VI группа побочная подгруппа Периодической системы Д. И. Менделеева (хром, молибден, вольфрам)

Оксид хрома (III) Cr2O3 (амфотерный) – твердое вещество темно-зеленого цвета, тугоплавкое, температура плавления его 2265°С. Благодаря своей интенсивной окраске и большой устойчивости к атмосферным влияниям он служит прекрасным материалом для изготовления масляных красок – «хромовой зелени». Оксид Cr2O3 входит также в состав полирующих средств. Его можно получить в условиях лаборатории разложением дихромата аммония:

(NH4)2Cr2O7 = N2 + Cr2O3 + 4H2O – 516.6 кдж/моль

В воде оксид хрома (III) нерастворим. Амфотерная природа его проявляется лишь при сплавлении с соответствующими соединениями.

Cr2O3 + H2SO4 = Cr2(SO4)3 + H2O

Cr2O3 + 2NaOH = Na2CrO4 + H2O

Образуется при нагревании некоторых соединений хрома (VI), например:

4CrO3 = 2Cr2O3 + 3О2

(NH4)2Cr2O7  = Cr2O3 + N2 + 4H2O

4Cr + 3O2 = 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, ядовит. Получают действием избытка концентрированной H2SO4 на насыщенный водный раствор бихромата калия следующим образом. Наливают в стакан или пробирку 3-5 мл насыщенного раствора дихромата калия и приливают по каплям 5-8 мл концентрированной серной кислоты, охлаждая стакан холодной водой:

K2Cr2O7 + 2H2SO4 = 2CrO3 + 2K2SO4 + H2O

Выпадают темно-красные кристаллы оксида хрома (VI). После охлаждения раствора их отфильтровывают на воронке со стеклянным фильтрующим дном или на асбесте.

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 (II) Cr(OH)2 – твердое вещество желтого цвета, проявляет основные свойства, легко вступает в реакцию с кислотами, образуя соответствующие соли. Гидроксид Cr(OH)2 и соли хрома (II) являются сильными восстановителями. Они легко окисляются кислородом воздуха, а при отсутствии окислителя постепенно разлагают воду:

2CrCl2 + 2H2O = 2Cr(OH)Cl2 + H2

Гидроксид хрома (III) Cr(OH)3 – кристаллическое вещество синего цвета, 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  = Cr2O3 + 3H2O

Нерастворим в воде.

Его можно получить действием раствора гидроксида аммония на раствор сульфата хрома (III):

Cr2SO4 + 6NH4OH = 2Cr(OH)3 + 3(NH4)2SO4

4.3 Кислоты

Кислоты хрома, отвечающие его степени окисления +6 и различающиеся соотношением числа молекул CrO3 и 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 CrO3 приводит к кислотам общей формулы nCrO3 H2O при 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.

Хромовая кислота H2CrO4 в свободном состоянии не выделена; существует только в водном растворе, являясь кислотой средней силы. Соли ее называют хроматами. В водном растворе они окрашены в желтый цвет.

Дихромовая кислота H2Cr2O7 известна тоже только в водном растворе, но соли ее (дихроматы) являются обычными хромовыми препаратами и широко используются для получения различных соединений хрома. Большинство дихроматов окрашено в красно-оранжевый цвет.

4.4 Соли

Различают два вида солей: хромиты и хроматы

Хромитами с 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. Это твердые кристаллические вещества. Так, хромат калия K2CrO4 всегда кристаллизуется в виде лимонно-желтых ромбических кристаллов, хорошо растворимых в воде. Соли монохромовой кислоты H2CrO4 называют монохроматами (хроматы) R2CrO4, соли дихромовой кислоты H2Cr2O7 дихроматы (бихроматы) - R2Cr2O7. Монохроматы обычно окрашены в желтый цвет. Они устойчивы только в щелочной среде, а при подкислении превращаются в оранжево-красные дихроматы:

2Na2CrO4 + H2SO4 = Na2Cr2O7 + Na2SO4 + H2O

Дихромат калия K2Cr2O7 образует оранжевые триклинные кристаллы. Растворимость его в воде при обычной температуре мала и возрастает с повышением температуры. Поэтому соль легко очистить перекристаллизацией. В настоящее время дихромат калия получают обменной реакцией, добавляя к раствору дихромата натрия хлорид калия:

Na2Cr2O7 + 2KCl = K2Cr2O7 + 2NaCl

Хромат аммония (NH4)2CrO4 и дихромат аммония (NH4)2Cr2O7 – твердые вещества. Первое – желтого цвета, второе – оранжевого. Они менее устойчивы, чем соответствующие соли калия. При нагревании до 200°С они разлагаются с образованием зеленого оксида хрома (III).

5. Получение

Металлический хром получают восстановлением оксида хрома (III) при нагревании с алюминием:

Сr2О3 + 2Аl = Аl2О3 +2Сr

Металлический хром получают также электролизом водных растворов соединений хрома.

Основная часть добываемой в мире хромистой руды поступает сегодня на ферросплавные заводы, где выплавляются различные сорта феррохрома и металлического хрома.

Впервые феррохром был получен в 1820 году восстановлением смеси окислов железа и хрома древесным углем в тигле. В 1854 году удалось получить чистый металлический хром электролизом водных растворов хлорида хрома. К этому же времени относятся и первые попытки выплавить углеродистый феррохром в доменной печи. В 1865 году был выдан первый патент на хромистую сталь. Потребность в феррохроме начала резко расти.

Важную роль в развитии производства феррохрома сыграл электрический ток, точнее электротермический способ получения металлов и сплавов. В 1893 году французский ученый Муассан выплавил в электропечи углеродистый феррохром, содержащий 60% хрома и 6% углерода.

В дореволюционной России ферросплавное производство развивалось черепашьими темпами. Мизерные количества ферросилиция и ферромарганца выплавляли доменные печи южных заводов. В 1910 году на берегу реки Сатки (Южный Урал) был построен маленький электрометаллургический завод «Пороги», который стал производить феррохром, а затем и ферросилиций. Но об удовлетворении нужд своей промышленности не могло быть и речи: потребность России в ферросплавах приходилось почти полностью покрывать ввозом их из других стран.

6. Применение

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.

Химики используют 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 Al2O3 вводят 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.

6.1 Хромирование

Давно было замечено, что хром не только отличается большой твердостью (в этом отношении у него нет конкурентов среди металлов), но и хорошо сопротивляется окислению на воздухе, не взаимодействует с кислотами. Тонкий слой этого металла попробовали электролитически осаждать на поверхность изделий из других материалов, чтобы предохранить их от коррозии, царапин и прочих «травм». Однако хромовые покрытия оказались пористыми, легко отслаивались и не оправдывали возлагаемых на них надежд.

Почти три четверти века бились ученые над проблемой хромирования, и лишь в 20-х годах прошлого столетия проблема была решена. Причина неудач заключалась в том, что используемый при этом электролит содержал трехвалентный хром, который не мог создать нужное покрытие. А вот его шестивалентному «собрату» такая задача оказалась по плечу. С этого времени в качестве электролита начали применять хромовую кислоту - в ней валентность хрома равна 6. Толщина защитных покрытий (например, на некоторых наружных деталях автомобилей, мотоциклов, велосипедов) составляет до 0,1 миллиметра. Но иногда хромовое покрытие используют в декоративных целях - для отделки часов, дверных ручек и других предметов, не подвергающихся серьезной опасности. В таких случаях на изделие наносят тончайший слой хрома (0,0002-0,0005 миллиметра).

Литовские химики разработали способ создания многослойной «кольчуги» для особо ответственных деталей. Тончайший верхний слой этого покрытия (под микроскопом его поверхность и в самом деле напоминает кольчугу) состоит из хрома: в процессе службы он первым «принимает огонь на себя», но пока хром окисляется, проходят многие годы. Тем временем деталь спокойно несет свою ответственную службу.

Хромированию подвергаются не только металлические детали, но и изделия из пластмасс. Подвергнутый испытаниям широко известный полимер - полистирол, «одетый» в хром, стал прочнее, для него оказались менее страшными такие известные «враги» конструкционных материалов, как истирание, изгиб, удар. Само собой разумеется, возрос срок службы деталей.

Существует и другой способ хромирования - диффузионный, протекающий не в гальванических ваннах, а в печах. Первоначально стальную деталь помещали в порошок хрома и нагревали в восстановительной атмосфере до высоких температур. При этом на поверхности детали появлялся обогащенный хромом слой, по твердости и коррозионной стойкости значительно превосходящий сталь, из которой сделана деталь. Но при температуре примерно 1000°С хромовый порошок спекается и, кроме того, на поверхности покрываемого металла образуются карбиды, препятствующие диффузии хрома в сталь. Пришлось подыскивать другой носитель хрома; вместо порошка для этой цели начали использовать летучие галоидные соли хрома - хлорид или иодид, что позволило снизить температуру процесса. Хлорид (или иодид) хрома получают непосредственно в установке для хромирования, пропуская пары соответствующей галоидоводородной кислоты через порошкообразный хром или феррохром. Образующийся газообразный хлорид обволакивает хромируемое изделие, и поверхностный слой насыщается хромом. Такое покрытие гораздо прочнее связано с основным материалом, чем гальваническое.

6.2 Сплавы

Семейство хромовых сплавов весьма многочисленно.

Основные хромовые сплавы