 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3d 5 4S 1
У заповненні орбіталей електронами у атома хрому порушується закономірність, згідно з якою спочатку мала б заповнитися 4S - орбіталь до стану 4S 2 . Однак, внаслідок того, що 3d - орбіталь займає в атомі хрому вигідніше енергетичне положення, відбувається її заповнення значення 4d 5 . Таке явище спостерігається в інших атомів елементів побічних підгруп. Хром може виявляти ступеня окиснення від +1 до +6. Найбільш стійкими є сполуки хрому зі ступенями окиснення +2, +3, +6.
З'єднання двовалентного хрому.
Оксид хрому (II) CrO – пірофорний чорний порошок (пірофорність – здатність у тонкороздробленому стані спалахнуть на повітрі). CrO розчиняється в розведеній соляній кислоті:
CrO + 2HCl = CrCl 2 + H 2 O
На повітрі при нагріванні понад 100 0 С CrO перетворюється на Cr 2 O 3 .
Солі двовалентного хрому утворюються під час розчинення металевого хрому в кислотах. Ці реакції відбуваються у атмосфері малоактивного газу (наприклад H 2), т.к. у присутності повітря легко відбувається окислення Cr(II) до Cr(III).
Гідроксид хрому одержують у вигляді жовтого осаду при дії розчину лугу на хлорид хрому (II):
CrCl 2 + 2NaOH = Cr(OH) 2 + 2NaCl
Cr(OH) 2 має основні властивості, є відновником. Гідратований іон Cr2+ пофарбований у блідо-блакитний колір. Водний розчин CrCl 2 має синє забарвлення. На повітрі у водних розчинах сполуки Cr(II) переходять у сполуки Cr(III). Особливо це яскраво виявляється у гідроксиду Cr(II):
4Cr(OH) 2 + 2H 2 O + O 2 = 4Cr(OH) 3
З'єднання тривалентного хрому.
Оксид хрому (III) Cr2O3 – тугоплавкий порошок зеленого кольору. За твердістю близький до корунду. У лабораторії його можна отримати нагріванням дихромату амонію:
(NH 4) 2 Cr 2 O 7 = Cr 2 O 3 + N 2 + 4H 2
Cr 2 O 3 – амфотерний оксид, при сплавленні з лугами утворює хроміти: Cr 2 O 3 + 2NaOH = 2NaCrO 2 + H 2 O
Гідроксид хрому також є амфотерною сполукою:
Cr(OH) 3 + HCl = CrCl 3 + 3H 2 O
Cr(OH) 3 + NaOH = NaCrO 2 + 2H 2 O
Безводний CrCl 3 має вигляд листочків темно-фіолетового кольору, абсолютно нерозчинний холодній воді, при кип'ятінні він розчиняється дуже повільно. Безводний сульфат хрому (III) Cr 2 (SO 4) 3 рожевого кольору також погано розчинний у воді. У присутності відновників утворює фіолетовий сульфат хрому Cr 2 (SO 4) 3 *18H 2 O. Відомі також зелені гідрати сульфату хрому, що містять меншу кількість води. Хромові галун KCr(SO 4) 2 *12H 2 O викристалізовуються з розчинів, що містять фіолетовий сульфат хрому і сульфат калію. Розчин хромових галунів при нагріванні стає зеленим завдяки утворенню сульфатів.
Реакції з хромом та його сполуками
Майже всі сполуки хрому та його розчини інтенсивно пофарбовані. Маючи безбарвний розчин або білий осад, ми можемо з великою ймовірністю зробити висновок про відсутність хрому.
- Сильно нагріємо в полум'ї пальника на фарфоровій чашці таку кількість біхромату калію, що поміститься на кінчику ножа. Сіль не виділить кристалізаційної води, а розплавиться при температурі близько 400 0 З утворення темної рідини. Погріємо її ще кілька хвилин на сильному полум'ї. Після охолодження на черепку утворюється зелений осад. Частина його розчинний у воді (вона набуває жовтого кольору), а іншу частину залишимо на черепці. Сіль при нагріванні розклалася, у результаті утворився розчинний жовтий хромат калію K 2 CrO 4 і зелений Cr 2 O 3 .
- Розчинний 3г порошкоподібного біхромату калію в 50мл води. До однієї частини додамо трохи карбонату калію. Він розчиниться з виділенням CO2, а забарвлення розчину стане світло - жовтим. З біхромату калію утворюється хромат. Якщо тепер додати до порцій 50% розчин сірчаної кислоти, то знову з'явиться червоно - жовте забарвлення біхромату.
- Наллємо у пробірку 5мл. розчину біхромату калію, прокип'ятим з 3мл концентрованої соляної кислотипід тягою. З розчину виділяється жовто-зелений отруйний газоподібний хлор, оскільки хромат окислить HCl до Cl 2 і H 2 O. Сам хромат перетвориться на зелений хлорид тривалентного хрому. Його можна виділити випарюванням розчину, а потім, сплавивши з содою та селітрою, перевести в хромат.
- При додаванні розчину нітрату свинцю випадає жовтий свинцевий хромат; при взаємодії з розчином нітрату срібла утворюється червоно-коричневий осад хромату срібла.
- Додамо пероксид водню до розчину біхромату калію та підкислимо розчин сірчаною кислотою. Розчин набуває глибокого синого кольору завдяки утворенню пероксиду хрому. Пероксид при збовтуванні з деякою кількістю ефіру перейде в органічний розчинник і забарвить його у блакитний колір. Ця реакція специфічна для хрому і дуже чутлива. З її допомогою можна виявити хром у металах та сплавах. Насамперед необхідно розчинити метал. При тривалому кип'ятінні з 30%-ною сірчаною кислотою (можна додати і соляну кислоту) хром і багато стали частково розчиняються. Отриманий розчин містить сульфат хрому (ІІІ). Щоб можна було провести реакцію виявлення, спочатку нейтралізуємо його їдким натром. В осад випадає сіро-зелений гідроксид хрому (III), який розчиниться надлишком NaOH і утворює зелений хроміт натрію. Профільтруємо розчин і додамо 30% пероксид водню. При нагріванні розчин забарвиться у жовтий колір, оскільки хроміт окислиться до хромату. Підкислення призведе до появи блакитного забарвлення розчину. Забарвлене з'єднання можна екстрагувати, струшуючи з ефіром.
Аналітичні реакцію іони хрому.
- До 3-4 крапель розчину хлориду хрому CrCl 3 додайте 2М розчин NaOH до розчинення осаду, що спочатку випав. Зверніть увагу на колір хроміту натрію, що утворився. Нагрійте отриманий розчин на водяній бані. Що при цьому відбувається?
- До 2-3 крапель розчину CrCl 3 додайте рівний об'єм 8М розчину NaOH і 3-4 краплі 3% розчину H 2 O 2 . Нагрійте реакційну суміш на водяній бані. Що при цьому відбувається? Який осад утворюється, якщо отриманий нейтралізувати забарвлений розчин, додати до нього CH 3 COOH, а потім Pb(NO 3) 2 ?
- Налийте в пробірку 4-5 крапель розчинів сульфату хрому Cr 2 (SO 4) 3 , IMH 2 SO 4 і KMnO 4 . Нагрійте реакційну суміш протягом кількох хвилин на водяній бані. Зверніть увагу на зміну фарбування розчину. Чим воно викликане?
- До 3-4 крапель підкисленого азотною кислотоюрозчину K 2 Cr 2 O 7 додайте 2-3 краплі розчину H 2 O 2 і перемішайте. Синє фарбування розчину, що з'являється, обумовлено виникненням надхромової кислоти H 2 CrO 6:
Cr 2 O 7 2- + 4H 2 O 2 + 2H + = 2H 2 CrO 6 + 3H 2 O
Зверніть увагу на швидке розкладання H 2 CrO 6:
2H 2 CrO 6 + 8H+ = 2Cr 3+ + 3O 2 + 6H 2 O
синій колір зелений колір
Надхромова кислота значно стійкіша в органічних розчинниках.
- До 3-4 крапель підкисленого азотною кислотою розчину K 2 Cr 2 O 7 додайте 5 крапель ізоамілового спирту, 2-3 краплі розчину H 2 O 2 і збовтайте реакційну суміш. Шар органічного розчинника, що спливає на верх, пофарбований в яскраво-синій колір. Забарвлення зникає дуже повільно. Порівняйте стійкість H 2 CrO 6 в органічній та водних фазах.
- При взаємодії CrO 4 2 і іонами Ba 2+ випадає жовтий осад хромату барію BaCrO 4 .
- Нітрат срібла утворює з іонами CrO 4 2 осад хромату срібла цегляно-червоного кольору.
- Візьміть три пробірки. В одну з них помістіть 5-6 крапель розчину K 2 Cr 2 O 7 , в другу - такий самий об'єм розчину K 2 CrO 4 , а в третю - по три краплі обох розчинів. Потім додайте в кожну пробірку три краплі розчину іодиду калію. Поясніть отриманий результат. Підкисліть розчин у другій пробірці. Що при цьому відбувається? Чому?
Цікаві досліди із сполуками хрому
- Суміш CuSO 4 і K 2 Cr 2 O 7 при додаванні лугу стає зеленою, а в присутності кислоти стає жовтою. Нагріваючи 2 мг гліцерину з невеликою кількістю (NH 4) 2 Cr 2 O 7 з подальшим додаванням спирту, після фільтрування виходить яскраво-зелений розчин, який при додаванні кислоти стає жовтим, а в нейтральній або лужному середовищістає зеленим.
- Помістити в центр консервної банки з термітом «рубінову суміш» - ретельно розтертий і поміщений у алюмінієву фольгу Al 2 O 3 (4,75 г) з добавкою Cr 2 O 3 (0,25 г). Щоб банку довше не остигала, необхідно закопати під верхній обріз у пісок, а після підпалювання терміту та початку реакції, накрити її залізним листом і засипати піском. Банку викопати за добу. Через війну утворюється червоно – рубіновий порошок.
- 10г біхромату калію розтирають з 5г нітрату натрію або калію та 10г цукру. Суміш зволожують і змішують із колодієм. Якщо порошок спресувати у скляній трубці, а потім виштовхнути паличку та підпалити її з торця, то почне виповзати «змія», спочатку чорна, а після охолодження – зелена. Паличка діаметром 4 мм горить зі швидкістю близько 2мм на секунду і подовжується вдесятеро.
- Якщо змішати розчини сульфату міді та дихромату калію і додати трохи розчину аміаку, то випаде аморфний коричневий осад складу 4СuCrO 4 * 3NH 3 * 5H 2 O, який розчиняється в соляній кислоті з утворенням жовтого розчину, а надлишку аміаку виходить зелений розчин. Якщо далі до цього розчину додати спирт, випаде зелений осад, який після фільтрації стає синім, а після висушування - синьо-фіолетовим з червоними блискітками, добре видимими при сильному освітленні.
- оксид хрому, що залишився після дослідів «вулкан» або «фараонові змії», можна регенерувати. Для цього треба сплавити 8г Cr 2 O 3 і 2г Na 2 CO 3 і 2,5г KNO 3 і обробити охолоджений сплав окропом. Виходить розчинний хромат, який можна перетворити і на інші сполуки Cr(II) і Cr(VI), у тому числі і вихідний дихромат амонію.
Приклади окисно-відновних переходів за участю хрому та його сполук
1. Cr 2 O 7 2- -- Cr 2 O 3 -- CrO 2 - -- CrO 4 2- -- Cr 2 O 7 2-
a) (NH 4) 2 Cr 2 O 7 = Cr 2 O 3 + N 2 + 4H 2 O 
б) Cr 2 O 3 + 2NaOH = 2NaCrO 2 + H 2 O
в) 2NaCrO 2 + 3Br 2 + 8NaOH = 6NaBr +2Na 2 CrO 4 + 4H 2 O
г) 2Na 2 CrO 4 + 2HCl = Na 2 Cr 2 O 7 + 2NaCl + H 2 O
2. Cr(OH) 2 -- Cr(OH) 3 -- CrCl 3 -- Cr 2 O 7 2- -- CrO 4 2-
а) 2Cr(OH) 2 + 1/2O 2 + H 2 O = 2Cr(OH) 3
б) Cr(OH) 3 + 3HCl = CrCl 3 + 3H 2 O
в) 2CrCl 3 + 2KMnO 4 + 3H 2 O = K 2 Cr 2 O 7 + 2Mn(OH) 2 + 6HCl
г) K 2 Cr 2 O 7 + 2KOH = 2K 2 CrO 4 + H 2 O
3. CrO -- Cr(OH) 2 -- Cr(OH) 3 -- Cr(NO 3) 3 -- Cr 2 O 3 -- CrO - 2
Cr 2+
а) CrO + 2HCl = CrCl 2 + H 2 O
б) CrO + H 2 O = Cr(OH) 2
в) Cr(OH) 2 + 1/2O 2 + H 2 O = 2Cr(OH) 3
г) Cr(OH) 3 + 3HNO 3 = Cr(NO 3) 3 + 3H 2 O
д) 4Сr(NO 3) 3 = 2Cr 2 O 3 + 12NO 2 + O 2
е) Cr 2 O 3 + 2 NaOH = 2NaCrO 2 + H 2 O
Елемент хром у ролі художника
Хіміки часто зверталися до проблеми створення штучних пігментів для живопису. У XVIII-XIX ст була розроблена технологія отримання багатьох мальовничих матеріалів. Луї Нікола Воклен в 1797 р., який виявив у сибірській червоній руді раніше невідомий елемент хром, приготував нову, чудово стійку фарбу - хромову зелень. Хромофором є водний оксид хрому (III). Під назвою «смарагдова зелена» її почали випускати 1837 року. Пізніше Л.Вокелен запропонував кілька нових фарб: баритову, цинкову та хромові жовті. Згодом вони були витіснені стійкішими жовтими, помаранчевими пігментами на основі кадмію.
Зелена хромова - міцна і світлостійка фарба, що не піддається впливу атмосферних газів. Розтерта на олії хромова зелень володіє великою силою, що криє, і здатна до швидкого висихання, тому з XIX ст. її широко застосовують у живописі. Величезне значення вона має у розписі порцеляни. Справа в тому, що фарфорові вироби можуть декоруватися як підглазурним, так і надглазурним розписом. У першому випадку фарби наносять на поверхню лише злегка обпаленого виробу, який потім покривають шаром глазурі. Далі слідує основний, високотемпературний випал: для спікання фарфорової маси і оплавлення глазурі вироби нагрівають до 1350 – 1450 0 С. Таку високу температуру без хімічних змін витримують дуже небагато фарб, а за старих часів взагалі було тільки дві – кобальтова і хромова. Чорний оксид кобальту, нанесений на поверхню фарфорового виробу, при випалюванні сплавляється з глазур'ю, хімічно взаємодіючи з нею. В результаті утворюються яскраво-сині силікати кобальту. Такий декарований кобальтом синій порцеляновий посуд усі добре знають. Оксид хрому (III) не взаємодіє хімічно з компонентами глазурі і просто залягає між порцеляновими черепками та прозорою глазур'ю «глухим» шаром.
Крім хромової зелені художники застосовують фарби, отримані з волконського. Цей мінерал із групи монтморилонітів (глинистий мінерал підкласу складних силікатів Na(Mo,Al), Si 4 O 10 (OH) 2 був виявлений в 1830 р. російським мінералогом Кеммерером і названий на честь М. Н Волконської - дочки героя битви при Бородіно генерала .Н.Раєвського, дружини декабриста С.Г.Волконського.Волконськоє являє собою глину, що містить до 24% оксиду хрому, а також оксиди алюмінею і заліза (III). обумовлює його різноманітне забарвлення – від кольору зимової потемнілої ялиці до яскраво-зеленого кольору болотяної жаби.
Пабло Пікассо звертався до геологів нашої країни з проханням вивчити запаси волконського, що дає фарбу неповторно свіжого тону. В даний час розроблено спосіб отримання штучного волконського. Цікаво відзначити, що за даними сучасних досліджень, російські іконописці використовували фарби з цього матеріалу ще в середні віки, задовго до його «офіційного» відкриття. Відомою популярністю користувалася у художників і зелень Гіньє (створена в 1837 р.), хромоформ якої є гідрат окису хрому Cr 2 O 3 * (2-3) H 2 O, де частина води хімічно пов'язана, а частина адсорбована. Цей пігмент надає фарбі смарагдового відтінку.
blog.сайт, при повному або частковому копіюванні матеріалу посилання на першоджерело обов'язкове.
Хром - хімічний елементз атомним номером 24. Це твердий, блискучий, сіро-стального кольору метал, який добре полірується і не тьмяніє. Використовується в сплавах, таких як нержавіюча сталь, та як покриття. Організму людини потрібні невеликі кількості тривалентного хрому для метаболізму цукру, але Cr (VI) дуже токсичний.
Різні сполуки хрому, такі як окис хрому (III) і свинцевий хромат, яскраво пофарбовані і використовуються в фарбах і пігментах. Червоний колір рубіну обумовлений наявністю цього хімічного елемента. Деякі речовини, особливо натрію, є окислювачами, що використовуються для окислення органічних сполукта (разом із сірчаною кислотою) для очищення лабораторного посуду. Крім того, окис хрому (VI) застосовується у виробництві магнітної стрічки.
Відкриття та етимологія
Історія відкриття хімічного елемента хром така. В 1761 Йоганн Готлоб Леман знайшов в Уральських горах оранжево-червоний мінерал і назвав його «сибірським червоним свинцем». Хоча він помилково був ідентифікований як з'єднання свинцю з селеном і залізом, матеріал насправді був хроматом свинцю з хімічною формулою PbCrO 4 . Сьогодні він відомий як мінерал кроконт.
В 1770 Петро Симон Паллас відвідав те місце, де Леман знайшов червоний свинцевий мінерал, який мав дуже корисні властивості пігменту в фарбах. Використання сибірського червоного свинцю як фарба набуло швидкого розвитку. Крім того, яскраво-жовтий колір із кроконту став модним.
В 1797 Ніколя-Луї Воклен отримав зразки червоної Шляхом змішування кроконту з соляною кислотою він отримав оксид CrO 3 . Хром як хімічний елемент було виділено 1798 року. Воклен отримав його при нагріванні оксиду з вугіллям. Він також зміг виявити сліди хрому в дорогоцінному камінні, таких як рубін і смарагд.
У 1800-х роках Cr в основному застосовувався у складі фарб та шкіряних солей. Сьогодні 85% металу використовують у сплавах. Решта застосовується у хімічній промисловості, виробництві вогнетривких матеріалів та ливарної промисловості.
Вимова хімічного елемента хром відповідає грецькому χρῶμα, що означає «колір», через безліч кольорових сполук, які можна отримати.
Видобуток та виробництво
Елемент виробляють із хроміту (FeCr 2 O 4). Приблизно половина цієї руди у світі видобувається в Південній Африці. Крім того, Казахстан, Індія та Туреччина є його великими виробниками. Розвіданих родовищ хроміту достатньо, але географічно вони сконцентровані у Казахстані та півдні Африки.
Поклади самородного металевого хрому трапляються рідко, але вони є. Наприклад, його добувають на шахті «Вдала» у Росії. Вона є багатою на алмази, і відновне середовище допомогло утворитися чистому хрому та алмазам.
Для промислового виробництваметалу хромітові руди обробляють розплавленим лугом (їдким натром, NaOH). При цьому утворюється хромат натрію (Na 2 CrO 4), який відновлюється вуглецем до оксиду Сг 2 O 3 . Метал отримують при нагріванні окислу у присутності алюмінію або кремнію.
У 2000 році було видобуто близько 15 млн т хромітової руди, яка була перероблена в 4 млн т ферохрому, що на 70% складається з сплаву хрому із залізом, приблизна ринкова вартість яких склала 2,5 млрд доларів США.
Основні характеристики
Характеристика хімічного елемента хрому обумовлена тим, що він є перехідним металом четвертого періоду таблиці Менделєєва та розташований між ванадієм та марганцем. Входить у VI групу. Плавиться за температури 1907 °С. У присутності кисню хром швидко утворює тонкий шар оксиду, який захищає метал від подальшої взаємодії з киснем.
Як перехідний елемент він реагує з речовинами в різних співвідношеннях. Таким чином він утворює сполуки, в яких має різні ступені окислення. Хром – хімічний елемент з основними станами +2, +3 та +6, з яких +3 є найбільш стійким. Крім того, в окремих випадках спостерігаються стани +1, +4 і +5. Сполуки хрому в ступені окислення +6 є сильними окислювачами.
Якого кольору хром? Хімічний елемент надає відтінок рубіна. Сг 2 O 3 , що використовується також застосовується в якості пігменту під назвою «хромова зелень». Його солі фарбують скло у смарагдово-зелений колір. Хром – хімічний елемент, присутність якого робить рубін червоним. Тому він використовується у виробництві синтетичних рубінів.
Ізотопи
Ізотопи хрому мають атомну вагу від 43 до 67. Зазвичай даний хімічний елемент складається з трьох стабільних форм: 52 Cr, 53 Cr і 54 Cr. З них найпоширеніший 52 Cr (83,8% всього природного хрому). Крім того, описано 19 радіоізотопів, з яких найбільш стабільним є 50 Cr з періодом напіврозпаду, що перевищує 1,8x10 17 років. У 51 Cr період напіврозпаду - 27,7 днів, а у решти радіоактивних ізотопів він не перевищує 24 год, причому у більшості з них він триває менше однієї хвилини. Елемент також має два метастани.
Ізотопи хрому в земній корі, як правило, супроводжують ізотопи марганцю, що знаходить застосування в геології. 53 Cr утворюється при радіоактивному розпаді 53 Mn. Співвідношення ізотопів Mn/Cr підкріплює інші відомості про ранньої історії Сонячна система. Зміни у співвідношеннях 53 Cr/ 52 Cr та Mn/Cr з різних метеоритів доводить те, що нових атомні ядрабули створені безпосередньо перед формуванням Сонячної системи.
Хімічний елемент хром: властивості, формула сполук
Оксид хрому (III) Сг 2 O 3 також відомий як полуторний окис, є одним з чотирьох оксидів цього хімічного елемента. Його одержують із хроміту. З'єднання зеленого кольору зазвичай називають «хромовою зеленню», коли використовують як пігмент для живопису по емалі та склі. Оксид може розчинятися в кислотах, утворюючи солі, а розплавленої лугу - хромити.
Біхромат калію
K 2 Cr 2 O 7 є потужним окислювачем і йому надається перевага як засіб для очищення лабораторного посуду від органіки. Для цього використовується його насичений розчин Іноді, однак, його замінюють біхроматом натрію, виходячи з більш високої розчинності останнього. Крім того, він може регулювати процес окислення органічних сполук, перетворюючи первинний спирт на альдегід, а потім у вуглекислоту.
Біхромат калію здатний спричинити хромовий дерматит. Хром, ймовірно, є причиною сенсибілізації, що веде до розвитку дерматиту, особливо рук та передпліч, який носить хронічний характер і важко виліковний. Як і інші сполуки Cr(VI), біхромат калію канцерогенний. З ним потрібно звертатися у рукавичках та відповідними засобами захисту.
Хромова кислота
З'єднання має гіпотетичну структуру H 2 CrO 4 . Ні хромова, ні дихромова кислоти не зустрічаються в природі, але їх аніони знаходять у різних речовинах. "Хромова кислота", яку можна зустріти у продажу, насправді є її кислотним ангідридом - триоксидом CrO 3 .
Хромат свинцю (II)
PbCrO 4 має яскраво-жовте забарвлення і практично не розчинний у воді. З цієї причини він знайшов застосування як барвистого пігменту під назвою «жовтий крон».
Cr та п'ятивалентний зв'язок
Хром відрізняється своєю здатністю утворювати п'ятивалентні зв'язки. З'єднання створюється Cr (I) та вуглеводневим радикалом. П'ятивалентний зв'язок формується між двома атомами хрому. Його формула може бути записана як Ar-Cr-Cr-Ar, де Ar є специфічною ароматичною групою.
Застосування
Хром - хімічний елемент, властивості якого забезпечили йому безліч різних варіантівзастосування, деякі з яких наведені нижче.
Металам він надає стійкості до корозії та глянсової поверхні. Тому хром входить до складу таких сплавів, як нержавіюча сталь, що використовуються, наприклад, столових приладах. Він також застосовується для нанесення хромованого покриття.
Хром є каталізатором різних реакцій. З нього роблять форми для випалу цегли. Його солями дублять шкіру. Біхромат калію застосовують для окислення органічних сполук, таких як спирти та альдегіди, а також для очищення лабораторного посуду. Він служить фіксуючим агентом для фарбування тканини, а також використовується у фотографії та фотодруку.
CrO 3 застосовується для виготовлення магнітних стрічок (наприклад, для аудіозапису), які мають кращі характеристики, ніж плівки з оксидом заліза.
Роль у біології
Тривалентний хром - хімічний елемент, необхідний метаболізму цукру в організмі людини. Навпаки, шестивалентний Cr дуже токсичний.
Запобіжні заходи
Металевий хром та сполуки Cr (III), як правило, не вважаються небезпечними для здоров'я, але речовини, що містять Cr (VI), можуть бути токсичними, якщо їх приймати внутрішньо або вдихати. Більшість таких речовин мають подразнюючу дію на очі, шкіру та слизові оболонки. При постійній дії з'єднання хрому (VI) можуть спричинити пошкодження очей, якщо їх не лікувати належним чином. Крім того, це визнаний канцероген. Смертельна доза цього хімічного елемента - близько половини чайної ложки. Згідно з рекомендаціями Всесвітньої організації охорони здоров'я, гранично допустима концентрація Cr (VI) в питну водускладає 0,05 мг на літр.
Так як з'єднання хрому використовуються в барвниках і для дублення шкіри, вони часто зустрічаються в ґрунті та ґрунтових водах занедбаних промислових об'єктів, що вимагають екологічного очищення та відновлення. Грунтовка, що містить Cr (VI), досі широко застосовується в аерокосмічній промисловості та автомобілебудуванні.
Властивості елемента
Основні Фізичні властивостіхрому наступні:
- Атомне число: 24.
- Атомна вага: 51,996.
- Температура: 1890 °C.
- Температура: 2482 °C.
- Ступінь окиснення: +2, +3, +6.
- Конфігурація електронів: 3d 5 4s 1 .
ВИЗНАЧЕННЯ
Хромрозташований у четвертому періоді VI групи побічної (B) підгрупи Періодичної таблиці. Позначення – Cr. У вигляді простої речовини- Сірувато-білий блискучий метал.
Хром має структуру об'ємно-центрованої кубічної решітки. Щільність - 7,2 г/см3. Температури плавлення та кипіння дорівнюють 1890 o З і 2680 o З відповідно.
Ступінь окислення хрому у сполуках
Хром може існувати у вигляді простої речовини - металу, а ступінь окислення металів в елементарному стані дорівнює нулю, оскільки розподіл електронної густини у яких рівномірно.
Ступені окислення (+2) і (+3) хром виявляє в оксидах (Cr +2 O, Cr +3 2 O 3), гідроксидах (Cr +2 (OH) 2 , Cr +3 (OH) 3), галогеніди (Cr +2 Cl 2 , Cr +3 Cl 3 ), сульфатах (Cr +2 SO 4 , Cr +3 2 (SO 4) 3) та ін. з'єднаннях.
Для хрому також характерний ступінь окислення (+6) : Cr +6 O 3 ,H 2 Cr +6 O 4 , H 2 Cr +6 2 O 7 , K 2 Cr +6 2 O 7 і т.д.
Приклади розв'язання задач
ПРИКЛАД 1
ПРИКЛАД 2
| Завдання | Одинаковий ступінь окиснення фосфор має у сполуках: а) Ca 3 P 2 і H 3 PO 3; б) KH 2 PO 4 і KPO 3; в) P 4 O 6 і P 4 O 10; г) H 3 PO 4 та H 3 PO 3 . |
| Рішення | Для того, щоб дати правильну відповідь на поставлене питання почергово визначатимемо ступінь окислення фосфору в кожній парі запропонованих сполук. а) Ступінь окислення кальцію дорівнює (+2), кисню та водню - (-2) та (+1), відповідно. Приймемо значення ступеня окислення фосфору за «х» і «у» у запропонованих сполуках: 3×2+х×2=0; 3 + у + 3×(-2) = 0; Відповідь неправильна. б) Ступінь окислення калію дорівнює (+1), кисню та водню - (-2) та (+1), відповідно. Приймемо значення ступеня окислення хлору за «х» і «у» у запропонованих сполуках: 1+2×1+х+(-2)×4=0; 1 + у + (-2) 3 = 0; Відповідь вірна. |
| Відповідь | Варіант (б). |
Хром (Cr), хімічний елемент VI групи періодичної системи Менделєєва. Належить до перехідного металу з атомним номером 24 і атомною масою 51,996. У перекладі з грецької назва металу означає «колір». Такій назві метал завдячує різноманітній колірній гамі, яка притаманна його різним сполукам.
Фізичні характеристики хрому
Метал має достатню твердість і крихкість одночасно. За шкалою Мооса твердість хрому оцінюється 5,5. Цей показник означає, що хром має максимальну твердість з усіх відомих на сьогодні металів, після урану, іридію, вольфраму та берилію. Для простої речовини хрому характерний блакитно-біле забарвлення.
Метал не відноситься до рідкісних елементів. Його концентрація у земній корі досягає 0,02% мас. часткою. У чистому вигляді хром ніколи не зустрічається. Він міститься в мінералах та рудах, які є головним джерелом видобутку металу. Хроміт (хромистий залізняк, FeO*Cr 2 O 3) вважається основною сполукою хрому. Ще одним досить поширеним, проте менш важливим мінералом є крокоїт PbCrO 4 .
Метал легко піддається плавці за температури 1907 0 С (2180 0 До або 3465 0 F). При температурі 2672 0 С - закипає. Атомна масаметалу складає 51,996 г/моль.
Хром є унікальним металом завдяки своїм магнітним властивостям. В умовах кімнатної температури йому притаманне антиферомагнітне впорядкування, в той час, як інші метали мають його в умовах виключно знижених температур. Однак якщо хром нагріти вище 37 0 С, фізичні властивості хрому змінюються. Так, істотно змінюється електроопір та коефіцієнт лінійного розширення, модуль пружності досягає мінімального значення, а внутрішнє тертя значно збільшується. Таке явище пов'язане з проходженням точки Нееля, за якої антиферомагнітні властивості матеріалу здатні змінюватися на парамагнітні. Це означає, що перший рівень пройдено, і речовина різко збільшилася обсягом.
Будова хрому є об'ємно-центрованими гратами, завдяки яким метал характеризується температурою крихко-в'язкого періоду. Однак, у випадку з даним металом, величезне значення має ступінь чистоти, тому величина знаходиться в межах -50 0 С - +350 0 С. Як показує практика, розкристалізований метал не має ніякої пластичності, але м'який відпал і формування роблять його ковким.
Хімічні властивості хрому
Атом має наступну зовнішню конфігурацію: 3d 5 4s 1 . Як правило, у сполуках хром має наступні ступені окислення: +2, +3, +6, серед яких найбільшу стійкість виявляє Сr 3+ . , +4, +5.
Метал не відрізняється особливою хімічною активністю. Під час знаходження хрому у звичайних умовах, метал виявляє стійкість до вологи та кисню. Однак, дана характеристика не відноситься до з'єднання хрому і фтору - CrF 3 яке при впливі температур, що перевищують 600 0 С, взаємодіє з парами води, утворюючи в результаті реакції Сr 2 Про 3 , а також азотом, вуглецем і сіркою.
Під час нагрівання металевого хрому він взаємодіє з галогенами, сіркою, кремнієм, бором, вуглецем, а також деякими іншими елементами, в результаті чого виходять наступні хімічні реакціїхрому:
Cr + 2F 2 = CrF 4 (з домішкою CrF 5)
2Cr + 3Cl 2 = 2CrCl 3
2Cr + 3S = Cr 2 S 3
Хромати можна отримати, якщо нагріти хром із розплавленою содою на повітрі, нітратами або хлоратами лужних металів:
2Cr + 2Na 2 CO 3 + 3O 2 = 2Na 2 CrO 4 + 2CO 2 .
Хром не має токсичності, чого не можна сказати про деякі його сполуки. Як відомо, пил даного металу, при попаданні в організм, може дратувати легені, через шкіру він не засвоюється. Але оскільки в чистому вигляді він не зустрічається, то його потрапляння в людський організм є неможливим.
Тривалентний хром потрапляє в навколишнє середовищепід час видобутку та переробки хромової руди. У людський організм попадання хрому ймовірно у вигляді харчової добавки, яка використовується в програмах схуднення. Хром із валентністю, що дорівнює +3, є активним учасником синтезу глюкози. Вчені встановили, що надмірне вживання хрому особливої шкоди людському організму не завдає, оскільки не відбувається його всмоктування, проте він здатний накопичуватися в організмі.
Сполуки, в яких бере участь шестивалентний метал, є вкрай токсичними. Імовірність їх потрапляння в організм людини з'являється під час виробництва хроматів, хромування предметів, під час проведення деяких зварювальних робіт. Попадання такого хрому в організм може призвести до серйозних наслідків, оскільки сполуки, в яких присутній шестивалентний елемент, є сильними окислювачами. Тому, можуть викликати кровотечу в шлунку та кишечнику, іноді з проривом кишечника. У разі потрапляння таких сполук на шкіру виникають сильні хімічні реакції у вигляді опіків, запалень, виникнення виразок.
Залежно від якості хрому, яке необхідно отримати на виході, існує кілька способів виробництва металу: концентрованих електролізом водних розчинівоксиду хрому, електролізом сульфатів, а також відновленням оксиду кремнію. Однак останній спосіб не дуже популярний, так як при ньому на виході виходить хром з величезною кількістю домішок. Крім того, він також є економічно невигідним.
| Ступінь окислення | Оксид | Гідроксид | Характер | Переважні форми у розчинах | Примітки |
| +2 | CrO (чорний) | Cr(OH)2 (жовтий) | Основний | Cr2+ (солі блакитного кольору) | Дуже сильний відновник |
| Cr2O3 (зелений) | Cr(OH)3 (сіро-зелений) | Амфотерний |
Cr3+ (зелені або лілові солі) |
||
| +4 | CrO2 | не існує | Несолетворний | - |
Зустрічається рідко, малохарактерна |
| +6 | CrO3 (червоний) |
H2CrO4 |
Кислотний |
CrO42-(хромати, жовті) |
Перехід залежить від середовищі рН. Найсильніший окислювач, гігроскопічний, дуже отруйний. |
Хром
Елемент №24. Один із найтвердіших металів. Має високу хімічну стійкість. Один з найважливіших металів, що використовуються у виробництві легованих сталей. Більшість сполук хрому має яскраве забарвлення, причому найрізноманітніших кольорів. За цю особливість елемент був названий хромом, що у перекладі з грецької означає «фарба».
Як його знайшли
Мінерал, що містить хром, було відкрито біля Єкатеринбурга 1766 р. І.Г. Леманном і названо «сибірським червоним свинцем». Нині цей мінерал називається крокоїтом. Відомий та її склад – РbCrО 4 . А свого часу "сибірський червоний свинець" викликав чимало розбіжностей серед учених. Тридцять років сперечалися про його склад, поки, нарешті, 1797 р. французький хімік Луї Нікола Воклен не виділив із нього метал, який (теж, до речі, після деяких суперечок) назвали хромом.
Воклен обробив крокоїт поташем До 2 CO 3: хромат свинцю перетворився на хромат калію. Потім за допомогою соляної кислоти хромат калію був перетворений на окис хрому та воду (хромова кислота існує тільки в розбавлених розчинах). Нагрівши зелений порошок окису хрому в графітовому тиглі з вугіллям, Воклен отримав новий тугоплавкий метал.
Паризька академія наук у всій формі засвідчила відкриття. Але, швидше за все, Воклен виділив не елементарний хром, яке карбіди. Про це свідчить голкоподібна форма одержаних Вокленом світлосірих кристалів.
Назву «хром» запропонували друзі Воклена, але вона йому не сподобалася – метал не відрізнявся особливим кольором. Однак друзям вдалося умовити хіміка, посилаючись на те, що з яскраво забарвлених сполук хрому можна отримувати гарні фарби. (До речі, саме в роботах Воклена вперше пояснено смарагдове забарвлення деяких природних силікатів берилію та алюмінію; їх, як з'ясував Воклен, фарбували домішки сполук хрому.) Так і утвердилася за новим елементом ця назва.
Між іншим, склад «хром», саме в сенсі «забарвлений», входить до багатьох наукових, технічних і навіть музичних термінів. Широко відомі фотоплівки "ізопанхром", "панхром" та "ортохром". Слово "хромосома" у перекладі з грецької означає "тіло, яке фарбується". Є «хроматична» гама (у музиці) і є гармоніка «кульгавого».
Де він знаходиться
У земній корі хрому досить багато – 0,02%. Основний мінерал, з якого промисловість отримує хром, - це хромова шпинель змінного складу з загальною формулою(Mg, Fe) Про · (Сr, Al, Fе) 2 O 3 . Хромова руда носить назву хромітів або хромистого залізняку (бо майже завжди містить і залізо). Поклади хромових руд є у багатьох місцях. Наша країна має величезні запаси хромітів. Одне з найбільших родовищ знаходиться у Казахстані, у районі Актюбінська; воно відкрито 1936 р. Значні запаси хромових руд є і Уралі.
Хроміт йдуть переважно на виплавку ферохрому. Це – один із найважливіших феросплавів, абсолютно необхідний для масового виробництва легованих сталей.
Феросплави – сплави заліза коїться з іншими елементами, застосовуваними головним обрядом для легування і розкислення стали. Ферохром містить щонайменше 60% Cr.
Царська Росія майже виробляла феросплавів. На кількох доменних печах південних заводів виплавляли низьковідсоткові (за легуючим металом) феросиліцій та феромарганець. Та ще на річці Сатці, що тече на Південному Уралі, в 1910 р. був побудований крихітний заводик, який виплавляв мізерні кількості феромарганцю та ферохрому.
Молодій Радянській країні у роки розвитку доводилося ввозити феросплави з-за кордону. Така залежність від капіталістичних країн була неприпустимою. Вже 1927...1928 гг. почалося спорудження радянських феросплавних заводів. Наприкінці 1930 р. була побудована перша велика феросплавна піч у Челябінську, а 1931 р. вступив у дію Челябінський завод – первісток феросплавної промисловості СРСР. У 1933 р. було пущено ще два заводи – у Запоріжжі та Зестафоні. Це дозволило припинити ввезення феросплавів. Усього за кілька років у Радянському Союзі було організовано виробництво безлічі видів спеціальних сталей – шарикопідшипникової, жарозривкої, нержавіючої, автотракторної, швидкорізальної... У всі ці сталі входить хром.
На XVII з'їзді партії нарком важкої промисловості Серго Орджонікідзе говорив: «...якби в нас не було якісних сталей, у нас не було б автотракторної промисловості. Вартість витрачається нами зараз якісних сталей визначається понад 400 млн руб. Якби треба було ввозити, це – 400 млн. руб. щороку, ви б, чорт забирай, у кабалу потрапили до капіталістів...»
Завод на базі Актюбинського родовища побудований пізніше, у роки Великої Вітчизняної війни. Першу плавку ферохрому він дав 20 січня 1943 р. У спорудженні заводу брали участь трудящі міста Актюбінська. Будівництво було оголошено народним. Ферохром нового заводу йшов виготовлення металу для танків і гармат, потреб фронту.
Минули роки. Зараз Актюбінський феросплавний завод – найбільше підприємство, яке випускає ферохром усіх марок. На заводі виросли висококваліфіковані національні кадри металургів. Рік у рік завод і хромітові копальні нарощують потужність, забезпечуючи нашу чорну металургію високоякісним ферохромом.
У нашій країні є унікальне родовище природнолегованих залізняку, багатих на хром і нікель. Воно знаходиться в оренбурзьких степах. На базі цього родовища збудовано та працює Орсько-Халілівський металургійний комбінат. У доменних печах комбінату виплавляють природнолегований чавун, що має високу жаростійкість. Частково його використовують у вигляді лиття, але більшу частину відправляють на переділ у нікелеву сталь; хром при виплавці сталі із чавуну вигоряє.
Великі запаси хромітів мають Куба, Югославія, багато країн Азії та Африки.
Як його отримують
Хроміт застосовується переважно у трьох галузях промисловості: металургії, хімії та виробництві вогнетривів, причому металургія споживає приблизно дві третини всього хроміту.
Сталь, легована хромом, має підвищену міцність, стійкість проти корозії в агресивних і окисних середовищах.
Отримання чистого хрому – дорогий та трудомісткий процес. Тому для легування сталі застосовують головним чином ферохром, який одержують у дугових електропечах безпосередньо з хроміту. Відновником є кокс. Вміст окису хрому в хроміті має бути не нижче 48%, а відношення Cr: Fe не менше 3:1.
Отриманий електропечі ферохром зазвичай містить до 80% хрому і 4...7% вуглецю (решта – залізо).
Але для легування багатьох якісних сталей потрібен ферохром, що містить мало вуглецю (про причини цього – нижче, у розділі «Хром у сплавах»). Тому частину високовуглецевого ферохрому піддають спеціальної обробки, щоб знизити вміст вуглецю в ньому до десятих і сотих часток відсотка.
З хроміту одержують і елементарний, металевий хром. Виробництво технічно чистого хрому (97 ... 99%) засноване на методі алюмінотермії, відкритому ще в 1865 відомим російським хіміком Н.М. Бекетова. Сутність методу – у відновленні оксидів алюмінієм, реакція супроводжується значним виділенням тепла.
Але попередньо треба отримати чистий окис хрому Сr 2 Про 3 . Для цього тонко подрібнений хроміт змішують із содою і додають до цієї суміші вапняк або окис заліза. Вся маса обпалюється, причому утворюється хромат натрію:
2Сr 2 Про 3 + 4Na 2 CO 3 + 3О 2 → 4Na 2 CrO 4 + 4CO 2 .
Потім хромат натрію вилуговують з обпаленої маси водою; луг фільтрують, упарюють та обробляють кислотою. В результаті виходить біхромат натрію Na 2 Cr 2 O 7 . Відновлюючи його сіркою або вуглецем при нагріванні, одержують зелений окис хрому.
Металевий хром можна отримати, якщо чистий окис хрому змішати з порошком алюмінію, нагріти цю суміш у тиглі до 500...600°C і підпалити за допомогою перекису барію, Алюміній забирає у окису хрому кисень. Ця реакція Сr 2 Про 3 + 2Аl → Аl 2 O 3 + 2Сr – основа промислового (алюмінотермічного) способу одержання хрому, хоча, звичайно, заводська технологія значно складніша. Хром, отриманий алюмінієвотермічно, містить алюмінію та заліза десяті частки відсотка, а кремнію, вуглецю та сірки – соті частки відсотка.
Використовують силікотермічний спосіб отримання технічно чистого хрому. У цьому випадку хром з окису відновлюється кремнієм реакції
2Сr 2 Про 3 + 3Si → 3SiO 2 + 4Сr.
Ця реакція відбувається у дугових печах. Для зв'язування кремнезему до шихти додають вапняк. Чистота силікотермічного хрому приблизно така ж, як і алюміній, хоча, зрозуміло, вміст у ньому кремнію трохи вище, а алюмінію трохи нижче. Для отримання хрому намагалися застосувати інші відновники – вуглець, водень, магній. Однак ці способи не набули широкого поширення.
Хром високого ступенячистоти (приблизно 99,8%) одержують електролітично.
Технічно чистий та електролітичний хром йде головним чином на виробництво складних хромових сплавів.
Константи та властивості хрому
Атомна маса хрому 51,996. У менделєєвській таблиці він посідає місце у шостій групі. Його найближчі сусіди та аналоги – молібден та вольфрам. Характерно, що сусіди хрому, як і він сам, широко застосовуються для легування сталей.
Температура плавлення хрому залежить від його чистоти. Багато дослідників намагалися її визначити та отримали значення від 1513 до 1920°C. Такий великий «розкид» пояснюється насамперед кількістю і складом домішок, що містяться в хромі. Зараз вважають, що хром плавиться за нормальної температури близько 1875°C. Температура кипіння становить 2199°C. Щільність хрому менша, ніж заліза; вона дорівнює 7,19.
за хімічним властивостямхром близький до молібдену та вольфраму. Вищий оксид його CrО 3 – кислотний, це – ангідрид хромової кислоти Н 2 CrО 4 . Мінерал крокоїт, з якого ми розпочинали знайомство з елементом №24, – сіль цієї кислоти. Крім хромової, відома дворомова кислота H 2 Cr 2 O 7 в хімії широко застосовуються її солі - біхромати. Найбільш поширений оксид хрому Cr 2 Про 3 – амфотерен. А взагалі в різних умоваххром може виявляти валентності від 2 до 6. Широко використовуються тільки з'єднання трьох-і шестивалентного хрому.
