ХРОМНА КИСЕЛИНА: СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ПРОИЗВОДСТВО, ПРИЛОЖЕНИЯ - ХИМИЯ - 2025

На хромна киселина или Н ₂ CRO ₄ е теоретично киселината, свързани с хромен оксид (VI) или хромен СгОз ₃. Това име се дължи на факта, че в кисели водни разтвори на хромов оксид вид H ₂ CrO ₄ присъства заедно с други видове хром (VI).

Хром оксид СгОз ₃ се нарича също безводен хромова киселина. СгОз ₃ е червеникаво-кафяв или пурпурно твърдо вещество, което се получава чрез третиране на разтвори на калиев бихромат K ₂ Cr ₂ O ₇ със сярна киселина H ₂ SO ₄.

Хромен оксид CrO ₃ кристали в тигел. Рандо Тувикене. Източник: Wikipedia Commons.

Водните разтвори на хромов оксид изпитват равновесие на някои химически видове, чиято концентрация зависи от pH на разтвора. В основно рН на хромат йони СгОз ₄ ^2- преобладават, докато в кисела рН йоните HCrO ₄ ^- и дихромат Cr ₂ O ₇ ^2- преобладават. Изчислено е, че при кисело рН присъства и хромна киселина H ₂ CrO ₄.

Поради голямата си окислителна сила, разтворите на хромовата киселина се използват в органичната химия за провеждане на окислителни реакции. Те се използват и в електрохимичните процеси за обработка на метали, така че да придобият устойчивост на корозия и износване.

Някои полимерни материали също се обработват с хромова киселина за подобряване на адхезията им към метали, бои и други вещества.

Разтворите на хромна киселина са силно опасни за хората, повечето животни и околната среда. Поради тази причина течните или твърди отпадъци от процеси, при които се използва хромова киселина, се обработват за отстраняване на следи от хром (VI) или за възстановяване на целия наличен хром и регенериране на хромовата киселина за повторна употреба.

структура

Молекулата на хромовата киселина H ₂ CrO ₄ се образува от хроматния йон CrO ₄ ^2- и два водородни йона Н ^+, прикрепени към нея. В хроматния йон елементът Хром е в състояние на окисляване +6.

Пространствената структура на хроматния йон е тетраедрична, където хромът е в центъра и кислородът заема четирите върха на тетраедъра.

В хромовата киселина водородните атоми са заедно с кислород. От четирите връзки на хром с кислородните атоми, две са двойни, а две са прости, тъй като към тях са прикрепени водородите.

Структура на хромовата киселина H ₂ CrO _4, където се наблюдава тетраедричната форма на хромата и неговите двойни връзки. NEUROtiker. Източник: Wikipedia Commons.

От друга страна, хромен оксид CRO ₃ има хром атом в състояние на 6 окисляване заобиколен от само три кислородни атома.

номенклатура

- Хромна киселина H ₂ CrO ₄

- Tetraoxochromic acid H ₂ CrO ₄

- хром оксид (безводен хромова киселина) CRO ₃

- хромен триоксид (безводен хромова киселина) CRO ₃

Имоти

Физическо състояние

Безводната хромова киселина или хромовият оксид е лилаво до червено кристално твърдо вещество

Молекулно тегло

CrO ₃: 118,01 g / mol

Точка на топене

CrO ₃: 196 ° С

Над неговата точка на топене е термично нестабилен, губи кислород (намалява) за получаване на хром (III) оксид Cr ₂ O ₃. Разлага се при приблизително 250 ° C.

плътност

СгОз ₃: 1.67-2.82 г / см ³

разтворимост

СгОз ₃ е много разтворим във вода: 169 гр / 100 г вода при 25 ° С.

Разтворим е в минерални киселини като сярна и азотна. Разтворим в алкохол.

Други свойства

CrO ₃ е много хигроскопичен, кристалите му са чудесни.

Когато СгОз ₃ се разтваря във вода, образува силно кисели разтвори.

Той е много мощен окислител. Енергично окислява органичната материя в почти всички нейни форми. Атакува плат, кожа и някои пластмаси. Също така атакува повечето метали.

Той е силно отровен и много дразнещ поради високия си окислителен потенциал.

Химия на водни разтвори, в които има хромова киселина

Хромният оксид CrO _{3 се} разтваря бързо във вода. Във воден разтвор, хром (VI) може да съществува под различни йонни форми.

При рН> 6,5 или в алкален разтвор, хромът (VI) придобива хроматния йон във формата на CrO ₄ ^{2 -} жълт на цвят.

Ако рН се понижава (1 <рН <6.5), хром (VI), основно образува HCrO ₄ ^- йон, който може да димеризира с дихромат йон Cr ₂ O ₇ ^2- и оранжевото Разтворът завои. При рН между 2,5 и 5,5 преобладаващите видове са HCrO ₄ ^- и Cr ₂ O ₇ ^2-.

Структура на дихромат йон Cr ₂ O ₇ ^2- който се намира заедно с две натриеви Na ⁺ йони. Capaccio. Източник: Wikipedia Commons.

Балансите, които се получават в тези разтвори при намаляване на рН са следните:

СгОз ₄ ^2- (хромат йон) + Н ⁺ ⇔ HCrO ₄ ^-

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

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

Тези баланси възникват само ако киселината, която се добавя за понижаване на pH е HNO ₃ или HClO ₄, тъй като с други киселини се образуват различни съединения.

Киселините дихроматни разтвори са много силни окислители. Но в алкалните разтвори хроматният йон е много по-малко окисляващ.

Получаване

Според източници консултирани, един от начините за получаване на хромна оксид CRO ₃ е да се добави сярна киселина към воден разтвор на натриев или калиев дихромат, образува червено-оранжева утайка.

Хромов оксид хидрат или хромова киселина. Himstakan. Източник: Wikipedia Commons.

Хромна киселина H ₂ СгОз ₄ е намерена във водни разтвори на хромов окис в кисела среда.

Хромната употреба използва

При окисляване на химични съединения

Поради силната си окислителна способност, хромовата киселина отдавна се използва успешно за окисляване на органични и неорганични съединения.

Измежду многобройните примери са следните: позволява да се окисли първични алкохоли в алдехиди и тези на карбоксилни киселини, вторични алкохоли до кетони, толуен, бензоена киселина, етилбензен до ацетофенон, трифенилметан да triphenylcarbinol, мравчена киселина, CO ₂, оксалова киселина, CO ₂, млечна киселина до ацеталдехид и CO ₂, железен йон Fe ²⁺ до железен йон Fe ³⁺, йодиден йон до йод и др.

Той позволява превръщането на нитрозо-съединенията в нитро-съединения, сулфиди до сулфони. Той участва в синтеза на кетони, започвайки от алкени, тъй като окислява хидроботираните алкени до кетони.

Съединения силно устойчиви на обичайните оксиданти, такива като кислород О ₂ или водороден пероксид H ₂ O ₂, се окисляват от хромова киселина. Такъв е случаят с някои хетероциклични борани.

В процесите на анодизиране на метали

Анодизацията на хромовата киселина е електрохимична обработка, прилагана към алуминия, за да го предпази в продължение на много години от окисляване, корозия и износване.

Процесът на анодизиране включва електрохимичното образуване на слой от алуминиев оксид или алуминиев оксид върху метала. След това този слой се запечатва в гореща вода, с което се постига превръщането в трихидрат на алуминиев оксид.

Запечатаният оксиден слой е дебел, но структурно слаб и не много задоволителен за последващо залепване. Прибавянето на малко количество хромова киселина към уплътняващата вода обаче развива повърхност, която може да образува добри връзки.

Хромната киселина в уплътняващата вода разтваря част от грубата клетъчна структура и оставя тънък, силен, здраво прикрепен слой от алуминиев оксид, към който лепилата се залепват и образуват здрави и трайни връзки.

Анодизацията на хромната киселина се прилага и за титана и неговите сплави.

При обработки с химическа конверсия

Хромната киселина се използва при метални метални покрития чрез химическо превръщане.

По време на този процес металите се потапят в разтвори на хромова киселина. Това реагира и частично разтваря повърхността, докато депозира тънък слой от сложни съединения на хрома, които взаимодействат с основния метал.

Този процес се нарича покритие за преобразуване на хромат или хромиране с конверсия.

Металите, които обикновено са подложени на хромиране с конверсия, са различни видове стомана, като въглеродна стомана, неръждаема стомана и стомана с цинково покритие, както и различни цветни метали, като магнезиеви сплави, калаени сплави, алуминиеви сплави, мед., кадмий, манган и сребро.

Тази обработка осигурява устойчивост на корозия и блясък на метала. Колкото по-високо е рН на процеса, толкова по-голяма е устойчивостта на корозия. Температурата ускорява киселинната реакция.

Могат да се нанасят покрития от различни цветове, като синьо, черно, златисто, жълто и прозрачно. Освен това осигурява по-добро сцепление на металната повърхност с бои и лепила.

В ерозирани или изкопани повърхности

Разтворите на хромна киселина се използват при подготовката на повърхността на предмети, изработени от термопластичен материал, термореактивни полимери и еластомери за последващо покритие с бои или лепила.

H ₂ CrO _{4 оказва} влияние върху химията на повърхността и нейната структура, тъй като спомага за увеличаване на нейната грапавост. Комбинацията от копаене и окисляване увеличава проникването на лепилата и дори може да причини промени в свойствата на полимера.

Използва се за ерозиране на разклонен полиетилен с ниска плътност, линеен полиетилен с висока плътност и полипропилен.

Той се използва широко в галванопластиковата или галванопластиковата промишленост за улесняване на адхезията на метал-полимер.

При различни приложения

Хромната киселина се използва като консервант за дърво, също в магнитни материали и за катализа на химични реакции.

Възстановяване на хромовата киселина

Има много процеси, които използват хромова киселина и генерират потоци или остатъци, които съдържат хром (III), които не могат да бъдат изхвърлени, тъй като имат хром (VI) йони, които са много токсични, нито могат да бъдат използвани повторно, тъй като концентрацията на хроматните йони е много ниска.

Изхвърлянето им изисква химическото редуциране на хроматите до хром (III), последвано от утаяване на хидроксида и филтрация, което генерира допълнителни разходи.

Поради тази причина са изучени различни методи за отстраняване и възстановяване на хромати. Ето някои от тях.

Чрез използване на смоли

Йоннообменните смоли се използват от много години за обработка на вода, замърсена с хромати. Това е едно от леченията, одобрени от Агенцията за опазване на околната среда на САЩ или EPA (Агенция за опазване на околната среда).

Този метод позволява възстановяването на концентрирана хромова киселина, тъй като тя се регенерира отново от смолата.

Смолите могат да бъдат на силна или слаба основа. В силно основни смоли хроматът може да бъде отстранен, тъй като йони HCrO ₄ ^- и Cr ₂ O ₇ ^2- се обменят с йони OH ^- и Cl ^-. В слабо основни смоли, например сулфатни, йоните се обменят с SO ₄ ^{2 -}.

В случай на силно основни R- (OH) смоли, общите реакции са както следва:

2ROH + HCrO ₄ ^- + Н ⁺ ⇔ R ₂ СгОз ₄ + 2Н ₂ О

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

За всеки мол от R ₂ СгОз ₄ превръща, един мол Cr (VI) се отстранява от разтвора, което прави този метод много привлекателна.

След отстраняване на хроматите, смолата се обработва със силно алкален разтвор, за да ги регенерира на безопасно място. След това хроматите се превръщат в концентрирана хромова киселина, за да се използват повторно.

Чрез електрохимична регенерация

Друг метод е електрохимичната регенерация на хромовата киселина, която също е много удобна алтернатива. Хромът (III) се анодично окислява до хром (VI) чрез тази процедура. Анодният материал в тези случаи е за предпочитане оловен диоксид.

Използване на микроорганизми за почистване на отпадни води със следи от хромова киселина

Метод, който е изследван и все още се проучва, е използването на микроорганизми, естествено присъстващи в някои отпадни води, замърсени с шествалентни хромови йони, които се съдържат в разтвори на хромова киселина.

Отводни вещества, вредни за околната среда. Автор: OpenClipart-Vectors. Източник: Pixabay

Такъв е случаят с някои бактерии, присъстващи в отпадъчните води от дъбене на кожа. Тези микроби са изследвани и е установено, че те са устойчиви на хромати и също така са способни да редуцират хром (VI) до хром (III), което е много по-малко вредно за околната среда и живите същества.

По тази причина се изчислява, че те могат да се използват като екологично чист метод за възстановяване и детоксикация на отпадъчните води, замърсени със следи от хромова киселина.

Опасности за хромната киселина и хромния оксид

CrO ₃ не е запалим, но може да засили изгарянето на други вещества. Много от техните реакции могат да причинят пожар или експлозия.

Разтворите на CrO ₃ и на хромовата киселина са мощни дразнители за кожата (могат да причинят дерматит), очите (могат да изгорят) и лигавиците (могат да причинят бронхоазма) и могат да причинят така наречените „хромни дупки“ в дихателната система., Хромните (VI) съединения като хромова киселина и хромен оксид са силно токсични, мутагенни и канцерогенни за повечето живи същества.

Препратки

1. Котън, Ф. Алберт и Уилкинсън, Джефри. (1980 г.). Разширена неорганична химия. Четвърто издание. John Wiley & Sons.
2. Национална медицинска библиотека на САЩ. (2019). Хромова киселина. Възстановени от: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
3. Wegman, RF и Van Twisk, J. (2013). Алуминий и алуминиеви сплави. 2.5. Процес на анодизиране на хромна киселина. В техниките за подготовка на повърхността за залепване (второ издание). Възстановени от sciencedirect.com.
4. Wegman, RF и Van Twisk, J. (2013). Магнезият. 6.4. Получаване на магнезиеви и магнезиеви сплави по процесите на обработка с хромна киселина. В техниките за подготовка на повърхността за залепване (второ издание). Възстановени от sciencedirect.com.
5. Grot, W. (2011). Приложения. 5.1.8. Регенерация на хромна киселина. Във флуорирани йономери (второ издание). Възстановени от sciencedirect.com.
6. Swift, KG и Booker, JD (2013). Повърхностни процеси. 9.7. Хромиране. Наръчник за избор на производствени процеси. Възстановени от sciencedirect.com.
7. Poulsson, AHC et al. (2019). Техники за модификация на повърхността на PEEK, включително обработка на повърхностна плазма. 11.3.2.1. Повърхностно офорт. В Наръчник за биоматериали PEEK (второ издание). Възстановени от sciencedirect.com.
8. Westheimer, FH (1949). Механизмите на окисленията на хромовата киселина. Химически прегледи 1949, 45, 3, 419-451. Възстановено от pubs.acs.org.
9. Tan, HKS (1999). Премахване на хромната киселина чрез анионна борса. Канадското списание за химическо инженерство, том 77, февруари 1999 г. Извлечено от onlinelibrary.wiley.com.
10. Kabir, MM et al. (2018). Изолиране и характеризиране на хром (VI) -редуциращи бактерии от кожени отпадни води и твърди отпадъци. Световно списание за микробиология и биотехнологии (2018) 34: 126. Възстановени от ncbi.nlm.nih.gov.