Исследование свойств хрома и его соединений

Исследование  свойств хрома и его соединений  

 

      План.

1. Краткая характеристика.
2. Физические свойства хрома.
3. Химические свойства хрома.
4. История открытия.
5. Нахождение в природе.
6. Виды соединений хрома.
7. Лабораторные исследования.
8. Область применения.
9. Влияние на окружающую среду.
10. Заключение.

 

   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Краткая характеристика.

Общие сведения.

   Область применения хрома достаточно широка.

Хром и его соединения активно используются в промышленном производстве, в частности, в металлургии, химической и огнеупорной промышленности.

   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.

Хром проявляет  степени окисления +2, +3, +6, соответственно имеет валентности II, III, VI.

   Имеет четыре стабильных изотопа с атомными массами 50, 52, 53, 54 . Самым распространенным из них, конечно, является хром с атомной массой 52 – 83,79% в природе.

Структура атома  хрома изображена на рисунке:

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Физические  свойства хрома.

   Хром представляет собой твердый, пластичный, довольно тяжелый, ковкий металл серо-стального цвета.

Кипит при 2469 ⁰ С, плавится при 1878± 22 ⁰ С. Обладает всеми характерными свойствами металлов - хорошо проводит тепло, почти не оказывает сопротивления электрическому току, имеет блеск, присущий большинству металлов. И в то же время, устойчив к коррозии на воздухе и в воде.

   Примеси кислорода, азота и углерода, даже в самых малых количествах, резко изменяют физические свойства хрома, например, делая его очень хрупким. Но, к сожалению, получить хром без этих примесей очень трудно.

   Структура кристаллической решетки - объемноцентрированная кубическая. Особенностью хрома является резкое изменение его физических свойств при температуре около 37°С. Это аномальное явление ученым не удалось объяснить достоверно до сих пор. Дело в том, что 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.

Ниже приведена  сводная таблица основных физических свойств хрома:  

 

Химические  свойства хрома.

   В зависимости от температур меняется и химическая активность хрома.

Так при небольших  температурах хром мало активен и  взаимодействует только со фтором.

   С увеличением температуры от 600 ⁰ C, начинает взаимодействовать с галогенами, серой, азотом, кремнием, бором, углеродом, кислородом.

Реакция с кислородом протекает сначала довольно активно, но через некоторое время резко  замедляется, так как поверхность  покрывается тонкой чрезвычайно  устойчивой пленкой, препятствующему  дальнейшему окислению.

   Это явление получило название – пассивирование.

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

2Cr + 6H2SO4(конц.) = Cr2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O

Cr + 6HNO3(конц.) = Cr(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O

Дальше, уже при 1200 ⁰ C пленка начинает разрушаться и окисление снова идет быстро.

При 2000 ⁰ C хром воспламеняется в кислороде с образованием темно-зеленого оксида Cr2O3.

В сильных разбавленных кислотах - HCl и H2SO4, хром имеет свойство растворяться.

В отсутствии воздуха  при этом образуются соли Cr2+, а на воздухе - соли Cr3+:

Cr + 2HCl = CrCl2+ H2

4Cr + 12HCl +3O2 = 4CrCl3 + 6H2O

Благодаря защитной пленке, хром не растворим кислотах в H3PO4, HClO4.

Приведем основные химические реакции чистого хрома:

1.При температурах 0…600 ⁰ С:

- реакция со фтором 2Cr ⁰ + 3F ₂ ⁰ = 2Cr ⁺³ F ₃ ^-

2. При температурах 600…1200 ⁰ С:

• с серой 2Cr ⁰ + 3S ⁰ Cr ₂ ⁺² S ₃ ^-2

• с углеродом 4Cr ⁰ + 3С ⁰ Cr ₄ ⁺³ C ₃ ^-4
• с азотом 2Cr ⁰ + N ₂ ⁰ 2Cr ⁺³ N ^-3
• с галогенами 2Cr ⁰ + 3Cl ₂ ⁰ 2Cr ⁺³ Cl ₃ ^-
• с кремнием 4Cr ⁰ + 3Si ⁰ Cr ₄ ⁺³ Si ₃ ^-4
• с кислородом 4Cr ⁰ + 3O ₂ ⁰ = 2Cr ₂ ⁺³ O ₃ ^-2
• с серной кислотой 2Cr ⁰ + 6H ₂ ⁺ SO ₄ ^-2 = Cr ₂ ⁺³ (SO ₄ ) ₃ ^-2 + 3S ^-2 O ₂ +6H ₂ O
• с бором Cr ⁰ + B ⁰ Cr ⁺³ B ^-3

2. При температурах 1200…2000 ⁰ С:

- с кислородом 4Cr + 3O ₂ 2Cr ₂ O ₃

3. История открытия хрома.

Хром был  обнаружен в конце XVIII века.

   В 1766 году петербургский профессор химии И.Г.Леман описал новый минерал,

найденный на Урале на Березовском руднике, в 15 километрах от Екатеринбурга. Обрабатывая камень соляной кислотой, Леман получил изумрудно-зеленый раствор, а в образовавшемся белом осадке обнаружил свинец.

Спустя несколько  лет, в 1770 году, Березовские рудники  описал академик П.С.Паллас.

   Вот как он описывал хром в своих работах:

“Березовские копи, состоят из четырех рудников, которые  разрабатываются с 1752 года. В них  наряду с золотом добываются серебро  и свинцовые руды, а также находят  замечательный красный свинцовый  минерал, который не был обнаружен  больше ни в одном другом руднике  России. Эта свинцовая руда бывает разного цвета (иногда похожего на цвет киновари), тяжелая и полупрозрачная... Иногда маленькие неправильные пирамидки  этого минерала бывают вкраплены  в кварц подобно маленьким  рубинам. При размельчении в порошок  она дает красивую желтую краску...”.

Сначала обнаруженный минерал был назван “сибирским красным  свинцом”. Впоследствии за ним закрепилось  название “крокоит”.

   В конце XVIII века образец крокоита был привезен Палласом в Париж.

Этим минералом  заинтересовался известный французский  химик Луи Никола Воклен. В 1796 году он подверг минерал химическому анализу.

   Он проводит анализ минерала в своем отчете: “Все образцы этого вещества, которые имеются в нескольких минералогических кабинетах Европы, были получены из Березовского золотого рудника. Раньше рудник был очень богат этим минералом, однако говорят, что несколько лет назад запасы минерала в руднике истощились, и теперь этот минерал покупают на вес золота, в особенности, если он желтый.

Образцы минерала, не имеющие правильных очертаний или  расколотые на кусочки, годятся для  использования их в живописи, где  они ценятся за свою желто-оранжевую  окраску, не изменяющуюся на воздухе...

   Красивый красный цвет, прозрачность и кристаллическая форма сибирского красного минерала заставила минералогов заинтересоваться его природой и местом, где он был найден. Большой удельный вес и сопутствующая ему свинцовая руда, естественно, заставляли предполагать о наличии свинца в этом минерале...”

   В 1797 году Воклен повторил анализ. Растертый в порошок крокоит он поместил в раствор углекислого калия и прокипятил. В результате опыта ученый получил углекислый свинец и желтый раствор, в котором содержалась калиевая соль неизвестной тогда кислоты. При добавлении к раствору ртутной соли образовывался красный осадок, после реакции со свинцовой солью появлялся желтый осадок, а введение хлористого олова окрашивало раствор в зеленый цвет. После осаждения соляной кислотой свинца Воклен выпарил фильтрат, а выделившиеся красные кристаллы (это был оксид шестивалентного хрома) смешал с углем, поместил в графитовый тигель и нагрел до высокой температуры. Когда опыт был закончен, ученый обнаружил в тигле множество серых сросшихся металлических иголок, весивших в 3 раза меньше, чем исходное вещество.

   Так впервые был выделен новый элемент. Один из друзей Воклена предложил ему назвать элемент хромом (по-гречески “хрома” - окраска) из-за яркого разнообразного цвета его соединений. Сначала Воклену не понравилось предложенное название, поскольку открытый им металл имел скромную серую окраску и как будто не оправдывал своего имени. Но друзья все же сумели уговорить Воклена и, после того как французская Академия наук по всей форме зарегистрировала его открытие, химики всего мира внесли слово “хром” в списки известных науке элементов.

   В 1854 году удалось получить чистый металлический хром электролизом водных растворов хлорида хрома. В металлургии, где расход хрома для легирования сталей очень велик, используют не сам хром, а его сплав с железом - феррохром.    
 
 
 

Нахождение  в природе.

   Среднее содержание хрома в земной коре 83 г/т, по массе содержание хрома в земной коре составляет 0,035%, в воде морей и океанов 2 x10 ^-5 мг/л. Мировые подтвержденные запасы хромовых руд составляют 1,8 млрд. т. Более 60% cосредоточено в ЮАР. Крупными запасами обладают Зимбабве, Казахстан Турция, Индия, Бразилия. Руды хрома имеются в Новой Каледонии, на Кубе, в Греции, Югославии. В то же время такие промышленные страны, как Англия, Франция, ФРГ, Италия, Швеция, совершенно лишены хромового сырья, а США и Канада располагают лишь очень бедными рудами.

   Запасы хромовых руд России сосредоточены, главным образом, в группе Сарановских месторождений (Верблюжьегорское, Алапаевское, Халиловское и др.) на Урале (Пермская область) и составляют 6,4 млн. т. (0,36%от мировых запасов).

   Добыча хромовых руд в мире составляет около 12 млн. т. в год, в том числе 108 тыс. т. в России. Главные производители товарной хромовой руды - ЮАР, Казахстан, на долю которых приходится более 60% добычи сырья ежегодно. В Красноярском крае месторождения хрома отсутствуют. Но на правом берегу р.Енисей, в устье р.Березовой (к югу от устья р. Подкаменная Тунгуска) есть рудопроявление с выходом пород 1,5´ 4 м, возраст пород оценивается в 500 млн. лет. Содержание чистого хрома в руде порядка 42% .

   По содержанию Cr2O3 хромовые руды подразделяются на очень богатые (более 65%), богатые (65-52%), средние (52-45%), бедные (45-30%), убогие (30-10%). Руды, содержащие более 45% Cr2O3 не требуют обогащения.  

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Виды соединений хрома.

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