Анализ хромсодержащего материала

9 заданий

Путь хрома в анализе

Хром в хромите, стали, хромовом дубителе и шламе гальваники находится в разных формах. Чтобы определить его содержание, материал сначала переводят в раствор, затем приводят весь хром к одной степени окисления и проводят титрование. Этот порядок сохраняется независимо от того, в какой форме требуется представить результат анализа.

Перевод в раствор. Хромит трудно разложить кислотами, поэтому его сплавляют с пероксидом натрия. Сталь растворяют в смеси кислот.
Перевод в одну степень окисления. Весь хром приводят к Cr(VI). В кислой среде хром окисляют персульфатом аммония в присутствии катализатора \(\ce{Ag+}\), а в щелочной среде для окисления используют пероксид водорода или натрия. Избыток окислителя разрушают кипячением: иначе он вступит в реакцию с \(\ce{Fe^2+}\) и исказит результат титрования.
Титрование. Содержание хрома определяют по количеству \(\ce{Fe^2+}\), которое расходуется на восстановление дихромат-иона.

scienceРеакции анализа

\(\ce{2FeCr2O4 + 7Na2O2 ->[t] 4Na2CrO4 + Fe2O3 + 3Na2O}\) — при сплавлении хромита с пероксидом натрия образуется хромат натрия.
\(\ce{2Cr^3+ + 3S2O8^2- + 7H2O ->[Ag+] Cr2O7^2- + 6SO4^2- + 14H+}\) — в кислой среде персульфат окисляет хром(III) до хрома(VI).
\(\ce{2S2O8^2- + 2H2O ->[кипячение] 4SO4^2- + O2 ^ + 4H+}\) — при кипячении избыток персульфата разлагается.
\(\ce{Cr2O7^2- + 6Fe^2+ + 14H+ -> 2Cr^3+ + 6Fe^3+ + 7H2O}\) — дихромат-ион окисляет ионы железа(II) до железа(III).
\(\ce{MnO4- + 5Fe^2+ + 8H+ -> Mn^2+ + 5Fe^3+ + 4H2O}\) — при обратном титровании перманганат окисляет оставшиеся ионы железа(II).

boltФорма представления результата

Результат анализа выражают в указанной в задаче форме: как содержание хрома, \(\ce{Cr2O3}\) или \(\ce{K2Cr2O7}\). Для пересчёта сначала находят количество хрома, а затем количество нужного соединения. Например, \(w(\ce{Cr2O3}) = w(\ce{Cr})\cdot\dfrac{151{,}99}{2\cdot52{,}00}\). Геологи обычно указывают содержание в пересчёте на \(\ce{Cr2O3}\), а металлурги указывают содержание Cr.

Обратное титрование

При прямом титровании раствор соли Мора добавляют к раствору дихромата. Однако образующийся зелёный Cr(III) иногда мешает заметить изменение окраски индикатора. В таком случае применяют обратное титрование: к дихромату добавляют точно известное количество соли Мора с избытком, а оставшийся \(\ce{Fe^2+}\) титруют перманганатом. Разность между добавленным и оставшимся количеством \(\ce{Fe^2+}\) показывает, сколько ионов железа(II) прореагировало с хромом:

\[n(\ce{Fe^2+})_\text{на хром} = c_1V_1 - 5c_2V_2, \qquad n(\ce{Cr}) = \dfrac{n(\ce{Fe^2+})_\text{на хром}}{3}.\]

Множитель 5 следует из уравнения реакции перманганата с \(\ce{Fe^2+}\). На один атом хрома расходуются три иона \(\ce{Fe^2+}\), поэтому найденное количество делят на 3.

edit_noteОбратное титрование

К раствору добавили 50,00 мл 0,1000 М \(\ce{Fe^2+}\), то есть 5,000 ммоль. На титрование оставшегося \(\ce{Fe^2+}\) израсходовали 10,00 мл 0,0200 М \(\ce{KMnO4}\). Этому количеству перманганата соответствует \(5\cdot0{,}200 = 1{,}000\) ммоль \(\ce{Fe^2+}\). Следовательно, с хромом прореагировали 4,000 ммоль \(\ce{Fe^2+}\); количество хрома составляет 1,333 ммоль Cr (69,3 мг).

errorДве частые ошибки

При пересчёте количества перманганата на количество \(\ce{Fe^2+}\) забывают множитель 5.
Количество \(\ce{Fe^2+}\) делят на 6 вместо 3: шесть ионов железа(II) приходятся на один дихромат-ион, но три — на один атом хрома. Проверяйте, количество какой частицы вы рассчитываете и сколько электронов она принимает.

Иодометрия дихромата

Дихромат можно определить также методом иодометрии. Для этого в кислой среде к нему добавляют избыток иодида: дихромат окисляет иодид до иода. Выделившийся иод титруют тиосульфатом, используя крахмал для определения окончания титрования:

\[\ce{Cr2O7^2- + 6I- + 14H+ -> 2Cr^3+ + 3I2 + 7H2O}, \qquad \ce{I2 + 2S2O3^2- -> 2I- + S4O6^2-}.\]

Из уравнений реакций следует, что одному \(\ce{Cr2O7^2-}\) соответствуют три \(\ce{I2}\) и шесть \(\ce{S2O3^2-}\). Поскольку реакция дихромата с иодидом идёт не мгновенно, перед титрованием раствор выдерживают 5 минут в темноте.

Эти же реакции позволяют установить концентрацию раствора тиосульфата по точной навеске \(\ce{K2Cr2O7}\). В таком анализе дихромат служит первичным стандартом — веществом, точное количество которого берут для определения концентрации другого раствора.

auto_awesomeХром в гальванике

Хромирование ведут из растворов \(\ce{CrO3}\) в серной кислоте. На катоде Cr(VI) восстанавливается до металла; на каждый атом хрома приходится шесть электронов. Выход по току составляет лишь 10–20 %, поскольку остальная часть тока расходуется на выделение водорода. Отработанные растворы и промывные воды обезвреживают: хром восстанавливают до Cr(III) сульфитом или \(\ce{FeSO4}\), а затем осаждают в виде \(\ce{Cr(OH)3}\).

boltПроверка ответа

Чистота реактива не может превышать 100 %. Если расчёт дал 196 %, проверьте, не разделили ли вы на 3 вместо 6 при определении количества дихромат-иона. Значение 49 % само по себе возможно, но при проверке расчёта стоит выяснить, не появился ли в нём лишний множитель 2.

push_pinГлавное

Анализ начинают с перевода материала в раствор: хромит сплавляют с \(\ce{Na2O2}\), а сталь растворяют в кислотах. Затем весь хром приводят к Cr(VI) персульфатом в присутствии \(\ce{Ag+}\) в кислой среде или пероксидом в щелочной; избыток окислителя разрушают кипячением. Содержание хрома определяют прямым титрованием солью Мора, обратным титрованием с избытком \(\ce{Fe^2+}\) и последующим титрованием этого избытка перманганатом либо иодометрически, используя соотношение \(\ce{Cr2O7^2- -> 3I2 -> 6S2O3^2-}\). При восстановлении Cr(VI) до Cr(III) один атом хрома принимает три электрона, а дихромат-ион — шесть. Результат можно выразить в пересчёте на соединение или на элемент: \(w(\ce{Cr}) = w(\ce{Cr2O3})\cdot\dfrac{104{,}0}{151{,}99}\).

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.