Химия соединений хрома

ЮГО-ВОСТОЧНЫЙ ОКРУГ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ЦЕНТР ОБРАЗОВАНИЯ №1420

Адрес: 109444, Москва, Ташкентская ул., д.21, корп. 2.

Тел./факс 376-78-38 

Адрес электронной почты: center1420@mail.ru

 

 

ПРОЕКТНАЯ РАБОТА ПО ТЕМЕ:

 

«ХИМИЯ СОЕДИНЕНИЙ ХРОМА»

 

Авторы проекта:

Ученицы 10 «Л» класса

Аскерова Лилия и

Немирович Татьяна

Руководитель проекта:

Губанова С.С.

 

 

 

МОСКВА, 2013г.

Содержание проекта:

 

Введение---------------------------------------------------------------------------------------------3

Цели, задачи-----------------------------------------------------------------------------------------4

Гипотеза, уникальность--------------------------------------------------------------------------5

Хром, как химический элемент----------------------------------------------------------------6

Распространенность в природе,историческая справка,техника безопасности-7

Хром, как простое вещество--------------------------------------------------------------------8

Хром (+III)- -------------------------------------------------------------------------------------------9

Гидратная изомерия хрома (+III)- -----------------------------------------------------------14

Хром (+VI)- -----------------------------------------------------------------------------------------18

Анализ зависимости окислительно-восстановительных свойств соединений хрома в зависимости от среды раствора-------------------------------------------------27

Прочие степени окисления--------------------------------------------------------------------28

Получение, применение хрома--------------------------------------------------------------29

Выводы по проекты-----------------------------------------------------------------------------31

Библиография-------------------------------------------------------------------------------------32

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Создание данного проекта планировалось давно, сразу после прохождения темы d-элементов. D-элементы образуют огромное количеств соединений, которые радикально отличаются друг от друга внешним видом и свойствами. Хром не стал исключением. В зависимости от условий он проявляет различные степени окисления, свойства которых до конца не изучены.           Хром интересен еще и тем, что его соединения разнообразно окрашены, палитра их цветов располагается в диапазоне от синего и фиолетового до желтого и оранжевого. По этой причине практически все опыты с соединениями хрома очень зрелищны и наглядны.   К нашему сожалению, тема соединений хрома в школьном курсе изучается мимоходом, как дополнение к теме d-элементов. Поэтому создание подробного пособия для углубленного изучения стало второй причиной взяться за эту работу.            Вся информация для этого проекта была собрана по крупицам в различных источниках, систематизирована и преподнесена в новом виде. Многие данные даже были взяты с иностранных ресурсов интернета. Поэтому с уверенностью можно сказать, что каждое предложение этого пособия сформулировано нами самостоятельно.           Для наглядности работы были проведены эксперименты с подробным описанием, чтобы ученики впоследствии смогли их повторить. Опыты проводились нами в школьной лаборатории в соответствии со всеми правилами техники безопасности. Фотографии также сделаны нами собственноручно.

Наша работа имеет большое значение потому, что она ориентирована не только на изучение в настоящее время, но и на будущее поколение юных химиков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Цели проекта:

 

Разработка учебного пособия по теме "Химия соединений хрома", систематизация и углубление найденного материала, самостоятельное проведение опытов, демонстрирующих свойства вышеуказанных соединений.

 

Задачи проекта:

 

1. Систематизировать знания о хроме, как о химическом элементе, раскрыть его свойства.
2. Привести шкалу степеней окисления хрома, дать оценку его химической активности.
3. Рассмотреть хром в степени окисления +III, провести все необходимые реакции и подробно их описать.
4. Изучить причины гидратной изомерии хрома. Рассмотреть её строение, представить фотографии всех изомеров, объясняя их различия.
5. Рассмотреть хром в степени окисления +VI (хроматы и дихроматы). Провести реакции, в том числе аналитические.
6. Установить взаимосвязь между протеканием окислительно-восстановительных реакций и средой раствора.
7. Углубить знания школьников о свойствах d-элементов.
8. Изучить применение соединений хрома, а также их получение.

 

 

 

 

 

Гипотеза проекта:

 Эксперимент  на основе соединений хрома  является яркой иллюстрацией  основных положений многих химических  теоретических вопросов, а именно: вопросов комплексных соединений, окислительно-восстановительных процессов, обратимого гидролиза, кислотно-основных  свойств соединений d-элементов.

Введение данного раздела в школьный курс программы по химии обеспечит более полные и прочные знания как азов химии, так и малоизвестных специфических свойств.

 

 

 

Уникальность

   Уникальность нашей работы состоит в том, что вся представленная информация была сформулирована нами самостоятельно, так как даже самые авторитетные источники не могли дать полных и систематизированных данных по упомянутой теме.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Хром – химический элемент

 

Хром (лат. Chromium), Cr, химический элемент 4 периода VIб подгруппы периодической системы, относится к переходным металлам; атомный номер 24, атомная масса 51, 996. Природный хром состоит из четырёх стабильных изотопов с массовым числом 50, 52, 53 и 54, из которых наиболее распространён  52Cr .

 

По электроотрицательности хром занимает промежуточное положение между типичными металлами (Na, K, Ca) и типичными неметаллами (F, O, N, CI, S). Конфигурация внешних электронных слоёв атома хрома 3d54s1 (d-элемент).

 

Шкала степеней окисления: 
+VI:    СrO3, CrO42-, Cr2O72-, H2CrO4, H2Cr2O7, K2CrO4, K2Cr2O7  
+III:    Cr3+, Cr2O3, Cr(OH)3, Cr2(SO4)3, Na3[Cr(OH)6], CrCI3 
+II:    Сr2+, CrO, Cr(OH)2, CrSO4, CrCI2 
   0:    Сr

 

Соединения CrIII проявляют амфотерные свойства, металлические (основные) свойства преобладают у CrII, неметаллические (кислотные) – у CrVI; в соединениях хром чаще находится в составе катионов и реже – в составе анионов. Хром образует многочисленные соли и бинарные соединения. 

 

 

 

 

РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ В ПРИРОДЕ

Девятнадцатый по распространенности химический элемент (десятый среди металлов), находится только в виде соединений (минералы, полиметаллические руды, главным образом в виде хромистого железняка FeO*Cr2O3). Существенный для жизни человека, животных и растений микроэлемент (поддерживает нормальный уровень глюкозы в крови, усиливает процесс регенерации).

 

ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

Более двух столетий назад на Урале, где добывали золото и свинцовые руды, нашли неизвестный красный минерал. Минерал этот был назван «крокоитом». В конце XVIII в. образец минерала был вывезен в Париж ученым Л. Вокленом. Его опыты с образцом привели к получению оксида хрома (III), и соли – хромата калия. Новый элемент вследствие разнообразия окраски его солей стали называть хромом ( от греч. хрoма – краска, цвет). Независимо от Воклена в 1798 году хром был получен из того же минерала химиком М.Клапротом, открывшим до этого уран, цирконий и титан.

 

 

 

ТОКСИЧНОСТЬ СОЕДИНЕНИЙ ХРОМА. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

Соединения хрома, особенно Cr(VI), токсичны. Пыль солей хрома вызывает поражение дыхательных путей, растворы хроматов – аллергические заболевания кожи, дерматиты, язвы, так называемые «хромовые экземы». При попадании хроматов на поврежденную кожу ее необходимо немедленно промыть водой и смазать кремом; при поражении слизистой оболочки носа ее промывают с мылом и смазывают вазелином. В качестве профилактического средства при работе с соединениями  Cr(VI) рекомендуется принимать аскорбиновую кислоту, которая в организме восстанавливает Cr(VI) до Cr(III).

Хром – простое вещество

Чистый хром – голубовато-белый и очень твёрдый, тяжёлый (плотность 7,19 г/см3) и пластичный металл; т. пл. 1890°C, т. кип. 2680°C. Ничтожные примеси кислорода, азота и углерода делают металл хрупким; наибольшую пластичность хром имеет при 200-250°C. 
Хром интересен тем, что при температуре около 37°C многие его физические свойства (например, упругость, электропроводность) скачкообразно меняются. Причина этого до сих пор не выяснена. 
При невысоких температурах хром химически малоактивен. Взаимодействие с кислород при нагревании протекает сначала довольно активно, затем, однако, резко замедляется, так как поверхность металла покрывается тонкой, чрезвычайно устойчивой оксидной плёнкой.

В ряду напряжений стоит левее водорода, из разбавленных кислот HCI и H2SO4 вытесняет водород, причем при взаимодействии без доступа кислорода окисление идет до +II, а с доступом кислорода – до + III:

Сr + 2HCl=CrCl2 + H2 
2Cr + 6HCI + O2=2CrCI3 + H2 +2H2O 
В концентрированных HNO3, HCIO4 и H3PO4 и под действием окислителей хром легко пассивируется из-за образования защитной плёнки оксида; такой хром очень устойчив.

Соединения с кислородом, хлором и серой: 
4Cr + 3O2=2Cr2O3    (600°C) 
2Cr +3CI2=2CrCI3    (1100°C)  
2Сr +3S=Cr2S3         (1000°C) 
 
Хром реагирует в расплаве с сильными окислителями: 
2Cr + KCIO3=Cr2O3 +KCI             (500-700°C) 
2Cr + 3KNO3=Cr2O3 + 3KNO3      (400-550°C) 

При сплавлении с бором, углеродом, кремнием, теллуром и при нагревании с парами серы хром образует ряд соответствующих соединений, в которых  может проявлять различные степени окисления.

 

Хром (+III)

Катион  Cr3+ во многом похож на катион Al3+ ( они обладают близкими значениями ионного радиуса (63 мкм и 50 мкм соответственно), оба проявляют ярко выраженные амфотерные свойства). Восстановительные свойства Cr3+ преобладают над окислительными. В растворе ион Cr3+ находится в виде аквакомплекса. В водных растворах они сильно гидролизированны и легко превращаются в основные соли. Со слабыми кислотами хром (III), подобно алюминию, солей не образует.

 

СОЕДИНЕНИЯ ХРОМА (III).

1. Оксид хрома (III), или окись хрома Cr2O3.

 

 

 

 

 

 

 

 

Cr2O3

 

Оксид хрома (III) - тугоплавкое нерастворимое амфотерное вещество.

Он растворяется в кислотах, образуя соли хрома (III), окрашенные в зеленый цвет:

Cr2O3+6HCl=2CrCl3+3H20

или Cr2O3+6H+=2Cr3++3H2O

 

В следствие гидролиза и избытка кислоты раствор имел кислую среду, о чем указывает красный цвет лакмуса.

Также данный оксид растворяется в концентрированных щелочах (в меньшей степени). Образуются комплексные соединения хрома (III). Полученный раствор имеет щелочную среду.

При сплавлении со щелочами образуются изумрудные растворимые соли метахромистой кислоты - хромиты.

Cr2O3+2KOH=2KCrO2+H2O

Эти соединения представляют собой соли метахромистой кислоты HCrO2.

К ним относится и природный хромистый железняк Fe(CrO2)2.

 

При сплавлении оксида хрома (III) с щелочью в избытке кислорода образуются хроматы - соли хромовой кислоты, окрашенные в желтый цвет.

2Cr2O3+8KOH+3O2=4K2CrO4+4H2O

 

2. Гидрокисд хрома (III)

Гидроксид хрома (III) в лаборатории получают действием щелочей или гидрата аммиака на соли хрома (III). 

Cr3++3OH- =Cr(OH)3 ↓

Он представляет собой синевато-серый осадок и осаждается из раствора в виде гидрата состава Cr(OH)3*nH2O. Разлагается при нагревании, теряя воду и образуя метагидроксид CrO(OH).

Cr(OH)3*nH2O→Cr(OH)3-→CrO(OH) →Cr2O3

 

Гидроксид хрома (III) растворяется в кислотах с образованием солей хрома (III):

 Cr(OH)3+3HCl=CrCl3+3H2O

 

Так же он растворяется в щелочах - с образованием растворов хромитов:

Cr(OH)3+3NaOH=Na3[Cr(OH)6]

или

Cr(OH)3+3OH-=[Cr(OH)6]3-

3. Соли хрома (III)

Из солей хрома (III) самой распространенной является двойная соль хрома и калия - хромокалиевые квасцы KCr(SO4)3*12H2O, образующая сине -фиолетовые кристаллы. Хромокалиевые квасцы применяются в кожевенной промышленности для дубления кож и в текстильной промышленности в качестве протравы при крашении.

 

Восстановительные сво йства  катиона Cr3+ проявляются в реакциях с типичными окислителями, например галогенами. Мы использовали бромную воду. Реакцию необходимо проводить в щелочной среде. В результате хром восстанавливается до +VI, превращаясь в хромат.

2K3[Cr(OH)6] + Br2 + 4KOH = 2K2CrO4 +6KBr +8H2O

 

 

 

 

ГИДРАТНАЯ ИЗОМЕРИЯ ХРОМА (+III)

Безводные соли хрома (III), например CrCl3, окрашены в зеленый цвет. Первоначально растворы данных соединений тоже зеленые, однако спустя достаточно продолжительное время их цвет постепенно меняется на фиолетовый.  На фотографиях представлено изменение цвета 0,25 М раствора CrCl3. Проводилась съемка одного и того же раствора с интервалом в две недели.

 

Этому феномену есть очень интересное объяснение. Это изменение окраски объясняется образованием изомерных гидратов солей, представляющих собой комплексные соединения, в которых все или часть молекул воды координационно связаны во внутренней сфере комплекса. В некоторых случаях такие гидраты удалось выделить в твёрдом виде. Так, кристаллогидрат  хлорида хрома(III) CrCI3*6H2O известен в трёх изомерных формах: в виде сине-фиолетовых, тёмно-зелёных и светло-зелёных  кристаллов одинакового состава. Строение этих изомеров можно установить на основании различного отношения их свежеприготовленных растворов к нитрату серебра. В ходе проделанных экспериментов нами было установлено, что при действии последнего на раствор сине-фиолетового гидрата осаждается весь хлор, то есть было получено 0,75 моль хлорида серебра; из раствора  тёмно-зелёного гидрата осаждается 2/3 хлора (0,5 моль AgCl), а из раствора светло-зелёного гидрата - только 1/3 хлора (0,25 моль AgCl).

 

На фотографии представлены 0,25 М растворы хлорида хрома до взаимодействия с нитратом серебра

В левой пробирке осадилось 0,25 моль AgCl, в средней – 0,5 моль, а в правой - 0,75.

  

    Принимая  во внимание  эти данные, а также координационное число хрома, равное шести, строение рассматриваемых кристаллогидратов можно выразить  следующими формулами: