Получение хромового ангидрида - Химия - Скачать бесплатно
Министерство образования Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего и профессионального
образования
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра неорганической химии
КУРСОВАЯ РАБОТА
Тема: Получение хромового ангидрида.
Руководитель Селина Н.А
Студентка группы 3111
Колоколова Н.В
Иркутск, 2002
|Содержание |стр. |
Содержание……..…………………………………………………………2
Теоретическая часть………………………………………………..…3
1. Общая характеристика подгруппы хрома……………………………3
Литературный обзор…………………………………………………..4
1. Историческая справка………………………………………………….4
2. Распрастранение в природе……………………………………………5
3. Свойства хрома……………………...………………………………….5
1. Общие сведения……………………………………………………5
2. Получение………………………………………………………….5
3. Физические свойства………………………………………….…..6
4. Химические свойсвта………………………………………….….6
4. Соединения хрома……………………………………………………..8
1. Оксиды…………………………………………………………….8
2. Гидроксиды………………………………………………………..8
3. Кислоты……………………………………………………………8
5. Применение…………………………………………………………….9
1. Хромирование……………………………………………………..10
2. Сплавы……………………………………………………………..11
6. Экологические проблемы……………………………..……………….11
Экспериментальная часть……………………………..………………13
Литература….………………………………………………………………14
I. Теоретическая часть
1. Общая характеристика подгруппы хрома
В побочную подгруппу шестой группы входят хром, молибден и вольфрам.
Таблица 1.
|Элемент|Порядковый номер|Конфиг.внешн. |Радиус, нм |Перв.потенц.|
| |в периодической |и предвнешнего| |ион., атомов|
| |системе |электр. Слоев | |кДж/моль |
| |элементов | | | |
| | | |атома|иона | |
| | | | |Э+6 | |
|Cr |24 |3s23p63d54s1 |0,127|0,035|653 |
|Mo |42 |4s24p64d55s1 |0,139|0,065|690 |
|W |74 |5s25p65d46s2 |0,140|0,065|770 |
Как видно из данных, приведенных в Таблице 1, в ряду Cr – Mo – W
возрастают потенциалы ионизации, т.е. с увеличением зарядов ядер происходит
уплотнение электронных оболочек их атомов. В особенности сильное при
переходе от молибдена к вольфраму. Хром, молибден и вольфрам относятся к d
– элементам. Имея на внешнем уровне один или два электрона (хром и молибден
– один s – электрон, вольфрам – два s – электрона), рассматриваемые
элементы, в отличии от элементов главной подгруппы VI группы, обладают
преимущественно металлическими свойствами. Сходство между элементами
главной и побочной подгруппы VI группы проявляется только в соединениях с
высшей степенью окисления (6).
В соединениях элементы подгруппы хрома проявляют следующие положительные
степени окисления: Cr – 2, 3, 4 (5), 6; Mo – (2), 3, 4, 5, 6 и W – 2, (3),
4, 5, 6.
Элементы подгруппы хрома проявляют также степени окисления +5, +4, +3,
+2. Но наиболее типичны соединения высшей степени окисления, которые во
многом весьма похожи на соответствующие соединения серы. С водородом
элементы подгруппы хрома соединений не образуют.
С ростом порядкового номера в подгруппе возрастает температура плавления
металлов. Вольфрам плавится при 3390 °С. Это самый тугоплавкий металл.
Поэтому его используют для изготовления нитей в электрических лампочках
накаливания.
Металлы подгруппы хрома в обычных условиях весьма устойчивы к
воздействию воздуха и воды. При нагревании взаимодействуют с кислородом,
галогенами, азотом, фосфором, углем, кремнием и др. Известны их
многочисленные сплавы с другими металлами. Сплавы и сами металлы — весьма
ценные материалы современной техники.
По физическим и химическим свойствам молибден и вольфрам сходны между
собой и несколько отличаются от хрома. Химическая активность металлов в
ряду хром — молибден — вольфрам заметно понижается.
II. Литературный обзор
1. Историческая справка
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. Но друзья
все же сумели уговорить Воклена и, после того как французская Академия наук
по всей форме зарегистрировала его открытие, химики всего мира внесли слово
«хром» в списки известных науке элементов.
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.
2. Распрастранение 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. Хром
обнаружен на Солнце, звездах и в метеоритах.
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. 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.
Хром встречается в виде соединений в различных минералах. Наиболее
распространен минерал хромит, или хромистый железняк FeCr204, богатые
месторождения которого имеются на Урале и в Казахстане.
В 1936 году в Казахстане, в районе Актюбинска, были найдены огромные
залежи хромита — основного промышленного сырья для производства феррохрома.
В годы войны на базе этого месторождения был построен Актюбинский
ферросплавный завод, который впоследствии стал крупнейшим предприятием по
выпуску феррохрома и хрома всех марок.
Богат хромистой рудой и Урал. Здесь расположено большое число
месторождений этого металла: Сарановское, Верблюжьегорское, Алапаевское,
Монетная дача, Халиловское и др. По разведанным запасам хромистых руд
Россия занимает ведущее место в мире.
Руды хрома имеются в Турции, Индии, Новой Каледонии, на Кубе, в Греции,
Югославии, некоторых странах Африки. В то же время такие промышленные
страны, как Англия, Франция, ФРГ, Италия, Швеция, Норвегия, совершенно
лишены хромового сырья, а США и Канада располагают лишь очень бедными
рудами, практически не пригодными для производства феррохрома.
3. Свойства хрома
1. Общие сведения
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).
2. Получение хрома
Металлический хром получают восстановлением оксида хрома (III) при
нагревании с алюминием:
Сr2О3 + 2Аl = Аl2О3 +2Сr
Металлический хром получают также электролизом водных растворов
соединений хрома.
3.3.Физические свойства
Хром - твердый, довольно тяжелый, пластичный, ковкий металл серо-
стального цвета, плавится при 1878(220С, кипит при 24690С. Из металлов он
самый твердый, его плотность 7,19 г/см3, т. пл. 1855 °С. Природный хром
состоит из смеси пяти изотопов с массовыми числами 50, 52, 53, 54 и 56.
Радиоактивные изотопы получены искусственно.
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 объемно-центрированная кубическая.
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 |6,2(10-6 |
|расширения | |
|Удельное электрическое сопротивление |12,7(10-8Ом(м|
|Твердость по Бринеллю |687 МПа |
|Удельная магнитная восприимчивость |+4,45(10-8м/к|
| |г3 |
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 он ведет себя явно «вызывающе» — 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 объяснить эту аномалию.
Даже незначительные примеси делают хром очень хрупким, поэтому в
качестве конструкционного материала его практически не применяют, зато как
легирующий элемент он издавна пользуется у металлургов почетом. Небольшие
добавки его придают стали твердость и износостойкость. Такие свойства
присущи шарикоподшипниковой стали, в состав которой, наряду с хромом (до
1,5%), входит углерод (около 1%). Образующиеся в ней карбиды хрома
отличаются исключительной твердостью — они-то и позволяют металлу уверенно
сопротивляться одному из опаснейших врагов — износу.
По твердости хром превосходит все металлы, он царапает стекло.
4. 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.
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 (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.
На воздухе хром совершенно не изменяется. Поэтому хромом с помощью
электролиза его соединений покрывают — хромируют — стальные изделия для
предохранения их от ржавления и механического износа. Эти же качества хром
придает своим сплавам с железом — хромистым сталям. К ним относится
нержавеющая сталь, содержащая около 12% хрома.
Таблица 2- Основные химические реакции чистого хрома
|Хром реагирует |
|0…600 0С |600…1200 0С |1200…2000 0С |
| с фтором|с галогенами: |С |
| |2Cr0 + 3Cl20 [pic] |кислородом:4Cr|
|2Cr0 + 3F20 = |2Cr+3Cl3- |+ 3O2 [pic] |
|2Cr+3F3- | |2Cr2O3 |
| | | |
| | | |
| | | |
| | |2Cr2O3 |
| | с серой: |2Cr2O3 |
| |2Cr0 + 3S0 [pic] Cr2+2S3-2| |
| |с азотом: | |
| |2Cr0+ N20[pic] 2Cr+3N-3 | |
| |с кремнием: | |
| |4Cr0 + 3Si0 [pic] | |
| |Cr4+3Si3-4 | |
| |с бором | |
| |Cr0 + B0 [pic] Cr+3B-3 | |
| |с углеродом | |
| |4Cr0 + 3С0 [pic]Cr4+3C3-4 | |
| |с кислородом: | |
| |4Cr0 + 3O20 = 2Cr2+3O3-2 | |
| |с серной кислотой: | |
| |2Cr0 + 6H2+SO4-2 = | |
| |Cr2+3(SO4)3-2 + 3S-2O2 | |
| |+6H2O | |
4. Соединения хрома
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[pic] 2Cr2O3 + 3О2
(NH4)2Cr2O7 [pic] Cr2O3 + N2 + 4H2O
4Cr + 3O2 [pic] 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
CrO42-.
CrO3 + 2KOH = K2CrO4 + H2O
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
|
