ХРОМНА КИСЛОТА: СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ, ВИРОБНИЦТВО, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Хромової кислоти або Н ₂ CrO ₄ теоретично кислота пов'язана з оксидом хрому (VI) або оксид хрому CrO ₃ . Ця назва пояснюється тим, що в кислих водних розчинах оксиду хрому вид H ₂ CrO ₄ присутній разом з іншими видами хрому (VI).

Оксид хрому CrO ₃ також називають безводною хромовою кислотою. CrO ₃ - червоно-коричневе або фіолетове тверда речовина, отримане обробкою розчинів дихромату калію K ₂ Cr ₂ O ₇ сірчаною кислотою H ₂ SO ₄ .

Кристали хрому оксиду CrO ₃ в тиглі. Рандо Тувікене. Джерело: Wikipedia Commons.

Водні розчини оксиду хрому мають рівновагу певних хімічних видів, концентрація яких залежить від рН розчину. При основному рН переважають іони хромату CrO ₄ ^2- , а при кислотному рН переважають іони HCrO ₄ ^- і дихромат Cr ₂ O ₇ ^2- . Підраховано, що при кислотному рН також присутня хромова кислота H ₂ CrO ₄ .

Завдяки великій окислювальній здатності розчини хромової кислоти використовуються в органічній хімії для проведення реакцій окислення. Вони також використовуються в електрохімічних процесах для обробки металів, щоб вони набули стійкості до корозії та зносу.

Деякі полімерні матеріали також обробляються хромовою кислотою для поліпшення їх адгезії до металів, фарб та інших речовин.

Розчини хромової кислоти є дуже небезпечними для людини, більшості тварин та навколишнього середовища. З цієї причини рідкі або тверді відходи від процесів, де використовується хромова кислота, обробляються для видалення слідів хрому (VI) або для відновлення всього хрому, що присутній, та регенерації хромової кислоти для повторного використання.

Будова

Молекула хромової кислоти H ₂ CrO ₄ утворена хроматним іоном CrO ₄ ^2- та двома іонами водню H ^+, приєднаними до неї. У іоні хромату елемент Хром знаходиться в стані окислення +6.

Просторова структура хроматного іона є тетраедричною, де хром знаходиться в центрі, а кисень займає чотири вершини тетраедра.

У хромовій кислоті кожен атом водню є разом з киснем. З чотирьох зв’язків хрому з атомами кисню два подвійні, а два прості, оскільки до них приєднані гідрогени.

Структура хромової кислоти H ₂ CrO _4, де спостерігається чотиригранна форма хромату та його подвійні зв’язки. NEUROtiker. Джерело: Wikipedia Commons.

З іншого боку, оксид хрому CrO ₃ має атом хрому в стані окислення +6, оточений лише трьома атомами кисню.

Номенклатура

- Хромна кислота H ₂ CrO ₄

- тетрааксохромна кислота H ₂ CrO ₄

- Оксид хрому (безводна хромова кислота) CrO ₃

- Тріоксид хрому (безводна хромова кислота) CrO ₃

Властивості

Фізичний стан

Безводна хромова кислота або хромовий оксид - це фіолетовий до червоного кристалічного твердого речовини

Молекулярна маса

CrO ₃ : 118,01 г / моль

Точка плавлення

CrO ₃ : 196 ºC

Над температурою плавлення він термічно нестабільний, він втрачає кисень (знижується), отримуючи оксид хрому (III) Cr ₂ O ₃ . Розкладається при температурі приблизно 250 ° C.

Щільність

CrO ₃ : 1,67-2,82 г / см ³

Розчинність

CrO ₃ дуже розчинний у воді: 169 г / 100 г води при температурі 25 ° С.

Він розчинний у мінеральних кислотах, таких як сірчана та азотна. Розчинний у спирті.

Інші властивості

CrO ₃ дуже гігроскопічний, його кристали є чудовими.

Коли CrO ₃ розчиняється у воді, він утворює сильнокислі розчини.

Це дуже потужний окислювач. Енергійно окислює органічну речовину майже у всіх її формах. Нападає на тканину, шкіру та деякі пластики. Також атакує більшість металів.

Він сильно отруйний і дуже дратівливий завдяки високому окислювальному потенціалу.

Хімія водних розчинів, де присутня хромова кислота

Оксид хрому CrO ₃ швидко розчиняється у воді. У водному розчині хром (VI) може існувати в різних іонних формах.

При рН> 6,5 або в лужному розчині хром (VI) набуває іона хромату CrO ₄ ^{2 -} жовтого кольору.

Якщо рН знижений (1 <рН <6,5), хром (VI) переважно утворює іон HCrO ₄ ^- , який може димерізуватися до іона дихромату Cr ₂ O ₇ ^2- , і розчин стає помаранчевим. При рН між 2,5 і 5,5 переважаючими видами є HCrO ₄ ^- і Cr ₂ O ₇ ^2- .

Структура дихромат-іона Cr ₂ O ₇ ^2-, який знаходиться разом з двома іонами натрію Na ⁺ . Капаччо. Джерело: Wikipedia Commons.

Баланси, які виникають у цих розчинах при зниженні pH, такі:

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

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

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

Ці рівноваги виникають лише в тому випадку, якщо кислота, яка додається для зниження рН, є HNO ₃ або HClO ₄ , оскільки з іншими кислотами утворюються різні сполуки.

Кислотні розчини дихромату є дуже сильними окислювачами. Але в лужних розчинах іон хромату значно менше окислюється.

Отримання

За даними джерел, що консультуються, один із способів отримання хромового оксиду CrO ₃ полягає у додаванні сірчаної кислоти до водного розчину натрію або калію дихромату, утворюючи червоно-оранжевий осад.

Гідрат оксиду хрому або хромова кислота. Хімстакан. Джерело: Wikipedia Commons.

Хромна кислота H ₂ CrO ₄ міститься у водних розчинах оксиду хрому в кислому середовищі.

Використовує хромову кислоту

При окисленні хімічних сполук

Завдяки сильній окислювальній здатності хромову кислоту вже давно успішно використовують для окислення органічних та неорганічних сполук.

Серед незліченних прикладів можна навести такі: це дозволяє окислювати первинні спирти до альдегідів, а також до карбонових кислот, вторинні спирти до кетонів, толуолу до бензойної кислоти, етилбензолу до ацетофенону, трифенілметану до трифенілкарбінолу, мурашиної кислоти до CO ₂ , щавлевої кислоти до CO ₂ , молочна кислота до ацетальдегіду та CO ₂ , іон залізних Fe ²⁺ до іона заліза Fe ³⁺ , йод йоду до йоду тощо.

Він дозволяє перетворити нітрозосполуки в нітросполуки, сульфіди до сульфонів. Він бере участь у синтезі кетонів, починаючи від алкенів, оскільки окислює гідроборовані алкени до кетонів.

Сполуки, що відрізняються високою стійкістю до звичайних окислювачів, такі як кисень O ₂ або перекис водню H ₂ O ₂ , окислюються хромовою кислотою. Це стосується певних гетероциклічних борів.

У процесах анодування металів

Анодування хромовою кислотою - це електрохімічна обробка, що застосовується до алюмінію, щоб захистити його протягом багатьох років від окислення, корозії та зносу.

Процес анодування включає електрохімічне утворення шару оксиду алюмінію або глинозему на металі. Потім цей шар герметизують у гарячій воді, завдяки чому досягається перетворення в тригідрат оксиду алюмінію.

Герметичний оксидний шар товстий, але структурно слабкий і не дуже задовільний для подальшого склеювання клеєм. Однак додавання невеликої кількості хромової кислоти у воду для ущільнення розвиває поверхню, яка може утворювати хороші зв’язки.

Хромова кислота в ущільнювальній воді розчиняє частину грубої клітинної структури і залишає тонкий, міцний, міцно прикріплений шар оксиду алюмінію, до якого клеїться клей і утворює міцні і міцні зв’язки.

Анодування хромової кислоти стосується також титану та його сплавів.

У хімічній конверсії

Хромна кислота використовується в процесах металевого покриття шляхом хімічної конверсії.

Під час цього процесу метали занурюються в розчини хромової кислоти. Це реагує і частково розчиняє поверхню, осаджуючи при цьому тонкий шар складних сполук хрому, які взаємодіють з основним металом.

Цей процес називається хроматовим конверсійним покриттям або конверсійним хромуванням.

Метали, які, як правило, піддаються хромуванню з конверсією, - це різні типи сталі, такі як вуглецева сталь, нержавіюча сталь і оцинкована сталь, а також різні кольорові метали, такі як сплави магнію, сплави олова, алюмінієві сплави, мідь. , кадмій, марганець та срібло.

Ця обробка забезпечує стійкість до корозії та блиску металу. Чим вище рН процесу, тим більша стійкість до корозії. Температура прискорює кислотну реакцію.

Можна наносити покриття різних кольорів, наприклад, синього, чорного, золотого, жовтого та прозорого. Це також забезпечує кращу адгезію поверхні металу до фарб та клеїв.

В еродованих або безконечних поверхнях

Розчини хромової кислоти застосовуються при підготовці поверхні предметів з термопластичного матеріалу, термореактивних полімерів та еластомерів для подальшого покриття фарбами або клеями.

H ₂ CrO ₄ впливає на хімію поверхні та її структуру, оскільки сприяє підвищенню її шорсткості. Поєднання піттингу та окислення збільшує проникнення клеїв і навіть може спричинити зміни властивостей полімеру.

Він використовувався для ерозії розгалуженого поліетилену низької щільності, лінійного поліетилену високої щільності та поліпропілену.

Він широко застосовується в гальванічній або гальванічній промисловості для полегшення адгезії металополімерів.

У різних сферах використання

Хромна кислота використовується як консервант деревини, також в магнітних матеріалах і для каталізу хімічних реакцій.

Відновлення хромової кислоти

Існує багато процесів, які використовують хромову кислоту і генерують потоки або залишки, які містять хром (III), які не можуть бути утилізовані, оскільки в них є іони хрому (VI), які є дуже токсичними, і їх не можна повторно використовувати, оскільки концентрація хроматних іонів дуже низька.

Їх утилізація потребує хімічного відновлення хроматів до хрому (III) з подальшим осадженням гідроксиду та фільтрацією, що спричиняє додаткові витрати.

З цієї причини були вивчені різні методи видалення та відновлення хроматів. Ось деякі з них.

За допомогою смол

Іонообмінні смоли вже багато років використовуються для очищення води, забрудненої хроматами. Це одна з процедур, затверджених Агентством охорони навколишнього природного середовища США або EPA (Агенцією з охорони навколишнього середовища).

Цей спосіб дозволяє відновити концентровану хромову кислоту в міру її регенерації зі смоли.

Смоли можуть мати сильну або слабку основу. У сильноосновних смолах хромат може бути видалений, оскільки іони HCrO ₄ ^- і Cr ₂ O ₇ ^2- обмінюються з іонами OH ^- і Cl ^- . У слабоосновних смолах, наприклад сульфатних, іони обмінюються з SO ₄ ^{2 -} .

У випадку сильно основних R- (OH) смол загальні реакції такі:

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 кожен моль конвертованого R ₂ CrO ₄ з розчину видаляється один моль Cr (VI), що робить цей спосіб дуже привабливим.

Після видалення хроматів смолу обробляють сильно лужним розчином, щоб регенерувати їх у безпечному місці. Потім хромати перетворюються на концентровану хромову кислоту для повторного використання.

Через електрохімічну регенерацію

Інший метод - електрохімічна регенерація хромової кислоти, що також є дуже зручною альтернативою. Хром (III) анодно окислюється до хрому (VI) за цією процедурою. Анодним матеріалом у цих випадках переважно є діоксид свинцю.

Використання мікроорганізмів для очищення стоків зі слідами хромової кислоти

Метод, який досліджувався і ще вивчається, - це використання мікроорганізмів, природних присутніх у певних стоках, забруднених шестивалентними іонами хрому, які містяться в розчинах хромової кислоти.

Стоки, шкідливі для навколишнього середовища. Автор: OpenClipart-Vectors. Джерело: Pixabay.

Так відбувається у випадку певних бактерій, наявних у шкіряних стічних водах. Ці мікроби були вивчені, і було встановлено, що вони стійкі до хроматів, а також здатні зменшувати хром (VI) до хрому (III), що значно менш шкідливий для навколишнього середовища та живих істот.

З цієї причини підраховано, що їх можна використовувати як екологічно чистий метод для очищення та детоксикації стоків, забруднених слідами хромової кислоти.

Небезпеки хромової кислоти та оксиду хрому

CrO ₃ не горючий, але може посилити горіння інших речовин. Багато їх реакцій можуть спричинити пожежу чи вибух.

Розчини CrO ₃ і хромової кислоти є потужними подразниками шкіри (можуть спричинити дерматит), очей (можуть горіти) та слизових оболонок (можуть спричинити бронхоазму) і можуть викликати так звані «отвори хрому» в дихальній системі. .

Такі сполуки хрому (VI), як хромова кислота та оксид хрому, є сильно токсичними, мутагенними та канцерогенними для більшості живих істот.

Список літератури

1. Коттон, Ф. Альберт і Вілкінсон, Джеффрі. (1980). Розширена неорганічна хімія. Четверте видання. Джон Вілі та сини.
2. Національна медична бібліотека США. (2019). Хромова кислота. Відновлено з: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
3. Вегман, РФ та Ван Твіск, Дж. (2013). Алюміній та алюмінієві сплави. 2.5. Процес анодування хромової кислоти. Методи підготовки поверхні для склеювання клеїв (Друге видання). Відновлено з sciencedirect.com.
4. Вегман, РФ та Ван Твіск, Дж. (2013). Магній. 6.4. Приготування сплавів магнію та магнію методами обробки хромовою кислотою. Методи підготовки поверхні для склеювання клеїв (Друге видання). Відновлено з sciencedirect.com.
5. Grot, W. (2011). Програми. 5.1.8. Регенерація хромової кислоти. У фторованих іономерах (друге видання). Відновлено з sciencedirect.com.
6. Свіфт, KG та Букер, JD (2013). Поверхові інженерні процеси. 9.7. Хромування. Підручник з вибору виробничих процесів. Відновлено з sciencedirect.com.
7. Poulsson, AHC та ін. (2019). Методи модифікації поверхні PEEK, включаючи обробку поверхні плазмою. 11.3.2.1. Травлення поверхні У підручнику з біоматеріалів PEEK (друге видання). Відновлено з sciencedirect.com.
8. Westheimer, FH (1949). Механізми окислення хромової кислоти. Хімічні огляди 1949, 45, 3, 419-451. Відновлено з pubs.acs.org.
9. Tan, HKS (1999). Видалення хромової кислоти аніонним обміном. Канадський журнал хімічної інженерії, том 77, лютий 1999 р. Отримано з сайту onlinelibrary.wiley.com.
10. Кабір, М.М. та ін. (2018). Виділення та характеристика бактерій, що зменшують хром (VI), від шкіряних стоків та твердих відходів. Всесвітній журнал мікробіології та біотехнологій (2018) 34: 126. Відновлено з ncbi.nlm.nih.gov.