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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

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Presentation Transcript
chrom und seine verbindungen

Chrom und seine Verbindungen

Chrömchen und seine Söhnchen

slide2

Ordnungszahl

Öxidationsstufen

(wichtige)

Elektronegativität

Relative Atommasse

geschichtliches
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)
slide4

Peter Simon Pallas

Rotbleierz

Hans Goldschmidt

Louis-Nicolas Vauquelin

Martin Heinrich Klaproth

allgemeines
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
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)

Chromocker

Chromit

gewinnung
Gewinnung
  • Aluminothermie
chemische eigenschaften
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
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
Versuch 1Vergleich aktives und passiviertes Chrom
  • Passivieren eines Chrombleches
  • Vergleich: aktivies und passiviertes Chrom in verd. Salzsäure
  • Reaktivieren des passivierten Chroms
reaktionsgleichungen versuch 1
Reaktionsgleichungen Versuch 1
  • Passivieren

Cr + HNO3  Cr2O3 +

  • Reaktion in verd. Sallzsäure
  • Reaktivieren des passivierten Chroms

Und weiter wie oben!

auswertung versuch 1
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
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
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 %
toxikologisches
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
Versuch 2anodische Oxidation von Chrom
  • Ein Chromblech wird in verd. Salpetersäure als Anode einer Elektrolyse geschaltet
  • Gegenelektrode ist ein Eisenblech
auswertung und reaktionsgleichungen von versuch 2
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
Versuch 3Gleichgewicht zwischenChromat 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
Auswertung und Reaktionsgleichungenvon 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

2-

2-

2CrO4 + 2H3O+ ↔ Cr2O7 + 3H2O

auswertung versuch 3 teil 2
Auswertung Versuch 3Teil 2
  • Ab pH 2 (und darunter) liegt das Gleichgewicht vollständig beim Dichromat
  • Die Reaktion verläuft in zwei Schritten

2-

+

-

2-

2CrO4 + 2H3O ↔ 2HCrO4 + 2H2O↔ Cr2O7 + 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
Auswertung Versuch 3Teil 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

slide23

Das Trichromat (und alle anderen Polychromate) wird genau wie das Dichromat unter Wasserabspaltung gebildet

auswertung versuch 4
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
Versuch4Reaktionsgleichungen I
  • Reduktion des Dichromat-Ions in saurer Lösung
versuch4 reaktionsgleichungen ii
Versuch4Reaktionsgleichungen II
  • Bildung des Chromtrihydroxids

grün

  • Chromtrihydroxids ist amphoter und bleibt in Lösung

tiefgrün

versuch4 reaktionsgleichungen iii
Versuch4Reaktionsgleichungen III
  • Fällung des Acetat-Ions als Eisen(III)-triacetat

rot

versuch 4b reduktion durch thermische zersetzung
Versuch 4bReduktion durch thermische Zersetzung

Der chemische (oder rauschende) Vulkan

auswertung versuch 4b
AuswertungVersuch 4b
  • Ammoniumdichromat zersetzt sich zu Chrom(III)-oxid, Stickstoff und Wasser
  • Das voluminöse Chromoxid wird durch die entstehenden Gase aufgewirbelt
slide31

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 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
Evt Versuch 5Cr-Nachweis in Lidschatten
  • Als Oxidationsschmelze
  • + Nachweis als Phosphorsalzperle (nur erwähnen und rumgeben)
versuch 5 auswertung
Versuch 5 Auswertung
  • Die Hydrationsisomerie ist ein Spezialfall der Ionisations-Isomerie bei Komplexen, bei dem Wasser einmal komplexgebunden und einmal im Kristallwasser vorliegt

violett

grün

  • Ab einer Temperatur von 43°C bildet sich der grüne Tetraaqua-Komplex 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
auswertung versuch 6
AuswertungVersuch 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
AuswertungVersuch 6 Teil II
  • Wird die Lösung länger bei Zimmertemperatur stehengelassen wird sie zunächst hellblaugrün und schließlich violett
  • Dies ist wiederum eine Hydrat-Isomerie

dunkelgrün

dunkelgrün

hellblaugrün

violett

  • Durch Erwärmen lässt sich diese Reaktion wieder umkehren
schulrelevanz
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 alkoholtestr hrchen
Versuch 7Alkoholteströhrchen
  • Vor ca. 20 Jahren waren diese Röhrchen im gängigen Einsatz bei der Polizei
auswertung versuch 7
AuswertungVersuch 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
ledergerbung
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