Содержание

Введение ………………………………………………. …………………….3

Глава 1. Литературный обзор

§1.1.Исторические сведения ………………………………………………..4

§1.2. Хром в природе ………………………………………………………..6

§1.3. Физические свойства ………………………………………………….7

§ 1.4.Применение ……………………………………………………………8

§1.5.Химические свойства…………………………………………………10

§ 1.6.Соединения хрома

1.6.1. Оксиды……………………………………………………………….11

1.6.2.Гидроксиды  ………………………………………………………….12

1.6.3. Кислоты  ……………………………………………………………..13

1.6.4. Соли …………………………………………………………………13

§1.7 . Хромирование …………………………………………………..….14

§1.8. Сплавы ……………………………………………………………….15

§1.9. Экологические  проблемы ……………………………………….....16

Глава 2. Экспериментальная  часть

2.1. Получение  оксида хрома (III) и изучение его свойств………........18

2.2. Исследование  окислительных свойств солей хрома (VI)………...19

Заключение  и выводы …………………………………………………..21

Литература  ……………………………………………………………....22

Приложение

Введение

Хром  и его соединения активно используются в промышленном производстве, особенно в металлургии, химической, огнеупорной промышленности. Область его применения достаточно широка, поэтому углубленное изучение свойств хрома является необходимым дополнением к соответствующим разделам школьной программе по химии, тем более, что в учебнике этот материал, по-моему, незаслуженно отсутствует.                                  Данная работа посвящена изучению основных физических и химических свойств хрома и его соединений, позволяет оценить важность этого химического элемента.

Актуальность  изучения свойств хрома и его  соединений связана еще с тем. что в нашем городе расположен ферросплавный завод, выпускающий сплавы хрома с железом. Нам, жителям города, необходимо знать свойства этого металла, его воздействие на природу и здоровье человека.Эта информация поможет уменьшить воздействие негативных факторов названного производства на экологию. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 1. Литературный обзор

§ 1.1. Исторические сведения

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. «Березовские копи, - писал он, - 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...». Минерал был назван «сибирским красным свинцом». Впоследствии за ним закрепилось название «крокоит».

Образец этого минерала был в конце XVIII века привезен Палласом в Париж. Крокоитом  заинтересовался известный французский  химик Луи Никола Воклен. В 1796 году он подверг минерал химическому анализу. «Все образцы этого вещества, которые имеются в нескольких минералогических кабинетах Европы, - писал Воклен в своем отчете, - были получены из этого (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. И, после того как французская Академия наук по всей форме зарегистрировала его открытие, химики всего мира внесли слово «хром» в списки известных науке элементов. (рис. 1;2)                                                                                                                          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. Впервые феррохром был получен в 1820 году восстановлением смеси оксидов железа и хрома древесным углем в тигле. В 1865 году был выдан первый патент на хромистую сталь.

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].

Рис.1. Структура атома хрома 
 

Рис.2. Распределение  электронов по энергетическим уровням

§ 1.2. Хром 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´10^-5 мг/л. Мировые подтвержденные запасы хромовых руд составляют 1,8 млрд. т. Более 60% сосредоточено 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 [1]. 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.(Таблица 1)

Таблица 1.

Содержание Cr₂O₃ в хромовых рудах различных месторождений

  § 1.3.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.  (Таблица 2)                                         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 2.

Физические свойства хрома

  § 1.4. 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.

§ 1.5. 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.(Таблица 3)

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 3.

 Основные химические реакции чистого хрома

§ 1.6. Соединения хрома

1.6.1. 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

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

1.6.2.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.

1.6.3. 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.

1.6.4. 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

§ 1.7. 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.

§ 1.8. Сплавы

Семейство хромовых сплавов весьма многочисленно.(Таблица 4)

Таблица 4.

Основные хромовые сплавы

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.

§1.9. Экологические проблемы

Хром  относится к высоко токсичным  веществам.(таблица 5) 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 5.

Предельно допустимые концентрации оксидов хрома