Оксид хрому: формула, характеристика і хімічні властивості
Серед різноманіття хімічних елементів та їх сполук складно виділити найбільш корисне для людства речовину. Кожне унікальне за своїми властивостями і можливостям застосування. Технічний прогрес значно полегшує дослідницький процес, а й ставить перед ним нові завдання. Хімічні елементи, відкриті кілька сотень років тому і вивчені у всіх проявах, отримують в сучасному світі більш технологічні напрямки використання. Дана тенденція поширюється на з'єднання, існуючі в природі і створені людьми.
Оксид
У земній корі і на просторах Всесвіту існує безліч хімічних сполук, які відрізняються за класами, типами, характеристикам. Одним з найпоширеніших видів з'єднань є оксид (окис, оксид). До нього відносять пісок, воду, вуглекислий газ, т. Е. Основоположні речовини для існування людства і всієї біосфери Землі. Оксидами називають речовини, які мають у складі атоми кисню зі ступенем окислення -2, при цьому зв'язок між елементами є бінарною. Їх утворення відбувається в результаті хімічної реакції, умови якої різняться залежно від складу оксиду.
Характерними ознаками даного речовини є три позиції: речовина складне, складається з двох атомів, один з них - кисень. Велика кількість існуючих оксидів пояснюється тим, що багато хімічні елементи утворюють кілька речовин. Вони ідентичні за складом, але атом, що вступає в реакцію з киснем, проявляє кілька ступенів валентності. Наприклад, оксид хрому (2, 3, 4, 6), азоту (1, 2, 3, 4, 5) і т. Д. При цьому їх властивості залежать від ступеня валентності елемента, який входить у окислительную реакцію.
За прийнятою класифікацією оксиди бувають основними і кислотними. Також виділяється амфотерний вигляд, який виявляє властивості основного оксиду. Кислотні оксиди - це сполуки неметалів або елементів з високою валентністю, їх гідратами є кислоти. До основних окислам відносять всі речовини, що мають зв'язок кисень + метал, їх гідратами є підстави.
Хром
У 18 столітті хімік І. Г. Леман виявив невідомий мінерал, який був названий червоним сибірським свинцем. Професор Паризької мінералогічної школи Вокелен провів ряд хімічних реакцій з отриманим зразком, в результаті яких був виділений невідомий метал. Основними властивостями, позначеними вченим, стали його стійкість до кислотних середах і тугоплавкість (жаропрочность). Назва "хром" (Chromium) виникло через широкої колірної гами, яка характеризується з'єднанням елемента. Метал досить інертний, в чистому вигляді не зустрічається в природних умовах.
Основними мінералами, що містять хром, є: хромит (FeCr2O4), Меланохроіт, вокеленіт, дітцеіт, тарапакаіт. Хімічний елемент Cr розташовується в 6 групі періодичної системи Д. І. Менделєєва, має атомний номер 24. Електронна конфігурація атома хрому дозволяє елементу мати валентність +2, +3, +6, при цьому найбільш стійкими є сполуки тривалентного металу. Можливі реакції, при яких ступінь окислювання дорівнює +1, +5, +4. Хром хімічно не активний, поверхню металу покривається плівкою (ефект пассивирования), що запобігає реакції з киснем і водою при нормальних умовах. Оксид хрому, що утворюється на поверхні, оберігає метал від взаємодії з кислотами і галогенами при відсутності каталізаторів. З'єднання з простими речовинами (не метал) можливі при температурі від 300 проС (хлор, бром, сірка).
При взаємодії зі складними речовинами потрібні додаткові умови, наприклад, з розчином лугу реакція не відбувається, з її расплавами процес відбувається дуже повільно. З кислотами хром вступає в реакцію при наявності в якості каталізатора високої температури. Оксид хрому можна отримати з різних мінералів шляхом впливу температури. Залежно від майбутньої ступеня окислення елемента застосовуються концентровані кислоти. При цьому валентність хрому в з'єднанні варіюється від +2 до +6 (вищий оксид хрому).
Застосування
За рахунок унікальних антикорозійних властивостей і жароміцності велике практичне значення мають сплави на основі хрому. При цьому в процентному співвідношенні його частка не повинна перевищувати половини загального обсягу. Великим недоліком хрому є його крихкість, що зменшує можливості обробки сплавів. Найбільш поширеним способом застосування металу є виготовлення покриттів (хромування). Захисна плівка може становити шар в 0,005 мм, але вона буде надійно оберігати металевий виріб від корозії і зовнішніх впливів. Сполуки хрому використовуються для виготовлення жароміцних конструкцій в металургійній промисловості (плавильні печі). Антикорозійні покриття декоративного напрямку (металокераміка), спеціальна легована сталь, електроди для зварювальних апаратів, сплави на основі кремнію, алюмінію є затребуваними на світових ринках. Оксид хрому за рахунок низької можливості окислення і високої жароміцності служить каталізатором багатьох хімічних реакцій, що протікають при високих температурах (1000 проС).
Двовалентні з'єднання
Оксид хрому (2) CrO (закис) є порошком яскраво-червоного або чорного кольору. У воді не розчиняється, при нормальних умовах не окислюється, проявляє яскраво виражені основні властивості. Речовина тверде, тугоплавкое (1550 проС), не є токсичним. В процесі нагрівання до 100 проЗ окислюється до Cr2O3. У слабких розчинах азотної і сірчаної кислот не розчиняється, реакція відбувається з хлороводородной кислотою.
Отримання, застосування
Дана речовина вважається нижчим оксидом. Має досить вузьку сферу застосування. У хімічній промисловості оксид хрому 2 використовується для очищення вуглеводнів від кисню, який він притягує в процесі окислення при температурі понад 100 проС. Отримати закис двовалентного хрому можна трьома способами:
- Розкладанням карбонила Cr (CO)6 при наявності в якості каталізатора високої температури.
- Відновлюючи за допомогою фосфорної кислоти оксид хрому 3.
- Амальгама хрому окислюється киснем або азотною кислотою.
Тривалентні сполуки
Для оксидів хрому ступінь окислення +3 є найбільш стійкою формою речовини. Cr2O3 (Хромова зелень, сесквіоксід, есколаід) в хімічному відношенні інертний, не розчиняється у воді, має високу температуру плавлення (більше 2000 проС). Оксид хрому 3 - зелений тугоплавкий порошок, дуже твердий, має амфотерні властивості. Речовина розчинно в концентрованих кислотах, реакція з лугами відбувається в результаті сплаву. Може відновлюватися до чистого металу при взаємодії з сильним відновником.
Отримання і застосування
За рахунок високої твердості (порівнянної з корундом) найбільш поширене використання речовини в абразивних та полірування матеріалах. Оксид хрому (формула Cr2O3) Має зелений колір, тому його застосовують як пігмент при виготовленні скла, фарб, кераміки. Для хімічної промисловості дана речовина використовується як каталізатор для протікання реакцій з органічними сполуками (синтез аміаку). Тривалентний оксид хрому застосовується для створення штучних дорогоцінних каменів і шпинелей. Для отримання використовується декілька видів хімічних реакцій:
- Окислення закису хрому.
- Нагрівання (прокаливанием) біхромату або хромата амонію.
- Розкладання гідроксиду тривалентного хрому або шестивалентного оксиду.
- Прожарювання хромату або біхромату ртуті.
Шестивалентного сполуки
Формула вищого оксиду хрому - CrO3. Речовина фіолетового або темно-червоного кольору, може існувати у вигляді кристалів, голок, пластин. Хімічно активний, токсичний, при взаємодії з органічними сполуками існує небезпека самозаймання і вибуху. Оксид хрому 6 - хромовий ангідрид, трехокісь хрому - добре розчинний у воді, при нормальних умовах взаємодіє з повітрям (розпливається), температура плавлення - 196 проС. Речовина має яскраво виражені кислотні властивості. При хімічної реакції з водою утворюється дихромовая або хромова кислота, без додаткових каталізаторів взаємодіє з лугами (хромати жовтого кольору). Для галогенів (йод, сірка, фосфор) є сильним окислювачем. В результаті нагрівання понад 250 проЗ утворюється вільний кисень і тривалентний оксид хрому.
Як отримують і де застосовують
Оксид хрому 6 отримують обробкою хроматов (бихроматов) натрію або калію концентрованої сірчаної кислотою або при реакції хромату срібла з хлороводородной кислотою. Висока хімічна активність речовини обумовлює основні напрямки його застосування:
- Отримання чистого металу - хрому.
- У процесі хромування поверхонь, у тому числі електролітичним способом.
- Окислення спиртів (органічних сполук) в хімічній промисловості.
- У ракетній техніці використовується як воспламенителя палива.
- У хімічних лабораторіях очищає посуд від органічних сполук.
- Використовується в піротехнічної галузі.
