Хром (Cr) — переходный металл VI группы периодической системы,
обладающий ярко выраженными металлическими свойствами, высокой
твердостью и значительной химической активностью. Атомный номер — 24,
атомная масса — 51,996 г/моль. Металл имеет высокую температуру
плавления (1907 °C) и кипения (2671 °C), обладает хорошей коррозионной
стойкостью за счет образования пассивного оксидного слоя на поверхности.
В природе встречается главным образом в виде минерала хромита
(FeCr₂O₄).
Электронная
конфигурация и окислительные состояния
Электронная конфигурация Cr: [Ar] 3d⁵4s¹, что обуславливает его
способность образовывать соединения с различной валентностью. Наиболее
стабильные окислительные состояния — +2, +3 и +6:
- Cr²⁺ — редкое, нестабильное состояние, склонно к
окислению до Cr³⁺.
- Cr³⁺ — наиболее устойчивое состояние, образует
окрашенные комплексы, малорастворимые гидроксиды.
- Cr⁶⁺ — сильный окислитель, встречается в
соединениях типа хроматов и дихроматов.
Менее распространены состояния +1, +4 и +5, которые наблюдаются в
соединениях с комплексными лигандами или в соединениях нестабильных
промежуточных форм.
Физические свойства
Хром — серо-стальной, блестящий металл с металлическим характером
связи. Отличается высокой твердостью и плотностью (7,19 г/см³), хорошо
проводит тепло и электричество. Поверхность легко полируется, но при
контакте с воздухом покрывается тонкой пассивной оксидной пленкой,
которая защищает металл от дальнейшей коррозии.
Химические свойства
Реакции с неметаллами:
- С кислородом образует Cr₂O₃ и CrO₃ в зависимости от условий
реакции.
- С галогенами образует CrX₃ (X = Cl, Br, I).
- С серой формируются CrS и Cr₂S₃ при высоких температурах.
Реакции с кислотами и основаниями:
- С разбавленными кислотами образует соли Cr²⁺ и выделяет
водород.
- С концентрированными кислотами, особенно H₂SO₄ и HNO₃, проявляет
пассивность из-за образования защитного оксидного слоя.
- В щелочных растворах при нагревании Cr образует хроматы и
гидроксохроматы.
Комплексообразующая способность: Cr³⁺ активно
образует комплексы с анионами и нейтральными лигандами (аммиак, цианиды,
воды), что обуславливает его широкое применение в аналитической химии и
промышленности.
Соединения хрома
Оксиды
- CrO (оксид хрома(II)) — черный, нестойкий, сильный
восстановитель, легко окисляется до Cr₂O₃.
- Cr₂O₃ (оксид хрома(III)) — зеленый, амфотерный,
мало растворим в воде, стабилен при высоких температурах, используется в
качестве пигмента и катализатора.
- CrO₃ (оксид хрома(VI)) — красно-оранжевый, сильно
окисляющий, используется для получения хромовых кислот и в органическом
синтезе для окисления спиртов.
Гидроксиды
- Cr(OH)₂ — серо-зеленый, нестойкий,
восстанавливается до Cr³⁺.
- Cr(OH)₃ — зеленый, амфотерный, растворяется в
кислотах и щелочах, образует комплексные соединения с аммиаком и
цианидами.
- H₂CrO₄ (хромовая кислота) и
H₂Cr₂O₇ (дихромовая кислота) — сильные окислители, в
концентрированном виде вызывают ожоги тканей, устойчивы в кислой
среде.
Соли
- Соли Cr³⁺ — хлориды, сульфаты, нитраты: стабильные,
хорошо растворимые в воде, окрашенные.
- Соли Cr²⁺ — менее устойчивы, склонны к окислению до
Cr³⁺.
- Соли Cr⁶⁺ — хроматы (CrO₄²⁻) и дихроматы (Cr₂O₇²⁻),
окислительные свойства зависят от среды: в щелочной среде более
стабильны хроматы, в кислой — дихроматы.
Комплексные соединения
- [Cr(H₂O)₆]³⁺ — типичный аквакомплекс Cr³⁺, зеленого цвета, стабилен
в растворе.
- [Cr(NH₃)₆]³⁺ — аммиачный комплекс, демонстрирует способность к
лигандообмену и электрофорезу.
- Цианидные комплексы Cr²⁺ и Cr³⁺ — ярко окрашенные, используются в
аналитических методах и для синтеза пигментов.
Применение
Хром и его соединения находят широкое применение:
- В металлургии для производства нержавеющих и инструментальных
сталей.
- В химической промышленности — в виде хромовых кислот и хроматов для
окрашивания, консервации и как катализаторов.
- В производстве пигментов и лака для красок.
- В органическом синтезе как окислитель при превращении спиртов в
кетоны и альдегиды.
Токсичность и экологические
аспекты
Соединения Cr⁶⁺ являются сильными канцерогенами и окислителями. Они
опасны для воды, почвы и живых организмов. Cr³⁺ значительно менее
токсичен, но при попадании в организм может вызывать раздражение кожи и
слизистых. Для промышленной утилизации хромовых отходов применяют методы
восстановительной нейтрализации и осаждения в виде Cr(OH)₃.
Особенности химии хрома
- Широкий диапазон валентностей позволяет хрому участвовать в сложных
редокс-процессах.
- Хром проявляет амфотерные свойства, образуя как кислые, так и
основные соединения.
- В комплексных соединениях устойчив к лигандообмену, что
обуславливает стабильность окрашенных соединений.
- Хромовые соединения активно применяются как индикаторы
окислительно-восстановительных реакций.