Полная схема превращений хрома
Карта превращений
Чтобы выбрать условия превращения соединения хрома, нужно учитывать не только степень окисления хрома, но и среду раствора. Столбцы таблицы показывают степени окисления, а строки — формы, характерные для кислой, нейтральной и щелочной среды.
| Среда | Cr(II) | Cr(III) | Cr(VI) |
|---|---|---|---|
| Кислая среда | Раствор \(\ce{Cr^2+}\) имеет голубую окраску. | Раствор \(\ce{Cr^3+}\) имеет фиолетовую или зелёную окраску. | Раствор \(\ce{Cr2O7^2-}\) имеет оранжевую окраску. |
| Нейтральная среда | Образуется \(\ce{Cr(OH)2}\). | Выпадает серо-зелёный осадок \(\ce{Cr(OH)3}\). | В растворе могут находиться \(\ce{CrO4^2-}\) и \(\ce{Cr2O7^2-}\). |
| Щелочная среда | — | Раствор \(\ce{[Cr(OH)6]^3-}\) имеет изумрудную окраску. | Раствор \(\ce{CrO4^2-}\) имеет жёлтую окраску. |
Среда влияет и на окислительно-восстановительные свойства соединений хрома. В кислоте \(E^\circ(\ce{Cr2O7^2-}/\ce{Cr^3+}) = +1{,}33\) В: дихромат является сильным окислителем, поэтому окислить Cr(III) в такой среде трудно. В щёлочи \(E^\circ(\ce{CrO4^2-}/\ce{Cr(OH)3}) = -0{,}13\) В. Здесь окислительные свойства хромата выражены слабее, зато Cr(III) можно окислить пероксидом водорода или бромом. Различие потенциалов почти в полтора вольта связано с участием ионов \(\ce{H+}\) в восстановлении дихромата и с изменением формы соединений хрома при изменении кислотности.
scienceОкисление хрома(III)
- \(\ce{2Na3[Cr(OH)6] + 3Br2 + 4NaOH -> 2Na2CrO4 + 6NaBr + 8H2O}\) — в щелочной среде бром окисляет хром(III) до хромата.
- \(\ce{2CrCl3 + 3H2O2 + 10NaOH -> 2Na2CrO4 + 6NaCl + 8H2O}\) — пероксид водорода окисляет хром(III) в присутствии избытка щёлочи.
- \(\ce{2Cr^3+ + 3S2O8^2- + 7H2O ->[Ag+] Cr2O7^2- + 6SO4^2- + 14H+}\) — в кислой среде пероксодисульфат окисляет хром(III) в присутствии ионов серебра.
- \(\ce{10Cr^3+ + 6MnO4- + 11H2O ->[t] 5Cr2O7^2- + 6Mn^2+ + 22H+}\) — при нагревании перманганат окисляет хром(III) до дихромата.
boltПроверка цепочки
При выборе реагента сначала установите, меняется ли степень окисления хрома. Если она не меняется, происходит превращение одной формы соединения в другую: например, между \(\ce{CrO4^2-}\) и \(\ce{Cr2O7^2-}\) или между \(\ce{Cr^3+}\), \(\ce{Cr(OH)3}\) и \(\ce{[Cr(OH)6]^3-}\). Если степень окисления меняется, нужна окислительно-восстановительная реакция с подходящим для выбранной среды реагентом. Восстанавливать Cr(VI) сульфитом удобнее в кислоте, однако считать восстановление хромата сульфитом в щёлочи невозможным неверно.
Сплавление и восстановление
Оксид \(\ce{Cr2O3}\) и хромит \(\ce{FeCr2O4}\) нерастворимы. Чтобы получить из них растворимое соединение хрома, проводят окислительное сплавление: при нагревании хром превращается в хромат, а железо в составе хромита — в оксид. В промышленности окислителем служит кислород воздуха, а в лаборатории используют \(\ce{KClO3}\), \(\ce{KNO3}\) или \(\ce{Na2O2}\). При сплавлении с кислородом, \(\ce{KClO3}\) или \(\ce{KNO3}\) добавляют щёлочь либо соду; \(\ce{Na2O2}\) позволяет получить хромат без этих добавок.
Обратное по изменению степени окисления превращение — восстановление Cr(VI) до Cr(III). Его удобно проводить в кислоте с помощью сернистого газа, сульфита или солей железа(II). В щёлочи окислительные свойства хромата слабее; пример его восстановления в такой среде — реакция с сульфидом аммония.
scienceСплавление и восстановление
- \(\ce{Cr2O3 + KClO3 + 2K2CO3 ->[t] 2K2CrO4 + KCl + 2CO2 ^}\) — при сплавлении оксида хрома(III) с хлоратом калия и содой образуется хромат калия.
- \(\ce{Cr2O3 + 3KNO3 + 2K2CO3 ->[t] 2K2CrO4 + 3KNO2 + 2CO2 ^}\) — при сплавлении оксида хрома(III) с нитратом калия и содой также образуется хромат калия.
- \(\ce{2FeCr2O4 + 7Na2O2 ->[t] 4Na2CrO4 + Fe2O3 + 3Na2O}\) — пероксид натрия превращает хром в составе хромита в хромат, а железо — в оксид.
- \(\ce{K2Cr2O7 + 3SO2 + H2SO4 -> Cr2(SO4)3 + K2SO4 + H2O}\) — в кислой среде сернистый газ восстанавливает Cr(VI) до Cr(III).
- \(\ce{2K2CrO4 + 3(NH4)2S + 2H2O -> 2Cr(OH)3 v + 3S v + 6NH3 ^ + 4KOH}\) — сульфид аммония восстанавливает хромат до гидроксида хрома(III).
- \(\ce{Cr2O3 + 2Al ->[t] 2Cr + Al2O3}\) — при нагревании алюминий восстанавливает оксид хрома(III) до металлического хрома.
auto_awesomeХромпик
Технический дихромат натрия или калия называют хромпиком. Его получают окислительным обжигом хромита с содой на воздухе при 1100 °C. Затем хромат выщелачивают водой и подкисляют полученный раствор. Соединения хрома используют для дубления кожи, изготовления пигментов, хромирования и химического синтеза.
Цепочки превращений
Последовательность реакций, в которой продукт одной реакции служит исходным веществом для следующей, называют цепочкой превращений. В олимпиадной задаче она может объединять реакции металла, соединений Cr(II), Cr(III) и Cr(VI):
Для каждого перехода прежде всего определите, изменилась ли степень окисления хрома. Если изменилась, установите окислитель или восстановитель и проверьте, подходит ли среда для реакции. Если не изменилась, сравните заряд частицы, координацию — окружение атома хрома — и степень конденсации, то есть число атомов хрома в частице.
edit_noteРасход реагентов по электронам
Сколько брома нужно, чтобы окислить в щёлочи 0,010 моль \(\ce{Cr^3+}\)? При переходе от Cr(III) к Cr(VI) каждый атом хрома отдаёт три электрона. Поэтому 0,010 моль \(\ce{Cr^3+}\) отдают \(3\cdot0{,}010 = 0{,}030\) моль электронов. Одна молекула \(\ce{Br2}\) принимает два электрона; следовательно, потребуется 0,015 моль брома, или 2,40 г.
boltЦвет как признак превращения
Раствор \(\ce{Cr^2+}\) имеет голубую окраску, а раствор Cr(III) в кислой среде — фиолетовую или зелёную. Раствор \(\ce{[Cr(OH)6]^3-}\) изумрудный, хромат жёлтый, дихромат оранжевый. Красную окраску имеют \(\ce{CrO3}\) и \(\ce{CrO2Cl2}\); \(\ce{CrO5}\) имеет синюю окраску в эфире, а \(\ce{Cr2O3}\) представляет собой зелёный порошок. Если оранжевый раствор позеленел, это указывает на восстановление Cr(VI) до Cr(III).
push_pinГлавное
Металлический Cr переходит в \(\ce{Cr^2+}\), затем в \(\ce{Cr^3+}\); соединения Cr(III) образуют \(\ce{Cr(OH)3}\) и \(\ce{[Cr(OH)6]^3-}\), а при окислении — \(\ce{CrO4^2-}\). При подкислении хромат превращается в \(\ce{Cr2O7^2-}\), из которого получают \(\ce{CrO3}\). Окислять Cr(III) удобно в щёлочи (\(E^\circ(\ce{CrO4^2-}/\ce{Cr(OH)3}) = -0{,}13\) В): для этого используют \(\ce{H2O2}\), \(\ce{Br2}\), \(\ce{Cl2}\) или \(\ce{PbO2}\). В кислоте нужны сильные окислители: \(\ce{S2O8^2-}\) с \(\ce{Ag+}\), \(\ce{NaBiO3}\) или \(\ce{KMnO4}\). Восстанавливать Cr(VI) удобно в кислоте (\(E^\circ = 1{,}33\) В) с помощью \(\ce{SO2}\), \(\ce{H2S}\), \(\ce{Fe^2+}\), \(\ce{I-}\) или спиртов. Нерастворимые \(\ce{Cr2O3}\) и хромит переводят в хромат окислительным сплавлением: окислителями служат \(\ce{KClO3}\), \(\ce{KNO3}\), \(\ce{Na2O2}\) или кислород воздуха, а щёлочь либо соду добавляют при необходимости. Расход реагентов рассчитывают по числу электронов: при переходе между Cr(III) и Cr(VI) каждый атом хрома отдаёт или принимает три электрона.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.