Präsentation ()

Chrom
und seine Verbindungen
Chrömchen und seine Söhnchen
Ordnungszahl
Öxidationsstufen
(wichtige)
Elektronegativität
Relative Atommasse
Geschichtliches
►
Das Wort Chrom leitet sich vom griechischen Wort chroma (=
Farbe) ab
► 1761 entdeckte Johann Gottlob Lehmann ein orange-rotes
Bleichromat-Mineral (PbCrO4) im Ural, das er Rotbleierz nannte
► 1770 fand Peter Simon Pallas an gleicher Stelle ein rotes
Bleimineral, das wegen seiner Rotfärbung Krokoit (von griech.
krokos = safranfarben) genannt wurde
► 1797 entdeckten Martin Heinrich Klaproth und Louis-Nicolas
Vauquelin Chrom(III)oxid (Cr2O3) im Krokoit
► 1798 gewann Louis-Nicolas Vauquelin elementares Chrom aus
Chrom(III)oxid; dies war jedoch stark mit Carbiden verunreinigt
► 1894 gelang es Hans Goldschmidt reines Chrom zu gewinnen
(Goldschmidtverfahren)
Peter Simon
Pallas
Rotbleierz
Hans Goldschmidt
Martin Heinrich Klaproth
Louis-Nicolas Vauquelin
Allgemeines
► Chrom
tritt in der Lithosphäre nur in gebundener Form,
meist als Chromeisenstein / Chromit (FeCr2O4)
► Physiologisch ist Chrom essentiell für den Menschen
(Glucose- und Lipidabbau)
► 3/4 des Weltjahresumsatzes werden für die Herstellung
von Ferrochrom verwendet, 1/8 für Feuerwerkskörper
und 1/8 für reines Chrom und Verbindungen
► Nuklid, ein künstliches Chromisotop, wird als Tracer in
der Medizin verwendet
► Chrom(VI)-Verbindungen sind führen zur Ödemen und
gelten als cancerogen sowie mutagen
Vorkommen
► Chrom
stellt 0,02 % der Erdkruste und ist somit sehr
häufig
► Dennoch gibt es Lagerstätten und wird hauptsächlich in
Südafrika (78%) und Simbawe (19%) abbgebaut
► Neben Chromit und Rotbleierz findet man Chrom als
Chrom(III)-oxid oder Chromocker (Cr2O3)
Chromit
Chromocker
Gewinnung
► Aluminothermie
Chemische Eigenschaften
► Übergangsmetall
► Elektrische
Leitfähigkeit
► Elektronenkonfiguration [Ar] 3d5 4s1 (eigentlich:
[Ar] 3d5 4s1
► Atomradius 129 pm
► Chrom(IV) und (V) – Verbindungen
disproportionieren in wässriger Lösung sofort
wieder
Physikalische Eigenschaften
► Zwei
Modifikationen
 α – Chrom: kubisch raumzentriet
 β – Chrom: hexagonal dichteste KP
► Silberglänzendes Metall
► rein:
gut schmiede- und dehnbar
► mit Sauer- oder Wasserstoff verunreinigt: spröde
► Smp: 1903°C; Sdp: 2640°C
► Bei RT außerordentlich widerstandfähig (oxidiert an
feuchter Luft kaum; reagiert nicht mit Halogenen, …)
► Läßt sich „passivieren“
Versuch 1
Vergleich aktives und passiviertes
Chrom
► Passivieren
eines
Chrombleches
► Vergleich: aktivies und
passiviertes Chrom in
verd. Salzsäure
► Reaktivieren des
passivierten Chroms
Reaktionsgleichungen Versuch 1
► Passivieren
Cr + HNO3  Cr2O3 +
► Reaktion
in verd. Sallzsäure
► Reaktivieren des
passivierten Chroms
Cr2O3  6 H   6e   2Cr  3H 2O
Und weiter wie oben!
Auswertung Versuch 1
►
Die Reaktion des Chroms mit der Salpetersäure führt zu einer
sehr dichten Oxidationsschicht die das Chrom innert gegenüber
der Säure macht (Passivierung)
► Das unedlere aktive Chrom reagiert mit der verd. Salsäure und
wird aufgelöst
► Normalpotentiale
 Chrom: E° = - 0,74 V
Zwischen Eisen (-0,44 V) und Zink (-0,76 V)
 Chrom(III)-oxid: E° = + 1,33 V
Zwischen Quecksilber (+0,86 V) und Gold (+1,51 V)
►
Durch den Elektronenfluß von aktivierten zum passivierten
Chrom wird die Oxidationsschicht aufgelöst und somit das
Chrom reaktiviert
Verwendung
► Chrom-Eisen-Legierungen
werden zur Herstellung von
nichtrostenden Stählen verwandt
► Das Chrom hebt des Weiteren die Wärmebeständigkeit
des Stahls
► Chromatieren: Korrosionsschutz und Verbesserung der
Hafteigenschaften für Lacke aus sauren Chrom(VI)Lösungen (auch mit Chrom(III)-Verbindungen möglich;
Lebensmittelindustrie)
► Galvanisches Verchromen
Industrielle Verarbeitung
► Wichtigste Verwendung
von Chrom ist der Einsatz als
Legierung, dazu benutzt man in der Regel
Ferrochrom
► Dieses wir aus Chromit und Eisen(II)-oxid unter
Zugabe von Kohle in Siemens-Martin-Öfen durch
Reduktion hergestellt
► Der Chromgehalt beträgt normalerweise 52-75 %
FeO  Cr2O3  4C  Fe  2Cr  4CO
Chrom im Alltag
Toxikologisches
► Ein
Mensch sollte jeden Tag 0,05 -0,5 mg Chrom
aufnehmen und kann bis zu einer Menge von 10 mg an
einem Tag ohne bleibende Schäden vertragen
(Höchstgrenze)
► Besonders Chrom(VI)-Verbindungen sind gefährlich für
den Menschen
 Sie verätzen Haut und besonders Schleimhäute und führen
dort zu schlecht heilenden Geschwüren
 Bei Vergiftungen kommt es zu Magen-Darm-Erkrankungen,
Leber- und Nierenschäden
 Die roten Blutkörperchen reduzieren diese Verbindungen zu
Chrom(III)-Verbindungen, die in den Erythrozyten erhalten
bleiben und dort als cancerogen eingestuft werden
 Folge: Leukemie
Versuch 2
anodische Oxidation von Chrom
► Ein
Chromblech wird in verd. Salpetersäure als
Anode einer Elektrolyse geschaltet
► Gegenelektrode ist ein Eisenblech
Auswertung und
Reaktionsgleichungen
von Versuch 2
► Die
Elektrolyse des Chroms führt zur Bildung
einer Chrom(VI)-Verbindung, die sich in dünnen
Schlieren von der Anode aus in Lösung geht
► Diese gelbe Chrom(VI)-Verbindung ist das
Chromat
► Eine Elektrolyse in Anderer Richtung entspricht
einer galvanischen Verchromung
2-
Cr + 4H2O  CrO4 + 4H2
Versuch 3
Gleichgewicht zwischen
Chromat und Dichromat
► Eine
Chromatlösung wird verschieden stark
angesäuert
► Die schwächer angesäuerte Lösung wird wieder
neutralisiert
► Die neutrale Lösung wird basisch gemacht
► In die stark angesäuerte Lösung wird ein
Impfkristall gegeben
Auswertung und
Reaktionsgleichungen
von Versuch 3
► Das Chromat-Ion ist gelb
► Das Dichromat-Ion ist orange-rot
► Die Reaktion zwischen Chromat und
Dichromat ist eine
protonenabhängige Gleichgewichtsreaktion
► Schon ab pH 6 (und höher) liegt das Gleichgewicht
vollständig beim Chromat
22CrO4
+ 2H3O+ ↔
2Cr2O7
+ 3H2O
Auswertung Versuch 3
Teil 2
► Ab
pH 2 (und darunter) liegt das Gleichgewicht
vollständig beim Dichromat
► Die Reaktion verläuft in zwei Schritten
2-
+
-
2CrO4 + 2H3O ↔ 2HCrO4 + 2H2O ↔ Cr2O7
2-
+ 3H2O
► Die Hydrogenchromate lassen sich nicht ungelöst
nachweisen
► Sie sind schwach sauer und bilden das eigentliche
Gleichgewicht zu den Chromaten und Dichromaten
► Unter Wasserabspaltung bildet sich aus
Hydrogenchromaten ein Dichromat
Auswertung Versuch 3
Teil 3
♦ In einer stark sauren Lösung mit einer höheren H+ Konzentration
Kommt es zu einer Kondensationsreaktion, die zur Bildung von
Trichromaten, Tetrachromaten oder Polychromaten führen kann
♦ Diese Verbindungen sind mehrfach verknüpfte Tetraeder und rot
Das Trichromat (und alle anderen Polychromate) wird
genau wie das Dichromat unter Wasserabspaltung gebildet
Versuch 4
Reduktion von Chromat
Auswertung Versuch 4
► Das
Ethanol wirkt reduzierend auf das starke
Reduktionsmittel Dichromat
► Das Dichromat (Cr(VI)) wird hierbei zu einem Cr(III)Ion reduziert  Farbänderung
► Das Ethanol wird zu einem Aldehyd und weiter zur
Essigsäure oxidiert
► Bei der Zugabe von NaOH bildet sich Chromhydroxid
und Acetat-Ionen
► Die Acetat-Ionen lassen sich mit Eisen(II)-Ionen
nachweisen
Versuch4
Reaktionsgleichungen I
► Reduktion
des Dichromat-Ions in saurer Lösung
Cr2O72  6e   14 H   2Cr 3  7 H 2O
3C2 H 5OH  3CH 3CHO  6 H   6e 
Gesamt :
Cr2O72  3C2 H 5OH  8H   2Cr 3  3CH 3CHO  7 H 2O
Cr O
2
2
7
 3CH 3CHO  14 H   2Cr 3  3CH 3COOH  7 H 2O

Versuch4
Reaktionsgleichungen II
► Bildung
des
Chromtrihydroxids
Cr
3
 3OH

► Chromtrihydroxids

 CrOH 3
grün
ist amphoter und bleibt in Lösung
Cr OH 3  3OH

 Cr OH 6 
3
tiefgrün
Versuch4
Reaktionsgleichungen III
► Fällung
des Acetat-Ions als Eisen(III)-triacetat

CH 3COO  Fe
3
 FeCH 3COO 3
rot
Versuch 4b
Reduktion durch thermische
Zersetzung
Der chemische (oder rauschende) Vulkan
Auswertung
Versuch 4b
► Ammoniumdichromat
zersetzt sich zu Chrom(III)-oxid,
Stickstoff und Wasser
► Das voluminöse Chromoxid wird durch die
entstehenden Gase aufgewirbelt
NH 4 2 Cr2O7
 Cr2O3  N 2  4 H 2O
Farben der Oxidationsstufen
Quelle: Hollemann-Wieberg
Auswirkungen auf Färbungen in Edelsteinen
Smaragd (grün): Cr(III), V(III)
Rubin (rot): Cr(III)
Amethyst (violett): Cr(III), Ti(IV)
Chrom als Farbstoff
► Chrom
diente seid seiner Entdeckung (und schon
davor) als Farbpigment
► Viele Chromfarben sind ausschließlich
Künstlerfarben
► Die Automobilindustrie verwendet einige
Chromlacke
► Grüne und gelbliche Kosmetikprodukte
beinhalten häufig Chrom (-Verbindungen)
Evt Versuch 5
Cr-Nachweis in Lidschatten
► Als
Oxidationsschmelze
► + Nachweis als Phosphorsalzperle (nur
erwähnen und rumgeben)
Versuch 5
Hydratisomerie von Cr(III)
Versuch 5
Auswertung
►
Die Hydrationsisomerie ist ein Spezialfall der IonisationsIsomerie bei Komplexen, bei dem Wasser einmal
komplexgebunden und einmal im Kristallwasser vorliegt
CrH O 
3
2
violett
►
6
2
4
 SO


 CrSO4 H 2O4   H 2O
grün
Ab einer Temperatur von 43°C bildet sich der grüne TetraaquaKomplex aus dem violetten Hexaquakomplex
► Über 70°C liegt das Gleichgewicht vollständig auf der rechten
Seite
► Beim Abkühlen bildet sich wieder der Hexaquakomplex; die
vollständige Umsetzung erfolgt jedoch erst nach einigen Tagen
Versuch 6
Lösen vonn Chrom(III)-chlorid
Auswertung
Versuch 6
► Das
Chrom(III)-chlorid ist in Wasser unlößlich
► Spuren von Cr(II)-Ionen oder wie im Versuch
dargestellten Reduktionsmitteln übertragen Elektronen
auf das Cr(III) im Kristallgitter wodurch dieses in Lösung
geht und wiederum zu Cr(III) oxidiert da dieses stabiler
ist
► Das Zink und HCl Gemisch ist ein starkes
Reduktionsmittel (über naszierenden Wasserstoff) und
somit für eine schnellere Reaktion geeignet als Cr(II)Ionen
Auswertung
Versuch 6 Teil II
► Wird
die Lösung länger bei Zimmertemperatur
stehengelassen wird sie zunächst hellblaugrün und
schließlich violett
► Dies ist wiederum eine Hydrat-Isomerie
CrCl3 H 2O 3 

CrCl2 H 2O 4   2 H 2O  Cl 
 3H 2O 

dunkelgrün
dunkelgrün

CrCl1 H 2O 5 

2
hellblaugrün
► Durch

CrH 2O 6 
 H 2O  2Cl  
3
 3Cl 
violett
Erwärmen lässt sich diese Reaktion wieder
umkehren
Schulrelevanz
► Klasse
9
 Elektrolyse & Ionenbegriff
► Klasse
11
 Redoxreaktionen
 Kohlenstoffchemie (Alkoholtest)
► Klasse
13
 Chemische Analysen (zB: Nachweis Chrom in Kosmetika)
 Komplexchemie
 Chemisches Gleichgewicht
► Fächerübergreifend
 Biologie: Umweltschutz (Bsp.: Gärbung mit und ohne Chrom
 Kunst: Was steckt in den Farben
Versuch 7
Alkoholteströhrchen
► Vor
ca. 20 Jahren
waren diese
Röhrchen im
gängigen Einsatz bei
der Polizei
Auswertung
Versuch 7
► In
den Alkoholteströhrchen ist schwefelsaures
Chromat auf Kieselgel in mehreren Lagen eingeordnet
und mit luftdurchlässigem Demmmaterial fixiert
► Befindet sich Alkohol im Atem der Testperson so
oxidiert das Chromat und wechselt die Farbe von
orange-gelb zu grün
Cr2O72  3C2 H 5OH  8H   2Cr 3  3CH 3CHO  7 H 2O
Ledergerbung
► Cr(III)-Ionen
haben eine große Tendenz kationische,
neutrale und anionische Komplexe zu bilden
► Die meisten Komplexe sind hierbei oktaedrisch und
kinetisch sehr stabil
► Bei der Chromgerbung nutzt man dieses um die
Kollagene in der Haut zu verknüpfen und die
Belastbarkeit des Leders zu erhöhen
► Kollagene besitzen –COOH – Gruppen welche leicht
mit Chrom vernetzen lassen
► Dies erhöht die Temperaturunempfindlichkeit und
verringert gleichermaßen die Quellbarkeit des Kollagens
was zum aushärten des Leders führt