"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Хром — переходный металл с атомным номером 24, характерными степенями окисления +2, +3 и +6. Его свойства связаны с электронной конфигурацией [Ar]3d⁵4s¹: хром образует разные соединения, от основного CrO до кислотного CrO₃. Металл устойчив благодаря пассивированию, а его хроматы и дихроматы используют для изучения равновесий, окрашенных ионов и окислительно-восстановительных реакций.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Хром — химический элемент с атомным номером 24, обозначается Cr. Он находится в 4-м периоде, 6-й группе, d-блоке Периодической системы; атом содержит 24 протона и 24 электрона. Это положение помогает связать свойства элемента со строением его внешних электронных подуровней.
Пассивирование — образование на поверхности металла плотной защитной плёнки, которая затрудняет дальнейшее взаимодействие с реагентами. Для хрома такая плёнка объясняет устойчивость в некоторых окислительных средах. Пассивирование не уничтожает химическую активность металла полностью, а только резко замедляет реакцию.
Хроматы — соли хромовой кислоты, содержащие жёлтый ион CrO₄²⁻. В нём хром имеет степень окисления +6: x − 8 = −2, поэтому x = +6. Хроматы важны как окрашенные соединения и как форма существования Cr(VI) в щелочной среде.
Дихроматы — соли дихромовой кислоты с оранжевым ионом Cr₂O₇²⁻. Степень окисления хрома здесь также равна +6. Хроматы и дихроматы переходят друг в друга при изменении кислотности раствора, поэтому их окраска позволяет наблюдать химическое равновесие.
Хром расположен в 4-м периоде и 6-й группе, потому что его атом имеет четыре электронных слоя и d-электроны переходного элемента. Конфигурация хрома — [Ar]3d⁵4s¹, а не ожидаемая [Ar]3d⁴4s²: наполовину заполненный 3d-подуровень оказывается более устойчивым. При образовании соединений могут участвовать электроны 4s и 3d, поэтому появляются разные степени окисления, особенно +2, +3 и +6.
Хром — твёрдый металл с металлическим блеском, высокой прочностью и электропроводностью. При обычной температуре реакциям мешает прочная поверхность металла и защитная плёнка. При нагревании частицы получают больше энергии, защитный слой разрушается или становится менее эффективным, поэтому хром реагирует с кислородом и другими неметаллами активнее.
Пассивирование особенно заметно в концентрированной азотной кислоте и других окислительных условиях. На поверхности формируется плотный слой соединений хрома, через который плохо проходят кислота и окислитель. В непассивирующих условиях, например при действии разбавленной соляной кислоты, хром может окисляться до Cr²⁺ и выделять водород; значит, пассивность зависит от среды.
Соединения хрома разных степеней окисления заметно различаются. CrO, где хром имеет степень окисления +2, проявляет основные свойства, Cr₂O₃ с Cr(III) амфотерен, а CrO₃ с Cr(VI) является кислотным оксидом и сильным окислителем. Рост степени окисления обычно усиливает кислотный и окислительный характер оксида.
В воде хроматно-дихроматное равновесие записывают так: Cr₂O₇²⁻ + H₂O ⇄ 2CrO₄²⁻ + 2H⁺. Добавление кислоты увеличивает концентрацию H⁺ и смещает равновесие влево, к оранжевому дихромату. Добавление щёлочи связывает H⁺ в воду и смещает равновесие вправо, поэтому усиливается жёлтая окраска хромата.
В таблице удобно сопоставлять степень окисления, свойства, окраску и типичные превращения соединений. При анализе сначала определяйте степень окисления хрома, затем связывайте её с кислотно-основными и окислительно-восстановительными свойствами. Окраска особенно полезна для различения хромата и дихромата в растворе.
| Вещество или частица | Степень окисления Cr | Характерные свойства | Цвет или признак | Характерные превращения |
|---|---|---|---|---|
| Хром Cr | 0 | Твёрдый металл, восстановитель при взаимодействии с кислотами и неметаллами | Серебристо-белый металлический блеск | Cr + 2HCl → CrCl₂ + H₂; пассивирование |
| Оксид хрома(II) CrO | +2 | Основный оксид, реагирует с кислотами | Тёмный оксид | CrO + 2HCl → CrCl₂ + H₂O |
| Оксид хрома(III) Cr₂O₃ | +3 | Амфотерный, устойчивый оксид | Зелёный | Реагирует с кислотами и сильными щелочами |
| Оксид хрома(VI) CrO₃ | +6 | Кислотный оксид, сильный окислитель | Тёмно-красные кристаллы | CrO₃ + H₂O → H₂CrO₄; восстанавливается до Cr³⁺ |
| Ион хромата CrO₄²⁻ | +6 | Форма Cr(VI) в щелочной среде | Жёлтый | 2CrO₄²⁻ + 4H⁺ ⇄ Cr₂O₇²⁻ + 2H₂O |
| Ион дихромата Cr₂O₇²⁻ | +6 | Сильный окислитель в кислой среде | Оранжевый | Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O |
Условие: запишите электронную конфигурацию атома хрома и определите степени окисления Cr в CrO, Cr₂O₃ и K₂Cr₂O₇. Нужно учитывать особую конфигурацию атома и использовать сумму степеней окисления в нейтральном соединении.
Ответ: конфигурация [Ar]3d⁵4s¹; степени окисления равны +2, +3 и +6 соответственно. Расчёт показывает, почему один элемент образует соединения с разными свойствами.
Условие: составьте уравнение реакции хрома с разбавленной соляной кислотой и объясните затруднение реакции с концентрированной азотной кислотой. В реакции с неокисляющей кислотой металл вытесняет водород, а азотная кислота создаёт пассивирующую среду.
Ответ: с разбавленной HCl реакция идёт с выделением водорода. Концентрированная HNO₃ обычно пассивирует хром, поэтому при обычных условиях видимое взаимодействие резко замедляется.
Условие: в кислую среду добавили дихромат калия и восстановитель. Требуется записать восстановление Cr₂O₇²⁻ до Cr³⁺ и определить изменение окраски раствора.
Ответ: сокращённое ионное уравнение приведено выше; окраска меняется с оранжевой на зелёную. Точный оттенок Cr³⁺ может зависеть от состава раствора и лигандов.
Ошибка 1. Записывать для хрома [Ar]3d⁴4s² по простому заполнению орбиталей. Так делают, не учитывая повышенную устойчивость наполовину заполненного 3d⁵-подуровня. Проверка: для нейтрального атома должно быть 24 электрона, а правильная запись — [Ar]3d⁵4s¹.
Ошибка 2. Считать пассивирование полным отсутствием химической активности. Плёнка только замедляет реакцию и может разрушаться при изменении условий. Проверяйте, какая кислота действует и является ли среда окислительной.
Ошибка 3. Называть Cr₂O₃ только основным оксидом. Его амфотерность означает способность реагировать и с кислотами, и с сильными щелочами. Если свойство зависит от реагента, перед ответом нужно проверить, не проявляет ли оксид двойственный характер.
Ошибка 4. Путать хромат с дихроматом или приписывать им разные степени окисления. В CrO₄²⁻ и Cr₂O₇²⁻ хром имеет +6, а различие связано с составом и кислотностью среды. Проверяйте степень окисления расчётом и запоминайте цвета: хромат жёлтый, дихромат оранжевый.
Для понимания хрома нужны знания об электронных конфигурациях переходных элементов и правилах определения степеней окисления. Электроны d-подуровня объясняют разнообразие соединений и переменную валентность металла.
При изучении восстановления дихромата применяются правила составления окислительно-восстановительных реакций. Кислая среда добавляет ионы H⁺ и воду в полуреакции, поэтому без учёта среды уравнение нельзя правильно уравнять.
Тема связана с амфотерными соединениями и качественными реакциями на ионы. Она пригодится при изучении других переходных металлов, равновесий в растворах и окислителей.
Почему электронная конфигурация хрома отличается от ожидаемой?
По простому правилу можно ожидать конфигурацию [Ar]3d⁴4s². Однако состояние 3d⁵4s¹ энергетически выгоднее: наполовину заполненный d-подуровень отличается повышенной устойчивостью.
Почему хром устойчив к действию некоторых кислот?
В концентрированной азотной кислоте и других окислительных средах хром пассивируется. На его поверхности образуется плотная плёнка, которая резко замедляет дальнейшее взаимодействие металла с кислотой.
Какие степени окисления наиболее характерны для хрома?
Наиболее характерны степени окисления +2, +3 и +6. Им соответствуют, например, CrO, Cr₂O₃ и соединения с ионами CrO₄²⁻ или Cr₂O₇²⁻.
Чем отличаются хроматы от дихроматов?
Хроматы содержат жёлтый ион CrO₄²⁻, а дихроматы — оранжевый ион Cr₂O₇²⁻. В обоих ионах хром имеет степень окисления +6, а соотношение форм определяется кислотностью раствора.
Как определить, в какую сторону смещается равновесие хромат—дихромат?
В кислой среде равновесие смещается к дихромату, поэтому раствор становится оранжевым. При добавлении щёлочи и связывании ионов H⁺ преобладает хромат, окраска становится жёлтой.
§ 22. Хром
