§ 51. Хром

Определения и обозначения

Хром — химический элемент с порядковым номером 24 и символом Cr. Он находится в 4-м периоде, в 6-й группе периодической системы, и относится к переходным металлам. Положение элемента помогает связать строение его атома с разнообразием соединений. Поэтому при изучении хрома важно учитывать не только его металлические свойства, но и разные степени окисления.

Пассивация — образование на поверхности металла плотной защитной плёнки, замедляющей дальнейшее взаимодействие с реагентами. Плёнка отделяет металл от среды, поэтому реакция может почти прекратиться, хотя сам металл не становится полностью инертным. Это понятие помогает объяснить, почему хром устойчив в некоторых условиях и всё же реагирует в других. Например, пассивация проявляется в концентрированных кислотах.

Хромат — соль, содержащая жёлтый анион CrO₄²⁻; пример такой соли — K₂CrO₄. Заряд и состав аниона позволяют отличить хроматы от других соединений хрома. Жёлтая окраска раствора служит наглядным признаком присутствия хромат-ионов. Эти формулы пригодятся, когда нужно записать превращения соединений хрома в растворе.

Дихромат — соль, содержащая оранжевый анион Cr₂O₇²⁻; пример — K₂Cr₂O₇. В его формуле на два атома хрома приходится семь атомов кислорода, поэтому анион отличается от хромат-иона и по составу, и по заряду на одну формульную частицу. Оранжевую окраску удобно использовать для наблюдения за изменением состава раствора. Хроматы и дихроматы могут переходить друг в друга при изменении кислотности.

Как это устроено

Атом хрома имеет 24 электрона; его электронную конфигурацию записывают как [Ar] 3d⁵ 4s¹. Такая конфигурация отличается от простого ожидаемого порядка заполнения подуровней: один электрон с 4s занимает 3d, что даёт устойчивую наполовину заполненную d-оболочку. При образовании соединений хром может отдавать или участвовать в образовании связей с разным числом электронов. Поэтому для него характерны степени окисления +2, +3 и +6, а свойства соединений заметно различаются.

Твёрдость хрома и его металлический блеск связаны с металлической связью и плотной упаковкой атомов в твёрдом веществе. Устойчивость к коррозии особенно важна для его применения: тонкое хромовое покрытие помогает защитить поверхность изделия и придаёт ей блеск. Плёнка оксида, возникающая на поверхности, затрудняет дальнейшее взаимодействие металла с кислородом и влагой. Поэтому хром используют для защитных и декоративных покрытий, хотя качество защиты зависит от целостности слоя.

При обычных условиях хром сравнительно устойчив, но это не означает, что он не реагирует. В концентрированных азотной и серной кислотах поверхность покрывается плотным слоем, и металл пассивируется. Защитная плёнка замедляет доступ кислоты к свежей поверхности хрома, поэтому реакция практически останавливается. Если условия изменятся или защитный слой будет разрушен, поведение металла может стать другим.

В реакциях с кислородом, галогенами и кислотами хром проявляет свойства металла: он отдаёт электроны и превращается в положительно заряженные ионы. Однако конкретный продукт зависит от реагента и условий, потому что хром способен иметь несколько степеней окисления. Например, с разбавленной соляной кислотой образуется соль хрома(II) и выделяется водород. В других условиях возможно образование соединений с иной степенью окисления, поэтому её нужно проверять по формуле продукта.

Соединения хрома различаются не только составом, но и кислотно-основными свойствами. Оксид Cr₂O₃ амфотерен: он реагирует с кислотами с образованием солей, а со щелочами — с образованием соединений, в которых проявляет кислотные свойства. Хроматы и дихроматы связаны равновесием, которое смещается при изменении кислотности раствора. В кислой среде преобладает оранжевый дихромат, а при добавлении щёлочи равновесие сдвигается к жёлтому хромату.

Степени окисления хрома и свойства его соединений

В таблице сначала найдите степень окисления, затем сопоставьте с ней пример вещества и его признак. Так можно быстро связать состав соединения с окраской и кислотно-основными свойствами. Для перехода хромат ⇄ дихромат учитывайте среду раствора: её изменение смещает равновесие.

Разбор задач

Задача 1. Запишите электронную конфигурацию атома хрома и укажите возможные степени окисления элемента. Решение: сначала используем порядковый номер Cr, равный 24, значит, у нейтрального атома 24 электрона. Затем учитываем особенность заполнения подуровней, из-за которой конфигурация отличается от ожидаемой схемы.

1. Записываем конфигурацию: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁵ 4s¹, или кратко [Ar] 3d⁵ 4s¹.
2. Учитываем, что во внешних и предвнешнем подуровнях есть электроны, способные участвовать в образовании связей.
3. Для хрома указываем характерные степени окисления +2, +3 и +6; их проявление зависит от состава вещества и условий реакции.

Ответ: [Ar] 3d⁵ 4s¹; наиболее характерны степени окисления +2, +3 и +6. Не следует выводить степень окисления только из числа электронов на внешнем уровне: проверяйте её по конкретному соединению.

Задача 2. Составьте уравнение реакции хрома с разбавленной соляной кислотой и определите степень окисления хрома в продукте. Решение: металл вытесняет водород из кислоты, образуя соль. Для составления формулы соли учитываем, что в данных условиях образуется хлорид хрома(II).

1. Записываем схему: Cr + HCl → CrCl₂ + H₂.
2. В CrCl₂ два хлорид-иона имеют суммарный заряд −2, поэтому степень окисления Cr равна +2.
3. Уравниваем число атомов хлора и водорода: Cr + 2HCl → CrCl₂ + H₂. Проверяем, что по обе стороны уравнения по одному атому Cr, два H и два Cl.

Ответ: Cr + 2HCl → CrCl₂ + H₂↑; хром в продукте имеет степень окисления +2. В окислительно-восстановительном процессе Cr отдаёт два электрона, а ионы водорода принимают их и образуют молекулу водорода.

Задача 3. Предложите способ перейти от раствора хромата калия к дихромату калия и запишите ионное уравнение. Решение: переход вызывают подкислением раствора, например добавлением разбавленной кислоты. Ионы H⁺ связывают хромат-ионы в дихромат-ионы, поэтому окраска меняется с жёлтой на оранжевую.

1. Записываем ионную схему превращения хромата в дихромат.
2. Уравниваем число атомов Cr и O: слева нужны два CrO₄²⁻, а справа образуется один Cr₂O₇²⁻ и молекула воды.
3. Добавляем 2H⁺ слева для баланса водорода и проверяем заряды: слева общий заряд −2, справа заряд −2.

Ответ: 2CrO₄²⁻ + 2H⁺ ⇄ Cr₂O₇²⁻ + H₂O. Для получения дихромата к раствору K₂CrO₄ добавляют кислоту; обратный сдвиг в сторону хромата вызывает подщелачивание.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что хром всегда имеет степень окисления +3. Так можно подумать, если запомнить только одно распространённое соединение Cr(III). Но хром образует соединения и со степенями окисления +2 и +6. Проверяйте степень окисления по формуле вещества и зарядам входящих в него частиц.

Ошибка: путать пассивацию с полным отсутствием химической активности. Защитная плёнка лишь замедляет реакцию и образуется при определённых условиях, поэтому выражение «хром вообще не реагирует» неверно. Пассивацию часто принимают за инертность, потому что видимое взаимодействие прекращается. Для проверки назовите условия реакции и выясните, может ли плёнка сохраняться.

Ошибка: считать Cr₂O₃ исключительно основным оксидом. Оксид действительно реагирует с кислотами, но этим его свойства не исчерпываются: он способен реагировать и со щелочами. Это объясняется тем, что Cr₂O₃ амфотерен, то есть проявляет и основные, и кислотные свойства. Проверяйте вывод по реакциям оксида с обоими типами веществ.

Ошибка: путать хромат и дихромат. Похожие названия легко смешать, если не запомнить различия в формулах и окраске: CrO₄²⁻ жёлтый, а Cr₂O₇²⁻ оранжевый. Кроме того, их соотношение меняется с кислотностью раствора. Сверяйте число атомов хрома и заряды анионов, а затем учитывайте, подкислен раствор или подщелочен.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении электронных оболочек и положении элементов в периодической системе: они помогают объяснить образование разных степеней окисления. Понадобятся также умения определять степени окисления, составлять уравнения окислительно-восстановительных реакций и сравнивать кислотно-основные свойства оксидов. Равновесие хроматов и дихроматов связывает тему с химическими равновесиями в растворах. Эти знания пригодятся при изучении переходных металлов, качественных реакций на ионы и применения металлов и их соединений.

Что запомнить

• Символ хрома — Cr, порядковый номер — 24.
• Хром — переходный металл с несколькими характерными степенями окисления.
• В концентрированных азотной и серной кислотах хром пассивируется.
• Оксид Cr₂O₃ обладает амфотерными свойствами.
• Хромат-ион CrO₄²⁻ имеет жёлтую окраску, дихромат-ион Cr₂O₇²⁻ — оранжевую.
• Кислотность среды влияет на соотношение хроматов и дихроматов.