Print bookPrint book

§ 50.1. Соединения хрома в различных степенях окисления

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 50.1. Соединения хрома в различных степенях окисления
Printed by: Guest user
Date: Saturday, 25 May 2024, 7:05 AM

По правилам заполнения атомных орбиталей атом хрома должен иметь электронную конфигурацию 3d44s2. Однако вследствие устойчивости d5-состояния энергетически более выгодным оказывается переход одного электрона с 4s-подуровня на 3d-подуровень. Поэтому электронная конфигурация атома хрома [Ar]3d54s1.

В соответствии с этим для хрома в соединениях с другими элементами разрешены степени окисления от 0 до +6. Из них к устойчивым относятся +3 и +6, причём степень окисления +3 самая устойчивая.

Об устойчивости именно этих степеней окисления свидетельствует состав природных соединений хрома: хромовый железняк (хромит) Fe Cr with plus 3 on top subscript 2 straight O subscript 4, крокоит Pb Cr with plus 6 on top straight O subscript 4, хромовая охра Cr with plus 3 on top subscript 2 straight O subscript 3. Они являются источниками промышленного получения хрома.

Металлический хром получают двумя способами: металлотермическим восстановлением и электролизом.

Металлотермический способ основан на восстановлении Сr2О3 алюминием или кремнием:

Cr2O3 + 2Al not stretchy rightwards arrow with t on top Al2O3 + 2Cr + Q.

Хром — серебристо-белый блестящий металл с высокой температурой плавления.

При нормальных условиях хром химически чрезвычайно устойчив. Его низкая химическая активность объясняется образованием на поверхности массивного металла тонкой плотной оксидной плёнки, препятствующей действию химических реагентов.

Активность хрома повышается при нагревании. При температуре выше 400 °С он сгорает в кислороде с образованием Cr2O3.

Поскольку хром в ряду активности металлов расположен до водорода, он растворяется в разбавленных растворах кислот. При этом хром образует соли, в которых находится в степени окисления +3:

2Cr + 3H24(разб) = Cr2(SО4)3 + 3Н2↑.

В азотной и концентрированной серной кислотах хром пассивируется и растворяется лишь при нагревании:

2Cr + 6H24(конц) not stretchy rightwards arrow with t on top Cr2(SО4)3 + 3SО2↑ + 6Н2О.

Гидроксид хрома(III) обладает амфотерными свойствами и растворяется в кислотах с образованием солей хрома. В щелочах образуется изумрудно-зелёный раствор гексагидроксохромата:

Cr left parenthesis OH right parenthesis subscript 3 space plus stack 3 NaOH space equals space Na subscript 3 left square bracket Cr left parenthesis OH right parenthesis subscript 6 right square bracket. with space space space space space space space space space гексагидроксохромат space натрия below space space

В высшей степени окисления (+6) хром образует оксид CrO3, которому, как указано выше, соответствуют две кислоты — хромовая Н2CrO4 и дихромовая H2Cr2O7. Они существуют только в растворе.

В степени окисления +6 хром образует два вида солей — хроматы (с анионом CrO subscript 4 superscript 2 minus end superscript) и дихроматы (с анионом Cr subscript 2 straight O subscript 7 superscript 2 minus end superscript). В кислых растворах существуют преимущественно дихроматы, которые окрашивают растворы в оранжевый цвет, а в щелочных — хроматы, окрашивающие растворы в жёлтый цвет (рис. 118.1).

img
Рис. 118.1. Дихромат (а) и хромат (б) калия

Соединения, в которых хром находится в низших степенях окисления, выступают в качестве восстановителей, в высшей — окислителей, в промежуточных — как восстановителей, так и окислителей.

Продукт восстановления соединений хрома в высшей степени окисления (+6) зависит от рН среды. В кислой среде Cr(VI) восстанавливается до степени окисления +3 с образованием солей:

4CrO3 + C2H5OH + 6H2SO4 = 2Cr2(SO4)3 + 2CO2 + 9H2O.

В нейтральной среде образуется Cr2O3:

4CrO3 + C2H5OH = 2Cr2O3 + 2CO2 + 3H2O.

Хром — d-элемент с электронной конфигурацией валентного слоя 3d54s1. В форме простого вещества обладает металлическими свойствами и устойчив к действию окислителей.

Хром в своих соединениях проявляет различные степени окисления, из которых наиболее устойчивы +3 и +6. В степени окисления +2 хром — сильный восстановитель, в степени окисления +6 — сильный окислитель.

С увеличением степени окисления в оксидах и гидроксидах хрома кислотные свойства усиливаются, а основные — ослабевают.

В степени окисления +6 хром образует две кислоты H2CrO4 и H2Cr2O7, которые существуют только в растворе. Им отвечают соли — хроматы (с анионом CrO subscript 4 superscript 2 minus end superscript) и дихроматы (с анионом Cr subscript 2 straight O subscript 7 superscript 2 minus end superscript), которые являются сильными окислителями.

Cr(OH)3 имеет амфотерный характер.

Вопросы, задания, задачи

1. Используя схему заполнения электронами атомных орбиталей хрома, объясните строение ионов СrO subscript 4 superscript 2 minus end superscript и Сr subscript 2 straight O subscript 7 superscript 2 minus end superscript.

2. Металлический хром получают из хромита FeCr2O4. Сначала хромит окисляют на воздухе в расплаве соды Na2CO3, что приводит к образованию хромата натрия Na2CrО4. Хром действием серной кислоты переводят в дихромат. Его выделяют из раствора и восстанавливают при нагревании углеродом до оксида Cr2O3. Из этого оксида хром восстанавливают алюминием. Составьте химические уравнения реакций, протекающих на каждой из указанных стадий получения хрома.

3. Объясните причину пассивации металлического хрома при комнатной температуре под действием воздуха или азотной кислоты. Почему пассивацию хрома можно устранить механической очисткой поверхности?

4. Хром можно растворить после его сплавления с окислительно-щелочной смесью, состоящей из KNO3 и KOH. Приведите уравнение соответствующей химической реакции. Примите во внимание, что при этом образуется K2CrO4.

5. Почему при растворении металлического хрома в соляной или разбавленной серной кислотах образуются растворы различной окраски в зависимости от того, проводится реакция в контакте с воздухом или в среде азота?

6. Расставьте коэффициенты в уравнениях химических реакций для осуществления следующих превращений:

CrCl3 + Cl2 + KOH → K2CrO4 + KCl + H2O;

K2Cr2O7 + KI + H2SO4 → I2 + Cr2(SO)4 + K2SO4 + H2O.

7. Составьте уравнения химических реакций для осуществления следующих превращений:

Cr2O3 → CrCl3 → Cr(OH)3 → Na3[Cr(OH)6] → CrCl3.

8. Технологический процесс хромирования предполагает нанесение хрома на поверхность металлических изделий методом электролиза. Раствор электролита готовится из оксида хрома(VI) и раствора серной кислоты. Предположите, какие процессы должны протекать на электродах в этом случае. Приведите уравнения электродных процессов.

9. Определите объём хлора (н. у.), выделяющегося при взаимодействии 14,7 г дихромата калия с избытком концентрированной соляной кислоты.

10. Реакция разложения дихромата аммония используется как демонстрационный опыт, который называют «химическим вулканом». Схема этой реакции выглядит следующим образом:

(NH4)2Cr2О7 → Cr2О3 + N2 + Н2О.

Рассчитайте объём азота, который выделится при разложении 125 г дихромата аммония.

Самоконтроль

1. К природным соединениям хрома относятся:

  • а) FeCr2O4;
  • б) PbCrO4;
  • в) Cr2O3;
  • г) K2Cr2O7.

2. Основной продукт горения хрома в кислороде (при температуре выше 400 °С):

  • а) CrO;
  • б) Cr2O3;
  • в) CrO3;
  • г) Cr(OH)2.

3. Амфотерные свойства проявляют соединения:

  • а) CrO;
  • б) Cr2O3;
  • в) CrO3;
  • г) Сr(ОН)3.

4. Кислые растворы солей хрома(VI):

  • а) содержат преимущественно дихромат-ионы;
  • б) содержат преимущественно Сr subscript 2 straight O subscript 7 superscript 2 minus end superscript;
  • в) окрашены в жёлтый цвет;
  • г) имеют оранжевую окраску.

5. На солеобразование и восстановление соответственно, согласно уравнению реакции

K2Cr2O7 + 14HCl(конц) = 2KCl + 2CrCl3 + 3Cl2 + 7H2O,

затрачено хлороводородной кислоты (моль):

  • а) 0 и 14;
  • б) 7 и 7;
  • в) 8 и 6;
  • г) 6 и 8.