ХРОМОВАЯ КИСЛОТА: СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА, ПРОИЗВОДСТВО, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2025

Хромовой кислоты или Н ₂ CrO ₄ теоретически кислота связана с оксидом хрома (VI) или оксид хрома CrO ₃ . Это название связано с тем, что в кислых водных растворах оксида хрома разновидность H ₂ CrO ₄ присутствует вместе с другими разновидностями хрома (VI).

Оксид хрома CrO ₃ также называют безводной хромовой кислотой. CrO ₃ представляет собой красновато-коричневое или пурпурное твердое вещество, которое получают обработкой растворов дихромата калия K ₂ Cr ₂ O ₇ серной кислотой H ₂ SO ₄ .

Кристаллы оксида хрома CrO ₃ в тигле. Рандо Тувикене. Источник: Wikipedia Commons.

В водных растворах оксида хрома наблюдается равновесие определенных химических веществ, концентрация которых зависит от pH раствора. При щелочном pH преобладают ионы хромата CrO ₄ ^2- , а при кислом pH - ионы HCrO ₄ ^- и дихромат Cr ₂ O ₇ ^2- . По оценкам, при кислом pH также присутствует хромовая кислота H ₂ CrO ₄ .

Из-за большой окислительной способности растворы хромовой кислоты используются в органической химии для проведения реакций окисления. Они также используются в электрохимических процессах для обработки металлов, чтобы они приобрели устойчивость к коррозии и износу.

Некоторые полимерные материалы также обрабатывают хромовой кислотой для улучшения их адгезии к металлам, краскам и другим веществам.

Растворы хромовой кислоты очень опасны для человека, большинства животных и окружающей среды. По этой причине жидкие или твердые отходы процессов, в которых используется хромовая кислота, обрабатываются для удаления следов хрома (VI) или для восстановления всего присутствующего хрома и регенерации хромовой кислоты для повторного использования.

Структура

Молекула хромовой кислоты H ₂ CrO ₄ образована хромат-ионом CrO ₄ ^2- и двумя присоединенными к нему ионами водорода H ⁺ . В хромат-ионе элемент Хром находится в степени окисления +6.

Пространственная структура хромат-иона тетраэдрическая, где хром находится в центре, а кислород занимает четыре вершины тетраэдра.

В хромовой кислоте каждый атом водорода находится вместе с кислородом. Из четырех связей хрома с атомами кислорода две двойные и две простые, так как к ним присоединены атомы водорода.

Структура хромовой кислоты H ₂ CrO _{4, в} которой наблюдается тетраэдрическая форма хромата и его двойные связи. NEUROtiker. Источник: Wikipedia Commons.

С другой стороны, оксид хрома CrO ₃ имеет атом хрома в степени окисления +6, окруженный только тремя атомами кислорода.

Номенклатура

- Хромовая кислота H ₂ CrO ₄

- Тетраоксохромная кислота H ₂ CrO ₄

- Оксид хрома (хромовая кислота безводная) CrO ₃

- Триоксид хрома (безводная хромовая кислота) CrO ₃

свойства

Физическое состояние

Безводная хромовая кислота или оксид хрома - это кристаллическое твердое вещество от пурпурного до красного цвета.

Молекулярный вес

CrO ₃ : 118,01 г / моль

Температура плавления

CrO ₃ : 196 ºC

Выше температуры плавления он термически нестабилен, он теряет кислород (восстанавливается) с образованием хрома (III) Cr ₂ O ₃ . Он разлагается примерно при 250 ° C.

плотность

CrO ₃ : 1,67-2,82 г / см ³

Растворимость

CrO ₃ хорошо растворяется в воде: 169 г / 100 г воды при 25 ºC.

Он растворим в минеральных кислотах, таких как серная и азотная. Растворим в спирте.

Другие свойства

CrO ₃ очень гигроскопичен, его кристаллы расплываются.

Когда CrO ₃ растворяется в воде, он образует сильнокислые растворы.

Это очень мощный окислитель. Активно окисляет органические вещества практически во всех их формах. Агрессивно в отношении ткани, кожи и некоторых пластиков. Также атакует большинство металлов.

Он очень ядовит и очень раздражает из-за высокого окислительного потенциала.

Химия водных растворов, в которых присутствует хромовая кислота

Оксид хрома CrO ₃ быстро растворяется в воде. В водном растворе хром (VI) может существовать в различных ионных формах.

При pH> 6,5 или в щелочном растворе хром (VI) приобретает форму хромат-иона CrO ₄ ^{2 -} желтого цвета.

Если pH понижен (1 <pH <6.5), хром (VI) в основном образует ион HCrO ₄ ^- , который может димеризоваться до дихромат-иона Cr ₂ O ₇ ^2- , и раствор становится оранжевым. При pH от 2,5 до 5,5 преобладающими видами являются HCrO ₄ ^- и Cr ₂ O ₇ ^2- .

Структура дихромат-иона Cr ₂ O ₇ ^2-, который находится вместе с двумя ионами натрия Na ⁺ . Капаччио. Источник: Wikipedia Commons.

Балансы, возникающие в этих растворах при снижении pH, следующие:

CrO ₄ ^2- (хромат-ион) + H ⁺ ⇔ HCrO ₄ ^-

HCrO ₄ ^- + H ⁺ ⇔ H ₂ CrO ₄ (хромовая кислота)

2HCrO ₄ ^- ⇔ Cr ₂ O ₇ ^2- (дихромат-ион) + H ₂ O

Этот баланс возникает только в том случае, если кислота, добавляемая для понижения pH, представляет собой HNO ₃ или HClO ₄ , потому что с другими кислотами образуются другие соединения.

Кислые дихроматные растворы - очень сильные окислители. Но в щелочных растворах хромат-ион гораздо менее окисляет.

получение

Согласно источникам, к которым обращались за консультацией, один из способов получения оксида хрома CrO ₃ состоит в добавлении серной кислоты к водному раствору дихромата натрия или калия с образованием красно-оранжевого осадка.

Гидрат оксида хрома или хромовая кислота. Himstakan. Источник: Wikipedia Commons.

Хромовая кислота H ₂ CrO ₄ находится в водных растворах оксида хрома в кислой среде.

Хромовая кислота использует

При окислении химических соединений

Благодаря своей сильной окислительной способности хромовая кислота уже давно успешно используется для окисления органических и неорганических соединений.

Среди бесчисленных примеров можно выделить следующие: он позволяет окислять первичные спирты до альдегидов и их до карбоновых кислот, вторичных спиртов до кетонов, толуола до бензойной кислоты, этилбензола до ацетофенона, трифенилметана до трифенилкарбинола, муравьиной кислоты до CO ₂ , щавелевой кислоты до CO ₂ , от молочной кислоты до ацетальдегида и CO ₂ , от иона двухвалентного железа Fe ²⁺ до иона трехвалентного железа Fe ³⁺ , от иодид-иона до йода и т. д.

Он позволяет превращать нитрозосоединения в нитросоединения, сульфиды в сульфоны. Он участвует в синтезе кетонов, начиная с алкенов, так как окисляет гидроборированные алкены до кетонов.

Соединения, обладающие высокой устойчивостью к обычным окислителям, таким как кислород O ₂ или перекись водорода H ₂ O ₂ , окисляются хромовой кислотой. Так обстоит дело с некоторыми гетероциклическими боранами.

В процессах анодирования металлов

Анодирование хромовой кислотой - это электрохимическая обработка алюминия для защиты его на многие годы от окисления, коррозии и износа.

Процесс анодирования включает электрохимическое образование слоя оксида алюминия или оксида алюминия на металле. Затем этот слой запаивают в горячей воде, с которой достигается превращение в тригидрат оксида алюминия.

Герметичный оксидный слой толстый, но структурно слабый и не очень подходит для последующего склеивания. Однако добавление небольшого количества хромовой кислоты в герметизирующую воду приводит к образованию поверхности, которая может образовывать хорошие связи.

Хромовая кислота в герметизирующей воде растворяет часть крупноячеистой структуры и оставляет тонкий, прочный, прочно прикрепленный слой оксида алюминия, с которым адгезивы прилипают и образуют прочные и прочные связи.

Анодирование хромовой кислотой также применяется к титану и его сплавам.

При химической конверсии

Хромовая кислота используется в процессах нанесения покрытий на металл путем химического превращения.

Во время этого процесса металлы погружаются в растворы хромовой кислоты. Это реагирует и частично растворяет поверхность, осаждая тонкий слой сложных соединений хрома, которые взаимодействуют с основным металлом.

Этот процесс называется конверсионным хромированием или конверсионным хромированием.

Металлы, которые обычно подвергаются конверсионному хромированию, представляют собой различные типы стали, такие как углеродистая сталь, нержавеющая сталь и сталь с цинковым покрытием, а также различные цветные металлы, такие как сплавы магния, сплавы олова, алюминиевые сплавы, медь. , кадмий, марганец и серебро.

Эта обработка обеспечивает устойчивость к коррозии и блеск металла. Чем выше pH процесса, тем выше устойчивость к коррозии. Температура ускоряет кислотную реакцию.

Могут применяться покрытия различных цветов, такие как синий, черный, золотой, желтый и прозрачный. Он также обеспечивает лучшую адгезию металлической поверхности к краскам и клеям.

На эродированных или изъеденных поверхностях

Растворы хромовой кислоты используются при подготовке поверхности предметов из термопласта, термореактивных полимеров и эластомеров для последующего покрытия красками или клеями.

H ₂ CrO ₄ влияет на химический состав поверхности и ее структуру, так как способствует увеличению ее шероховатости. Комбинация точечной коррозии и окисления увеличивает проникновение адгезивов и может даже вызвать изменения свойств полимера.

Он использовался для разрушения разветвленного полиэтилена низкой плотности, линейного полиэтилена высокой плотности и полипропилена.

Он широко используется в гальванической или гальванической промышленности для облегчения адгезии металла к полимеру.

В различных применениях

Хромовая кислота используется в качестве консерванта для древесины, а также в магнитных материалах и для катализа химических реакций.

Восстановление хромовой кислоты

Существует множество процессов, в которых используется хромовая кислота и образуются потоки или остатки, содержащие хром (III), который нельзя утилизировать, потому что они содержат ионы хрома (VI), которые очень токсичны, и их нельзя повторно использовать из-за очень низкой концентрации хромат-ионов.

Их удаление требует химического восстановления хроматов до хрома (III) с последующим осаждением гидроксида и фильтрацией, что влечет за собой дополнительные расходы.

По этой причине были изучены различные методы удаления и восстановления хроматов. Вот некоторые из них.

Используя смолы

Ионообменные смолы уже много лет используются для очистки воды, загрязненной хроматами. Это одна из обработок, одобренных Агентством по охране окружающей среды США или EPA (Агентство по охране окружающей среды).

Этот метод позволяет извлекать концентрированную хромовую кислоту, поскольку она снова регенерируется из смолы.

Смолы могут иметь сильную или слабую основу. В сильноосновных смолах хромат может быть удален, поскольку ионы HCrO ₄ ^- и Cr ₂ O ₇ ² - обмениваются на ионы OH ^- и Cl ^- . В слабоосновных смолах, например сульфатных, ионы обмениваются на SO ₄ ^{2 -} .

В случае сильноосновных смол R- (OH) общие реакции следующие:

2ROH + HCrO ₄ ^- + H ⁺ ⇔ R ₂ CrO ₄ + 2H ₂ O

R ₂ CrO ₄ + 2HCrO ₄ ^- ⇔ 2RHCrO ₄ + CrO ₄ ^2-

R ₂ CrO ₄ + HCrO ₄ ^- + H ⁺ ⇔ R ₂ Cr ₂ O ₇ + H ₂ O

На каждый моль превращенного R ₂ CrO ₄ из раствора удаляется один моль Cr (VI), что делает этот метод очень привлекательным.

После удаления хроматов смолу обрабатывают сильнощелочным раствором, чтобы регенерировать их в безопасном месте. Затем хроматы превращаются в концентрированную хромовую кислоту для повторного использования.

За счет электрохимической регенерации

Другой метод - электрохимическая регенерация хромовой кислоты, которая также является очень удобной альтернативой. Хром (III) анодно окисляется до хрома (VI) по этой методике. В качестве материала анода в этих случаях предпочтительно использовать диоксид свинца.

Использование микроорганизмов для очистки сточных вод со следами хромовой кислоты

Метод, который был исследован и все еще изучается, заключается в использовании микроорганизмов, естественным образом присутствующих в определенных сточных водах, загрязненных ионами шестивалентного хрома, которые содержатся в растворах хромовой кислоты.

Сточные воды вредны для окружающей среды. Автор: OpenClipart-Vectors. Источник: Pixabay.

Таковы некоторые бактерии, присутствующие в сточных водах при дублении кожи. Эти микробы были изучены, и было определено, что они устойчивы к хроматам, а также способны восстанавливать хром (VI) до хрома (III), который гораздо менее вреден для окружающей среды и живых существ.

По этой причине считается, что они могут быть использованы в качестве экологически безопасного метода очистки и детоксикации сточных вод, загрязненных следами хромовой кислоты.

Опасности для хромовой кислоты и оксида хрома

CrO ₃ не горюч, но может усилить горение других веществ. Многие из их реакций могут вызвать пожар или взрыв.

Растворы CrO ₃ и хромовой кислоты являются сильнодействующими раздражителями для кожи (могут вызывать дерматит), глаз (могут вызывать ожоги) и слизистых оболочек (могут вызывать бронхоазму) и могут вызывать так называемые «хромовые дыры» в дыхательной системе. ,

Соединения хрома (VI), такие как хромовая кислота и оксид хрома, очень токсичны, мутагены и канцерогены для большинства живых существ.

Ссылки

1. Коттон, Ф. Альберт и Уилкинсон, Джеффри. (1980). Продвинутая неорганическая химия. Четвертое издание. Джон Вили и сыновья.
2. Национальная медицинская библиотека США. (2019). Хромовая кислота. Получено с: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
3. Вегман, Р.Ф. и Ван Твиск, Дж. (2013). Алюминий и алюминиевые сплавы. 2.5. Процесс анодирования хромовой кислотой. В методах подготовки поверхности для склеивания (второе издание). Восстановлено с sciencedirect.com.
4. Вегман, Р.Ф. и Ван Твиск, Дж. (2013). Магний. 6.4. Получение магния и магниевых сплавов процессами обработки хромовой кислотой. В методах подготовки поверхности для склеивания (второе издание). Восстановлено с sciencedirect.com.
5. Грот, В. (2011). Приложения. 5.1.8. Регенерация хромовой кислоты. Во фторированных иономерах (второе издание). Восстановлено с sciencedirect.com.
6. Свифт, К.Г. и Букер, Д.Д. (2013). Поверхностные инженерные процессы. 9,7. Хромирования. В Справочнике по выбору производственного процесса. Восстановлено с sciencedirect.com.
7. Поулссон, AHC et al. (2019). Методы модификации поверхности PEEK, включая плазменную обработку поверхности. 11.3.2.1. Поверхностное травление. В Справочнике по биоматериалам PEEK (второе издание). Восстановлено с sciencedirect.com.
8. Вестхаймер, FH (1949). Механизмы окисления хромовой кислоты. Химические обзоры 1949 г., 45, 3, 419-451. Восстановлено с pubs.acs.org.
9. Тан, HKS (1999). Удаление хромовой кислоты анионным обменом. Канадский журнал химической инженерии, том 77, февраль 1999 г. Получено с onlinelibrary.wiley.com.
10. Кабир, М.М. и др. (2018). Выделение и характеристика бактерий, восстанавливающих хром (VI), из сточных вод кожевенных заводов и твердых отходов. Всемирный журнал микробиологии и биотехнологии (2018) 34: 126. Восстановлено с ncbi.nlm.nih.gov.