KWAS CHROMOWY: BUDOWA, WŁAŚCIWOŚCI, PRODUKCJA, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2026

Kwas chromowy lub H ₂ CrO ₄ teoretycznie kwas wiąże się z tlenku chromu (VI) lub tlenku chromu CrO ₃ . Nazwa ta wynika z faktu, że w kwaśnych wodnych roztworach tlenku chromu gatunek H ₂ CrO ₄ występuje razem z innymi gatunkami chromu (VI).

Tlenek chromu CrO ₃ nazywany jest również bezwodnym kwasem chromowym. CrO ₃ to czerwonawo-brązowe lub fioletowe ciało stałe, które jest otrzymywane przez traktowanie roztworów dwuchromianu potasu K ₂ Cr ₂ O ₇ kwasem siarkowym H ₂ SO ₄ .

Kryształy tlenku chromu CrO ₃ w tyglu. Rando Tuvikene. Źródło: Wikipedia Commons.

Wodne roztwory tlenku chromu osiągają równowagę pewnych związków chemicznych, których stężenie zależy od pH roztworu. Przy pH zasadowym dominują jony chromianowe CrO ₄ ^2- , natomiast przy pH kwaśnym przeważają jony HCrO ₄ ^- i dichromian Cr ₂ O ₇ ² . Szacuje się, że przy kwaśnym pH występuje również kwas chromowy H ₂ CrO ₄ .

Ze względu na dużą siłę utleniającą roztwory kwasu chromowego są wykorzystywane w chemii organicznej do przeprowadzania reakcji utleniania. Są również wykorzystywane w procesach elektrochemicznych do obróbki metali, dzięki czemu uzyskują odporność na korozję i zużycie.

Niektóre materiały polimerowe są również traktowane kwasem chromowym, aby poprawić ich przyczepność do metali, farb i innych substancji.

Roztwory kwasu chromowego są bardzo niebezpieczne dla ludzi, większości zwierząt i środowiska. Z tego powodu płynne lub stałe odpady z procesów, w których stosowany jest kwas chromowy, są poddawane obróbce w celu usunięcia śladów chromu (VI) lub w celu odzyskania całego obecnego chromu i regeneracji kwasu chromowego do ponownego użycia.

Struktura

Cząsteczka kwasu chromowego H ₂ CrO ₄ jest utworzona przez jon chromianowy CrO ₄ ^2- i przyłączone do niego dwa jony wodorowe H ⁺ . W jonie chromianowym pierwiastek Chrom jest na stopniu utlenienia +6.

Przestrzenna struktura jonu chromianowego jest tetraedryczna, w której chrom znajduje się w środku, a tlen zajmuje cztery wierzchołki czworościanu.

W kwasie chromowym każdy atom wodoru zawiera tlen. Z czterech wiązań chromu z atomami tlenu dwa są podwójne, a dwa proste, ponieważ mają one przyłączone atomy wodoru.

Struktura kwasu chromowego H ₂ CrO _{4, w} którym obserwuje się tetraedryczną postać chromianu i jego podwójne wiązania. NEUROtiker. Źródło: Wikipedia Commons.

Z drugiej strony, tlenek chromu CrO ₃ ma atom chromu na +6 stopniu utlenienia otoczony tylko trzema atomami tlenu.

Nomenklatura

- Kwas chromowy H ₂ CrO ₄

- Kwas tetraoksochromowy H ₂ CrO ₄

- Tlenek chromu (bezwodny kwas chromowy) CrO ₃

- Trójtlenek chromu (bezwodny kwas chromowy) CrO ₃

Nieruchomości

Stan fizyczny

Bezwodny kwas chromowy lub tlenek chromu to krystaliczna substancja stała od fioletowej do czerwonej

Waga molekularna

CrO ₃ : 118,01 g / mol

Temperatura topnienia

CrO ₃ : 196 ° C

Powyżej temperatury topnienia jest niestabilny termicznie, traci tlen (jest redukowany) dając tlenek chromu (III) Cr ₂ O ₃ . Rozkłada się w temperaturze około 250 ° C.

Gęstość

CrO ₃ : 1.67-2.82 g / cm ³

Rozpuszczalność

CrO ₃ jest bardzo dobrze rozpuszczalny w wodzie: 169 g / 100 g wody o temperaturze 25 ºC.

Jest rozpuszczalny w kwasach mineralnych, takich jak siarkowy i azotowy. Rozpuszczalny w alkoholu.

Inne właściwości

CrO ₃ jest bardzo higroskopijny, jego kryształy rozpływają się.

Rozpuszczając się w wodzie CrO ₃ tworzy silnie kwaśne roztwory.

To bardzo silny utleniacz. Energicznie utlenia materię organiczną prawie we wszystkich jej formach. Działa niszcząco na tkaniny, skórę i niektóre tworzywa sztuczne. Atakuje również większość metali.

Jest silnie trujący i bardzo drażniący ze względu na wysoki potencjał utleniający.

Chemia wodnych roztworów zawierających kwas chromowy

Tlenek chromu CrO ₃ szybko rozpuszcza się w wodzie. W roztworze wodnym chrom (VI) może występować w różnych formach jonowych.

Przy pH> 6,5 lub w roztworze alkalicznym chrom (VI) nabiera jonu chromianowego w postaci CrO ₄ ^{2 -} koloru żółtego.

Jeśli pH jest obniżone (1 <pH <6,5), chrom (VI) tworzy głównie jon HCrO ₄ ^- , który może dimeryzować do jonu dichromianowego Cr ₂ O ₇ ^2- , a roztwór zmienia kolor na pomarańczowy. Przy pH między 2,5 a 5,5 dominującymi gatunkami są HCrO ₄ ^- i Cr ₂ O ₇ ^2- .

Struktura jonu dichromianowego Cr ₂ O ₇ ^2-, który występuje razem z dwoma jonami sodu Na ⁺ . Capaccio. Źródło: Wikipedia Commons.

Bilanse, które występują w tych roztworach wraz ze spadkiem pH, są następujące:

CrO ₄ ^2- (jon chromianowy) + H ⁺ ⇔ HCrO ₄ ^-

HCrO ₄ ^- + H ⁺ ⇔ H ₂ CrO ₄ (kwas chromowy)

2HCrO ₄ ^- ⇔ Cr ₂ O ₇ ^2- (jon dwuchromianowy) + H ₂ O

Równowagi te występują tylko wtedy, gdy kwas dodawany w celu obniżenia pH to HNO ₃ lub HClO ₄ , ponieważ z innymi kwasami powstają różne związki.

Kwaśne roztwory dichromianu są bardzo silnymi utleniaczami. Ale w roztworach alkalicznych jon chromianowy jest znacznie mniej utleniający.

Otrzymywanie

Według konsultowanych źródeł, jednym ze sposobów otrzymywania tlenku chromu CrO ₃ jest dodanie kwasu siarkowego do wodnego roztworu dichromianu sodu lub potasu, w wyniku czego powstaje czerwono-pomarańczowy osad.

Wodzian tlenku chromu lub kwas chromowy. Himstakan. Źródło: Wikipedia Commons.

Kwas chromowy H ₂ CrO ₄ znajduje się w wodnych roztworach tlenku chromu w środowisku kwaśnym.

Zastosowania kwasu chromowego

W utlenianiu związków chemicznych

Ze względu na swoje silne właściwości utleniające kwas chromowy od dawna jest z powodzeniem stosowany do utleniania związków organicznych i nieorganicznych.

Wśród liczne przykłady są następujące: pozwala utlenienia pierwszorzędowych alkoholi do aldehydów i ich kwasy karboksylowe, drugorzędowych alkoholi do ketonów, toluen, kwas benzoesowy, etylobenzen do acetofenonu trifenylometanu do triphenylcarbinol, kwasu mrówkowego, CO ₂ , kwas szczawiowy z CO ₂ , kwas mlekowy do aldehydu octowego i CO ₂ , jon żelazawy Fe ²⁺ do jonu żelazowego Fe ³⁺ , jon jodkowy do jodu itp.

Pozwala na konwersję związków nitrozowych do nitrozwiązków, siarczków w sulfony. Bierze udział w syntezie ketonów począwszy od alkenów, gdyż utlenia hydroborowane alkeny do ketonów.

Związki wysoce odporne na zwykłe utleniacze, takie jak tlen O ₂ lub nadtlenek wodoru H ₂ O ₂ , są utleniane kwasem chromowym. Dzieje się tak w przypadku niektórych heterocyklicznych boranów.

W procesach anodowania metali

Anodowanie w kwasie chromowym to elektrochemiczna obróbka aluminium w celu ochrony go przez wiele lat przed utlenianiem, korozją i zużyciem.

Proces anodowania polega na elektrochemicznym tworzeniu warstwy tlenku glinu lub tlenku glinu na metalu. Warstwa ta jest następnie uszczelniana w gorącej wodzie, dzięki czemu uzyskuje się konwersję do trójwodzianu tlenku glinu.

Uszczelniona warstwa tlenku jest gruba, ale strukturalnie słaba i niezbyt zadowalająca do późniejszego sklejania. Jednak dodanie niewielkiej ilości kwasu chromowego do wody uszczelniającej tworzy powierzchnię, która może tworzyć dobre połączenia.

Kwas chromowy w wodzie uszczelniającej rozpuszcza część gruboziarnistej struktury przypominającej komórki i pozostawia cienką, mocną, mocno przylegającą warstwę tlenku glinu, do której kleje przylegają i tworzą mocne i trwałe połączenia.

Anodowanie w kwasie chromowym dotyczy również tytanu i jego stopów.

W procesach konwersji chemicznej

Kwas chromowy jest stosowany w procesach powlekania metali metodą konwersji chemicznej.

Podczas tego procesu metale zanurza się w roztworach kwasu chromowego. To reaguje i częściowo rozpuszcza powierzchnię, osadzając cienką warstwę złożonych związków chromu, które oddziałują z metalem podstawowym.

Proces ten nazywany jest chromianowaniem konwersyjnym lub chromianowaniem konwersyjnym.

Metale, które są zwykle poddawane chromowaniu konwersyjnemu, to różne rodzaje stali, takie jak stal węglowa, stal nierdzewna i stal ocynkowana, oraz różne metale nieżelazne, takie jak stopy magnezu, stopy cyny, stopy aluminium, miedź. , kadm, mangan i srebro.

Ta obróbka zapewnia odporność na korozję i połysk metalu. Im wyższe pH procesu, tym większa odporność na korozję. Temperatura przyspiesza reakcję kwaśną.

Można nakładać powłoki w różnych kolorach, np. Niebieskim, czarnym, złotym, żółtym i bezbarwnym. Zapewnia również lepszą przyczepność powierzchni metalowej do farb i klejów.

Na powierzchniach zerodowanych lub wżerowych

Roztwory kwasu chromowego służą do przygotowania powierzchni przedmiotów wykonanych z materiałów termoplastycznych, termoutwardzalnych polimerów i elastomerów do późniejszego pokrywania farbami lub klejami.

H ₂ CrO ₄ wpływa na chemię powierzchni i jej strukturę, sprzyja zwiększeniu jej szorstkości. Połączenie wżerów i utleniania zwiększa penetrację klejów, a nawet może powodować zmiany właściwości polimeru.

Został użyty do erodowania rozgałęzionego polietylenu o małej gęstości, liniowego polietylenu o dużej gęstości i polipropylenu.

Jest szeroko stosowany w przemyśle galwanicznym lub galwanicznym w celu ułatwienia adhezji metal-polimer.

W różnych zastosowaniach

Kwas chromowy jest stosowany jako środek konserwujący do drewna, także w materiałach magnetycznych oraz do katalizy reakcji chemicznych.

Odzysk kwasu chromowego

Istnieje wiele procesów wykorzystujących kwas chromowy i generujących strumienie lub pozostałości zawierające chrom (III), których nie można usunąć, ponieważ zawierają jony chromu (VI), które są bardzo toksyczne, ani też nie można ich ponownie wykorzystać, ponieważ stężenie jonów chromianowych jest bardzo niskie.

Ich utylizacja wymaga chemicznej redukcji chromianów do chromu (III), a następnie wytrącania wodorotlenku i filtracji, co generuje dodatkowe koszty.

Z tego powodu zbadano różne metody usuwania i odzyskiwania chromianów. Oto kilka z nich.

Za pomocą żywic

Żywice jonowymienne są używane od wielu lat do uzdatniania wody zanieczyszczonej chromianami. Jest to jeden z zabiegów zatwierdzonych przez Amerykańską Agencję Ochrony Środowiska lub EPA (Agencja Ochrony Środowiska).

Ta metoda pozwala na odzysk stężonego kwasu chromowego, który jest ponownie regenerowany z żywicy.

Żywice mogą być mocne lub słabe. W żywicach silnie zasadowych chromian można usunąć, ponieważ jony HCrO ₄ ^- i Cr ₂ O ₇ ^2- są wymieniane na jony OH ^- i Cl ^- . W żywicach słabo zasadowych, na przykład siarczanowych, jony są wymieniane na SO ₄ ^{2 -} .

W przypadku silnie zasadowych żywic R- (OH) ogólne reakcje są następujące:

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 Kr ₂ O ₇ + H ₂ O

Na każdy mol przekształconego R ₂ CrO ₄ jeden mol Cr (VI) jest usuwany z roztworu, co czyni tę metodę bardzo atrakcyjną.

Po usunięciu chromianów żywicę poddaje się działaniu silnie alkalicznego roztworu, aby zregenerować je w bezpiecznym miejscu. Chromiany są następnie przekształcane w stężony kwas chromowy w celu ponownego wykorzystania.

Poprzez regenerację elektrochemiczną

Inną metodą jest elektrochemiczna regeneracja kwasu chromowego, która jest również bardzo wygodną alternatywą. W tej procedurze chrom (III) jest utleniany anodowo do chromu (VI). Materiałem anodowym w tych przypadkach jest korzystnie dwutlenek ołowiu.

Wykorzystanie mikroorganizmów do oczyszczania ścieków ze śladami kwasu chromowego

Metodą, która została przebadana i nadal jest badana, jest wykorzystanie mikroorganizmów naturalnie występujących w niektórych ściekach zanieczyszczonych sześciowartościowymi jonami chromu, które są zawarte w roztworach kwasu chromowego.

Ścieki szkodliwe dla środowiska. Autor: OpenClipart -ectors. Źródło: Pixabay.

Tak jest w przypadku niektórych bakterii obecnych w ściekach z garbowania skór. Mikroby te zostały przebadane i ustalono, że są odporne na chromiany, a także są zdolne do redukcji chromu (VI) do chromu (III), który jest znacznie mniej szkodliwy dla środowiska i istot żywych.

Z tego powodu szacuje się, że można je stosować jako przyjazną środowisku metodę remediacji i detoksykacji ścieków zanieczyszczonych śladowymi ilościami kwasu chromowego.

Zagrożenia związane z kwasem chromowym i tlenkiem chromu

CrO ₃ jest niepalny, ale może nasilać spalanie innych substancji. Wiele z ich reakcji może spowodować pożar lub wybuch.

Roztwory CrO ₃ i kwasu chromowego działają silnie drażniąco na skórę (mogą powodować zapalenie skóry), oczy (mogą się palić) i błony śluzowe (mogą powodować oskrzela) i mogą powodować powstawanie tzw. „Dziur chromowych” w układzie oddechowym. .

Związki chromu (VI), takie jak kwas chromowy i tlenek chromu, są silnie toksyczne, mutagenne i rakotwórcze dla większości żywych istot.

Bibliografia

1. Cotton, F. Albert i Wilkinson, Geoffrey. (1980). Zaawansowana chemia nieorganiczna. Czwarta edycja. John Wiley & Sons.
2. Amerykańska Narodowa Biblioteka Medyczna. (2019). Kwas chromowy. Odzyskany z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
3. Wegman, RF i Van Twisk, J. (2013). Aluminium i stopy aluminium. 2.5. Proces anodowania kwasem chromowym. W technikach przygotowania powierzchni do klejenia (wydanie drugie). Odzyskany z sciencedirect.com.
4. Wegman, RF i Van Twisk, J. (2013). Magnez. 6.4. Przygotowanie magnezu i stopów magnezu w procesach obróbki kwasem chromowym. W technikach przygotowania powierzchni do klejenia (wydanie drugie). Odzyskany z sciencedirect.com.
5. Grot, W. (2011). Aplikacje. 5.1.8. Regeneracja kwasu chromowego. W fluorowanych jonomerach (drugie wydanie). Odzyskany z sciencedirect.com.
6. Swift, KG i Booker, JD (2013). Procesy inżynierii powierzchni. 9.7. Chromowanie. W podręczniku doboru procesu produkcyjnego. Odzyskany z sciencedirect.com.
7. Poulsson, AHC i in. (2019). Techniki modyfikacji powierzchni PEEK, w tym obróbka powierzchni plazmą. 11.3.2.1. Wytrawianie powierzchni. W podręczniku PEEK Biomaterials Handbook (wydanie drugie). Odzyskany z sciencedirect.com.
8. Westheimer, FH (1949). Mechanizmy utleniania kwasu chromowego. Recenzje chemiczne 1949, 45, 3, 419–451. Odzyskany z pubs.acs.org.
9. Tan, HKS (1999). Usuwanie kwasu chromowego przez wymianę anionów. The Canadian Journal of Chemical Engineering, tom 77, luty 1999. Pobrane z onlinelibrary.wiley.com.
10. Kabir, MM i in. (2018). Izolacja i charakterystyka bakterii redukujących chrom (VI) ze ścieków garbarskich i stałych. World Journal of Microbiology and Biotechnology (2018) 34: 126. Odzyskany z ncbi.nlm.nih.gov.