Реферат: Исследование свойств хрома и его соединений

--PAGE_BREAK--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 Cr2O3хромовые руды подразделяются на очень богатые (более 65%), богатые (65-52%), средние (52-45%), бедные (45-30%), убогие (30-10%). Руды, содержащие более 45% Cr2O3не требуют обогащения.

Показатель

Донской ГОК

(Казахстан)

Сарановская шахта

(Россия, Пермская обл.)

Рудопроявление в Красноярском крае

Содержание Cr2O3в исходной руде, %



46,6



39,1



62


3. Свойства хрома. Теоретическая часть 3.1Общие сведения
<img width=«144» height=«135» src=«ref-1_621876254-4048.coolpic» v:shapes="_x0000_s1026">
Хром Cr— химический элемент VIгруппы 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, VIсоответственно) [4].

Рисунок 1- Структура атома хрома

<img width=«403» height=«217» src=«ref-1_621880302-12513.coolpic» v:shapes="_x0000_i1025">

Рисунок 2-Распределение электронов по энергетическим уровням
3.2 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



3.3 Химические свойства

При небольших температурах хром химически мало активен (взаимодействует только с фтором). Выше 6000Cвзаимодействует 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 12000Cпленка начинает разрушаться, окисление снова идет быстро. При 20000Cхром 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 + 6H2SO4(конц.)= Cr2(SO4)3 + 3SO2+ 6H2O

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

Хром растворяется в разбавленных сильных кислотах (HClи 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, HClO4благодаря 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:

2Cr+ 3Cl2<img width=«15» height=«32» src=«ref-1_621892815-190.coolpic» v:shapes="_x0000_i1026">  2Cr+3Cl3-

1. с кислородом:

4Cr+ 3O2 <img width=«15» height=«32» src=«ref-1_621892815-190.coolpic» v:shapes="_x0000_i1027"> 2Cr2O3



2.       ссерой:

2Cr0+ 3S0<img width=«15» height=«32» src=«ref-1_621892815-190.coolpic» v:shapes="_x0000_i1028"> Cr2+2S3-2





3.       с азотом:

2Cr+ N2<img width=«15» height=«32» src=«ref-1_621892815-190.coolpic» v:shapes="_x0000_i1029">  2Cr+3N-3





4. с кремнием:

4Cr+ 3Si<img width=«15» height=«32» src=«ref-1_621892815-190.coolpic» v:shapes="_x0000_i1030"> Cr4+3Si3-4





5. с бором

Cr+ B<img width=«15» height=«32» src=«ref-1_621892815-190.coolpic» v:shapes="_x0000_i1031"> Cr+3B-3





6. с углеродом

4Cr+ 3С0<img width=«15» height=«32» src=«ref-1_621892815-190.coolpic» v:shapes="_x0000_i1032">Cr4+3C3-4





7. с кислородом:

4Cr+ 3O2= 2Cr2+3O3-2





8. с серной кислотой:

2Cr0+ 6H2+SO4-2= Cr2+3(SO4)3-2 + 3S-2O2 +6H2O




    продолжение
--PAGE_BREAK--3.4 Соединения хрома 3.4.1 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<img width=«15» height=«32» src=«ref-1_621892815-190.coolpic» v:shapes="_x0000_i1033">  2Cr2O3 + 3О2

(NH4)2Cr2O7<img width=«15» height=«32» src=«ref-1_621892815-190.coolpic» v:shapes="_x0000_i1034"> Cr2O3 + N2 + 4H2O

4Cr + 3O2<img width=«15» height=«32» src=«ref-1_621892815-190.coolpic» v:shapes="_x0000_i1035"> 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 H2SO4на 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 CrO42-.

CrO3 + 2KOH = K2CrO4 + H2O
3.4.2 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<img width=«15» height=«32» src=«ref-1_621892815-190.coolpic» v:shapes="_x0000_i1036"> Cr2O3 + 3H2O

Нерастворим в воде.
3.4.3 Кислоты
Кислоты хрома, отвечающие его степени окисления +6 и различающиеся соотношением числа молекул CrO3и 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 CrO3приводит к кислотам общей формулы nCrO3H2Oпри 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.
3.4.4 Соли
Различают два вида солей: хромиты и хроматы

Хромитамис 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 H2CrO4называют монохроматами (хроматы) R2CrO4, соли дихромовой кислоты H2Cr2O7дихроматы (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



    продолжение
--PAGE_BREAK--4. Свойства хрома. Экспериментальная часть 4.1 Опыт №1. Получение оксида хрома(III)
Приборы и реактивы: асбестированная сетка; спички; бихромат аммония (NH4)2Cr2O7(измельченный).

Выполнение опыта. Расстилаю большой лист бумаги, на который кладу асбестированную сетку. Тонко измельченный бихромат аммония насыпаю в виде горки. До бихромата аммония дотрагиваюсь зажженной спичкой.

Начинается разложение бихромата, которое протекает с выделением тепла и постепенно захватывает все большие и большие количества соли. В конце реакция идет все более бурно — появляются искры, пламя, летит рыхлый и легкий пепел — типичное извержение вулкана в миниатюре. Образовалось большое количество рыхлого темно-зеленого вещества.

Вывод: оксид хрома (III) Cr2O3получается путем нагревания бихромата аммония:

(NH4)2Cr2O7<img width=«15» height=«32» src=«ref-1_621892815-190.coolpic» v:shapes="_x0000_i1037">Cr2O3+N2+4H2O


4.2 Опыт №2. Исследование свойств оксида хрома (III)
Приборы и реактивы: колба; вода H2O; оксид хрома (III) Cr2O3; серная кислота

Выполнение опыта. Добавляю полученный зеленый порошок оксида хрома (III) сначала в колбу с водой

Cr2O3 + 3H2O = 2Cr(OH)3

затем в колбу с серной кислотой

Cr2O3 + 3H2SO4 = Cr2(SO4)3 + 3H2O

Наблюдаю растворение оксида в обоих колбах.

Вывод: Оксид хрома растворяется в воде и в кислотах.


4.3 Опыт №3.Окислительные свойства солей хрома (VI)
Приборы и реактивы: раствор бихромата калия K2Cr2O7; раствор сульфита натрия Na2SO3; серная кислота H2SO4.

Выполнение опыта. К раствору K2Cr2O7, подкисленному серной кислотой, добавляю раствор Na2SO4. Наблюдаю изменения окраски.

Оранжевый раствор стал зелено- фиолетовым.

Вывод: В кислой среде хром восстанавливается сульфитом натрия от хрома (VI) до хрома (III):

K2Cr2O7 + 3Na2SO3 + 4H2SO4 = K2SO4 + Cr2(SO4)3  + 3Na2SO4 + 4H2O


4.4 Опыт №4. Исследование свойств солей хрома (VI)
Приборы и реактивы: концентрированный раствор бихромата калия K2Cr2O7; концентрированная соляная кислота HCl

Выполнение опыта. К концентрированному раствору бихромата калия K2Cr2O7добавляю концентрированную соляную кислоту HCl. При нагревании наблюдается выделение резкого хлорного запаха, от которого жжет нос и горло.

Вывод:Так как все соединения хрома (VI) являются сильными окислителями, то при реакции с соляной кислотой:

K2Cr2O7 + 14HCl <img width=«15» height=«32» src=«ref-1_621892815-190.coolpic» v:shapes="_x0000_i1038"> 3Cl2­+ 2CrCl3 + 2KCl + 7H2O

происходит восстановление хлора:

2Cl--2<img width=«21» height=«31» src=«ref-1_621895285-205.coolpic» v:shapes="_x0000_i1039">Cl2


    продолжение
--PAGE_BREAK--4.5 Опыт №5. Переход хромата в бихромат и обратно
Приборы и реактивы:раствор хромата калия K2CrO4, раствор бихромата калия K2Cr2O7, серная кислота, гидроксид натрия.

Выполнение опыта. К раствору хромата калия добавляю серную кислоту, в результате происходит изменение окраски раствора из желтого в оранжевый.

2K2CrO4 + H2SO4 = K2Cr2O7 + K2SO4 + H2O

К раствору бихромата калия добавляю щелочь, в результате происходит изменение окраски раствора из оранжевого в желтый.

K2Cr2O7 + 4NaOH = 2Na2CrO4 + 2KOH + H2O

Вывод: В кислой среде хроматы неустойчивы, ион CrO42-  желтого цвета превращается в ион Cr2O72-  оранжевого цвета, а в щелочной среде эта реакция протекает в обратном направлении

2CrO42-+ 2H+кислая сред஬щелочная средаCr2O72-+ H2O.


4.6 Опыт №6. Получение малорастворимых солей хромовых кислот
Приборы и реактивы:раствор хромата калия K2CrO4, раствор бихромата калия K2Cr2O7, раствор нитрата серебра AgNO3.

Выполнение опыта. Наливаю в одну пробирку раствор хромата калия, в другую — раствор бихромата калия, и добавляю в обе пробирки раствор нитрата серебра, в обоих случаях наблюдаю образование красно-бурого осадка.

K2CrO4 + 2AgNO3= Ag2CrO4¯+ 2KNO3

K2Cr2O7 + AgNO3 ®Ag2CrO4¯+ KNO3

Вывод: Растворимые соли хрома при взаимодействии с нитратом серебра образуют нерастворимый осадок
4.7 Опыт №7. Получение гидроксида хрома
Приборы и реактивы: раствор солихрома (III) CrCl3, едкий натр (гидроксид натрия) NaOH.

Выполнение опыта.В пробирку с раствором хлорида хрома (III) по каплям добавляю раствор едкого натра до образования серо-зеленого осадка.

Вывод: Гидроксид хрома Cr(OH)3  получается при действии на соль трехвалентного хрома  щелочью:

CrCl3 + 3NaOH = Cr(OH)3¯+ 3NaCl


5. 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.

Химикииспользуют 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 Al2O3вводят 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.


    продолжение
--PAGE_BREAK--