专题34副族元素铬及其化合物解析版.docx
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专题34副族元素铬及其化合物解析版
系列三副族金属
专题4铬及其化合物
一.铬单质
铬的单质是高熔点(只比碳低)和高沸点的重金属。
室温下化学性质稳定,潮湿空气中也不会被腐蚀,因此常被用于制作不锈钢和镀铬。
铬也是金属中硬度最大的。
金属铬可以通过铬铁矿FeCr2O4制取,用焦炭还原就可制得铬铁合金。
该合金可用作制取不锈钢的原料。
FeCr2O4+4C
Fe+2Cr+4CO。
如果要制取不含铁的铬单质,可将铬铁矿与碳酸钠强热而成为水溶性的铬酸盐(其中铁转换为不溶性的Fe2O3),进一步用水浸取、酸化使重铬酸盐析出。
接着加热还原而变为Cr2O3,再用铝等还原就可得到金属铬。
二、铬的化合物
铬元素的常见价态为+6、+3、+2。
在酸性介质中,Cr2+具有强的还原性,+6价铬(Cr2O
、CrO
)具有强氧化性,Cr3+的还原性较弱,只有用强氧化剂才能将Cr3+氧化成Cr2O
,在碱性介质中,CrO
稳定性强。
1.Cr(Ⅲ)的还原性
(1)Cr3+在酸性条件下是稳定的,但在碱性条件下能氧化成CrO
,2Cr3++3H2O2+10OH-===2CrO
+8H2O。
(2)在碱性溶液中,亚铬酸盐(CrO
)可以被H2O2或Na2O2氧化成铬酸盐
2CrO
+3H2O2+2OH-===2CrO
+4H2O,2CrO
+3Na2O2+2H2O===2CrO
+6Na++4OH-。
2.Cr(Ⅵ)的氧化性
在酸性溶液中,Cr2O
具有强氧化性,但在碱性溶液中CrO
的氧化性要弱的多
Cr2O
+3SO
+8H+===2Cr3++3SO
+4H2O,Cr2O
+6I-+14H+===2Cr3++3I2+7H2O,
Cr2O
+6Cl-+14H+===2Cr3++3Cl2↑+7H2O,Cr2O
+6Fe2++14H+===2Cr3++6Fe3++7H2O。
铬(Ⅵ)最重要的化合物是K2Cr2O7,在水溶液中Cr2O
和CrO
存在下列平衡:
2CrO
+2H+
Cr2O
+H2O
(黄色) (橙红色)
在碱性溶液中,[Cr(OH)4]-可以被H2O2氧化为CrO
,在酸性溶液中CrO
转变为Cr2O
。
3.Cr2O3和Cr(OH)3显两性,其转化关系如下:
Cr3+(紫色)
Cr(OH)3(灰蓝色)
[Cr(OH)4]-(绿色)
反应的离子方程式:
①Cr3++3OH-===Cr(OH)3↓
②Cr(OH)3+OH-===[Cr(OH)4]-,Cr3++4OH-===[Cr(OH)4]-
③[Cr(OH)4]-+H+===Cr(OH)3↓+H2O
④Cr(OH)3+3H+===Cr3++3H2O,[Cr(OH)4]-+4H+===Cr3++4H2O
【习题1】已知重铬酸钾(K2Cr2O7)具有强氧化性,其还原产物Cr3+在水溶液中呈绿色或蓝绿色。
在K2Cr2O7溶液中存在下列平衡:
Cr2O72-(橙色)+H2O
2CrO42-(黄色)+2H+。
用K2Cr2O7溶液进行实验,结合实验,下列说法正确的是
A.①中溶液橙色加深,③中溶液变黄
B.②中Cr2O72-被C2H5OH氧化
C.对比②和④可知K2Cr2O7碱性溶液氧化性强
D.若向④中加入70%H2SO4溶液至过量,溶液变为橙色
【答案】A
【解析】
A.在平衡体系中加入酸,平衡逆向移动,重铬酸根离子浓度增大,橙色加深,加入碱,平衡正向移动,溶液变黄,故A正确;
B.②中重铬酸钾氧化乙醇,重铬酸钾被还原,故B错误;
C.重铬酸钾在碱性溶液中氧化性弱,乙醇不能使其变色,故C错误;
D.若向④溶液中加入70%的硫酸到过量,溶液为酸性,可以氧化乙醇,溶液变绿色,故D错误。
【习题2】铬是常见的过渡金属之一,研究铬的性质具有重要意义。
(1)在右图装置中,观察到装置甲铜电极上产生大量的无色气体;而装置乙中铜电极上无气体产生,铬电极上产生大量红棕色气体。
由此可得到的结论是__________________。
(2)工业上使用下图装置,采用石墨作电极电解Na2CrO4溶液,使Na2CrO4转化为Na2Cr2O7,其转化原理为_____________________________________。
(3)CrO3和K2Cr2O7均易溶于水,它们是工业废水造成铬污染的主要原因。
要将Cr(Ⅵ)转化为Cr(Ⅲ)常见的处理方法是电解法和铁氧磁体法。
①电解法:
将含Cr2O72-的废水通入电解槽内,用铁作阳极,在酸性环境中,加入适量的NaCl进行电解,使阳极生成的Fe2+和Cr2O72-发生反应,其离子方程式为_____________________________。
阴极上Cr2O72-、H+、Fe3+都可能放电。
若Cr2O72-放电,则阴极的电极反应式为________________;若H+放电,则阴极区形成Fe(OH)3和Cr(OH)3沉淀,已知:
Cr3+
Cr(OH)3
CrO2-,则阴极区溶液pH的范围为_________。
②铁氧磁体法:
在含Cr(Ⅵ)的废水中加入绿矾,在pH<4时发生反应使Cr(Ⅵ)转化为Cr(Ⅲ),调节溶液pH为6~8,使溶液中的Fe(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)、Cr(Ⅲ)析出组成相当于Fe(Ⅱ)[Fe(Ⅲ)x·Cr(Ⅲ)2-x]O4(铁氧磁体)的沉淀,则铁氧磁体中x=________________;若废水中Cr(Ⅵ)以CrO3计,用该法除去废水中的Cr(Ⅵ),加入的FeSO4·7H2O与CrO3的质量比为________________。
【答案】
(1)由装置甲知铬的金属活动性比铜强;由装置乙知常温下铬在浓硝酸中钝化
(2)阳极4OH--4e=O2↑+2H2O,使c(H+)增大,从而导致2CrO42-+2H+=Cr2O72-+H2O反应发生
(3)①Cr2O72-+6Fe2++14H+=2Cr3++6Fe3++7H2OCr2O72-+6e-+14H+=2Cr3++7H2O8
【解析】
(1)由此可得到的结论是由装置甲知铬的金属活动性比铜强;由装置乙知常温下铬在浓硝酸中钝化。
(2)其转化原理为阳极4OH--4e=O2↑+2H2O,使c(H+)增大,从而导致2CrO42-+2H+=Cr2O72-+H2O反应发生。
(3)①使阳极生成的Fe2+和Cr2O72- 发生反应,其离子方程式为Cr2O72-+6Fe2++14H+=2Cr3++6Fe3++7H2O。
若Cr2O72- 放电,则阴极的电极反应式为Cr2O72-+6e-+14H+=2Cr3++7H2O;若H+放电,则阴极区形成Fe(OH)3和Cr(OH)3沉淀,c(OH-)>10-6mol/L,pH>8,c(OH-)≤10-4mol/L,pH<10,则阴极区溶液pH 的范围为8<pH<10。
②根据电子守恒,Fe(Ⅱ) [Fe(Ⅲ)x·Cr (Ⅲ)2-x] O4(铁氧磁体) 的沉淀中Fe(ⅡI) 与Cr (Ⅲ)2-x数目比为3:
1,即x/(2-x)=3:
1,x=1.5 。
加入的FeSO4·7H2O 与CrO3的物质的量比为(1+x):
(2-x)=5:
1,质量比为(278×5):
100=13.9。
【习题3】重铬酸钾是一种重要的化工原料,一般由铬铁矿制备,铬铁矿的主要成分为FeO·Cr2O3,还含有硅、铝等杂质。
制备流程如图所示:
回答下列问题:
(1)步骤①的主要反应为:
FeO·Cr2O3+Na2CO3+NaNO3
Na2CrO4+Fe2O3+CO2+NaNO2,上述反应配平后FeO·Cr2O3与NaNO3的系数比为_________________。
该步骤不能使用陶瓷容器,原因是________________。
(2)滤渣1中含量最多的金属元素是______________,滤渣2的主要成分是_________________及含硅杂质。
(3)步骤④调滤液2的pH使之变_____________(填“大”或“小”),原因是__________________________(用离子方程式表示)。
(4)有关物质的溶解度如图所示。
向“滤液3”中加入适量KCl,蒸发浓缩,冷却结晶,过滤得到K2Cr2O7固体。
冷却到__________________(填标号)得到的K2Cr2O7固体产品最多。
a.80℃b.60℃c.40℃d.10℃
步骤⑤的反应类型是__________________________。
【答案】
(1)2:
7陶瓷在高温下会与Na2CO3反应
(2)FeAl(OH)3
(3)小2
+2H+⇌
+H2O
(4)d复分解反应
【解析】
铬铁矿熔融,与Na2CO3、NaNO3反应生成Na2CrO4、Fe2O3、CO2和NaNO2,硅、铝的杂质转化为Na2SiO3、NaAlO2,熔块水浸后过滤,滤渣1中主要成分为Fe2O3,滤液1中含Na2CrO4、NaNO2、Na2SiO3、NaAlO2,滤液1调pH=7过滤,滤渣2的主要成分为Al(OH)3和含硅杂质,滤液2中含Na2CrO4,调pH发生反应2
+2H+⇌
+H2O,滤液3中加入KCl与Na2Cr2O7反应生成K2Cr2O7。
(1)FeO·Cr2O3中Fe的化合价由+2价升至+3价、Cr元素的化合价由+3价升至+6价,FeO·Cr2O3是还原剂,氧化产物为Na2CrO4和Fe2O3,1molFeO·Cr2O3失去7mol电子,而NaNO3是氧化剂,还原产物为NaNO2,1molNaNO3得到2mol电子,根据得失电子守恒可知,FeO·Cr2O3和NaNO3的化学计量数之比为2∶7;陶瓷在高温下会与Na2CO3反应,则熔融时不能使用陶瓷容器;
(2)熔块中氧化铁不溶于水,过滤后进入滤渣1,则滤渣1中含量最多的金属元素是铁;滤渣1中含有偏铝酸根离子、硅酸根离子、铬酸根离子,调节pH并过滤后得到滤渣2为氢氧化铝及含硅杂质。
(3)调滤液2的pH目的是提高溶液的酸性,pH变小,使2
+2H+⇌
+H2O平衡正向移动,提高重铬酸根离子浓度,有利于K2Cr2O7固体析出。
(4)由图示可知,在10℃左右时,得到得到K2Cr2O7固体最多,答案选d;步骤⑤的反应为2KCl+Na2Cr2O7=K2Cr2O7+2NaCl,反应类型为复分解反应。
【习题4】某混合物浆液含有Al(OH)3、MnO2和少量Na2CrO4.考虑到胶体的吸附作用使Na2CrO4不易完全被水浸出,某研究小组利用设计的电解分离装置(见图),使浆液分离成固体混合物和含铬元素溶液,并回收利用。
回答Ⅰ和Ⅱ中的问题。
Ⅰ.固体混合物的分离和利用(流程图中的部分分离操作和反应条件未标明)
(1)C→Al的制备方法称为电解法,请写出阳极反应方程式____________________________.
(2)该小组探究反应②发生的条件.D与浓盐酸混合,不加热无变化;加热有Cl2生成,当反应停止后,固体有剩余,此时滴加硫酸,又产生Cl2.由此判断影响该反应有效进行的因素有(填序号)____________。
A.温度B.溶液的pH值C.Cl-和
-的浓度
(3)固体D是碱性锌锰电池的正极,请写出该电池的负极反应方程式___________________________。
(4)0.2molCl2与焦炭、TiO2完全反应,生成CO和TiCl4(熔点-25℃,沸点136.4℃)放热8.56kJ,该反应的热化学方程式为_____________________________________________.
Ⅱ.含铬元素溶液的分离和利用
(5)用惰性电极电解时,
能从浆液中分离出来的原因是________________________,
分离后得到的含铬元素的粒子有
﹣和
﹣,原因是__________________________(用离子反应方程式表示),阴极室生成的物质为_____________(写化学式);
【答案】
(1)2O2--4e-=O2↑
(2)AB
(3)Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2
(4)2Cl2(g)+TiO2(s)+2C(s)=TiCl4(l)+2CO(g)△H=﹣85.6kJ•mol﹣1
(5)在直流电场作用下
通过阴离子交换膜向阳极室移动,从而脱离浆液;2
+2H+
+H2O;NaOH和H2
【解析】
Ⅰ.
(1)C→Al的制备方法称为电解法,固体C为Al2O3,电解熔融的氧化铝可得到Al,阳极反应方程式2O2--4e-=O2↑;
(2)反应涉及的条件为加热,加热下可反应,另外加热硫酸,氢离子浓度变化,可知影响的因素为温度和氢离子浓度,故选:
AB;
(3)固体D为MnO2,是碱性锌锰电池的正极,该电池的负极是锌失电子发生氧化反应,反应方程式Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2;
(4)0.2molCl2与焦炭、TiO2完全反应,生成CO和TiCl4(熔点-25℃,沸点136.4℃)放热8.56kJ,则2mol氯气反应放出的热量为2÷0.2×8.56kJ=85.6kJ,所以热化学方程式为2Cl2(g)+TiO2(s)+2C(s)═TiCl4(l)+2CO(g)△H=-85.6kJ·mol-1;
Ⅱ.(5)电解时,CrO42-通过阴离子交换膜向阳极移动,从而从浆液中分离出来,因存在2CrO42-+2H+
Cr2O72-+H2O,则分离后含铬元素的粒子是CrO42-、Cr2O72-,阴极发生还原反应生成氢气和NaOH。
【习题5】工业废水中常含有一定量的Cr2O72-,易被人体吸收积累而导致肝癌。
处理工业含铬废水的方法通常是将Cr2O72-转化为Cr3+,再将Cr3+转化为Cr(OH)3沉淀。
(1)利用硫酸工业废气中的SO2可以处理酸性含铬废水,用离子方程式表示反应原理__________________。
(2)已知Ksp[Cr(OH)3]=1×10-30。
室温下,除去被SO2还原所得溶液中的Cr3+[使c(Cr3+)≤1×10-6mol·L-1],需调节溶液的pH至少为_________________________。
(3)Cr(OH)3和Al(OH)3类似,也是两性氢氧化物,写出Cr(OH)3的酸式电离方程式_________________。
(4)Cr3+在强碱中可被双氧水氧化为CrO42-,发生反应的离子方程式为________________________。
控制其他条件不变,反应温度对Cr3+转化率的影响如下图所示。
请分析温度超过70℃时,Cr3+转化率下降的原因是_________________________。
【答案】
(1)Cr2O72-+3SO2+2H+=2Cr3++3SO42-+H2O
(2)6
(3)Cr(OH)3+H2O
H++[Cr(OH)4]- [或Cr(OH)3
H++CrO2-+H2O]
(4)2Cr3++3H2O2+10OH-=2CrO42-+8H2O双氧水在较高温度下发生分解,浓度降低
【解析】
(1)SO2具有还原性,能将Cr2O72-转化为Cr3+,用硫酸工业废气中的SO2处理酸性含铬废水,离子方程式为:
Cr2O72-+3SO2+2H+=2Cr3++3SO42-+H2O;
(2)已知Ksp[Cr(OH)3]=1×10-30。
室温下,除去被SO2还原所得溶液中的Cr3+[使c(Cr3+)≤1×10-6mol·L-1],Ksp[Cr(OH)3]=c(Cr)×c3(OH-)==1×10-6×c3(OH-)=1×10-30,c(OH-)=10-8mol·L-1,需调节溶液的pH至少为6;
(3)由于Cr(OH)3和Al(OH)3类似,也是两性氢氧化物,则Cr(OH)3的酸式电离方程式为:
Cr(OH)3+H2O
H++[Cr(OH)4]- [或Cr(OH)3
H++CrO2-+H2O];
(4)Cr3+在强碱中可被双氧水氧化为CrO42-,发生反应的离子方程式为:
2Cr3++3H2O2+10OH-=2CrO42-+8H2O,双氧水在温度超过70℃时发生分解,浓度降低,氧化能力降低,Cr3+转化率下降。
【习题6】元素铬(Cr)在溶液中主要以Cr3+(蓝紫色)、Cr(OH)4−(绿色)、Cr2O72−(橙红色)、CrO42−(黄色)等形式存在,Cr(OH)3为难溶于水的灰蓝色固体,CrO42−和Cr2O72−在溶液中可相互转化,K2Cr2O7溶液中存在平衡:
Cr2O
(橙色)+H2O
2CrO
(黄色)+2H+回答下列问题:
(1)CrO42−和Cr2O72−在溶液中可相互转化,用K2Cr2O7溶液进行下列实验:
结合实验,下列说法正确的是_______________
A.①中溶液橙色加深,③中溶液变黄
B.②中Cr2O
被C2H5OH氧化
C.对比②和④可知K2Cr2O7酸性溶液氧化性强
D.若向④中加入70%H2SO4溶液至过量,溶液变为橙色
(2)室温下,初始浓度为1.0mol·L−1的Na2CrO4溶液中c(Cr2O72−)随c(H+)的变化如图所示。
①由图可知,溶液酸性增大,CrO42−的平衡转化率_________________(填“增大“减小”或“不变”)。
②根据A点数据,计算出该转化反应的平衡常数为_________________。
③升高温度,溶液中CrO42−的平衡转化率减小,则该反应的ΔH____________0(填“大于”“小于”或“等于”)。
(3)在化学分析中采用K2CrO4为指示剂,以AgNO3标准溶液滴定溶液中的Cl−,利用Ag+与CrO42−生成砖红色沉淀,指示到达滴定终点。
当溶液中Cl−恰好完全沉淀(浓度等于1.0×10−5 mol·L−1)时,溶液中c(Ag+)为_______mol·L−1,此时溶液中c(CrO42−)等于_________________mol·L−1。
(已知Ag2CrO4、AgCl的Ksp分别为2.0×10−12和2.0×10−10)。
【答案】
(1)AC
(2)①增大②1.0×1014③小于
(3)2.0×10−55.0×10−3
【解析】
(1)①中溶液酸性增强,Cr2O
(橙色)+H2O
2CrO
(黄色)+2H+的平衡逆向移动,橙色加深;③中溶液碱性增强,平衡正向移动,黄色加深,A正确;溶液颜色变绿色,有Cr3+生成,Cr2O
被C2H5OH还原,B错误;④中无明显现象,无反应发生,可以证明K2Cr2O7酸性溶液氧化性强,C正确;④中加入70%H2SO4溶液至过量,C2H5OH将Cr2O
还原,溶液变为绿色,D错误。
(2)①根据反应:
2CrO
(黄色)+2H+
Cr2O
(橙色)+H2O,随着H+浓度的增大,CrO42−转化为Cr2O
,所以CrO42−的平衡转化率增大。
②A点Cr2O
的浓度为0.25mol/L,根据Cr元素守恒可知CrO
的浓度为0.5mol/L;H+浓度为1.0×10-7mol/L;此时该反应的平衡常数为c(Cr2O
)/c(CrO42-)×c(H+)=0.25/[0.52×10-7×10-7]=1014。
③升高温度,溶液中CrO
的平衡转化率减小,平衡逆向移动,说明正方向放热,则该反应的ΔH<0。
(3)根据Ag2CrO4、AgCl的Ksp可知,氯离子完全沉淀时,c(Ag+)=2.0×10-10/1.0×10-5=2.0×10-5mol·L−1;则c(CrO42-)=2.0×10-12/(2.0×10-5)2=5.0×10-3mol·L−1。
【习题7】处理含铬废水的方法较多
Ⅰ.某工业废水中主要含有Cr3+,同时还含有少量的Cu2+、Fe2+、Fe3+和Al3+等,且酸性较强。
为回收利用,通常采用如下流程处理:
已知:
Cr(OH)3―→NaCrO2―→Na2CrO4―→Na2Cr2O7
请回答:
(1)操作Ⅰ的名称为____________________,上述操作Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ相同,进行该实验操作所需要的主要玻璃仪器除烧杯、漏斗外,还有__________________。
(2)滤渣Ⅰ的主要成分为________________(写化学式),试剂乙的名称为__________________。
(3)加入试剂甲的目的是____________________________________________________________。
(4)废水处理流程中生成滤渣Ⅲ的离子方程式为________________________________________。
Ⅱ.酸性条件下,六价铬主要以Cr2O
形式存在。
工业上用以下方法处理含Cr2O
的废水:
①往废水中加入适量的NaCl,搅拌均匀;②用Fe为电极进行电解,还原Cr2O
;③经过一段时间,最后有Cr(OH)3和Fe(OH)3沉淀产生过滤回收沉淀,废水达到排放标准。
(5)在②步中,电解法除铬的原理是(写出涉及的主要电极反应式和离子方程式)_____________________________________________________________。
(6)已知某含Cr2O
的酸性工业废水中铬元素的含量为104.5mg·L-1,处理后铬元素最高允许排放浓度为0.5mg·L-1。
处理该废水1000m3并达到排放标准至少消耗铁的质量为________kg。
【答案】
(1)过滤玻璃棒
(2)Cu(OH)2、Fe(OH)3氨水
(3)将Fe2+氧化成Fe3+
(4)AlO
+CO2+2H2O===Al(OH)3↓+HCO
(5)Fe-2e-=Fe2+Cr2O
+6Fe2++14H+===2Cr3++6Fe3++7H2O
(6)336
【解析】
(1)根据流程图,操作I得到滤渣和滤液,因此操作I为过滤;过滤中所用的玻璃仪器是烧杯、漏斗、玻璃棒;
(2)根据流程的目的,以及所含的杂质,加入过量氢氧化钠,发生Cr3++4OH-=CrO2-+2H2O、Al3++4OH-=AlO2-+2H2O、Cu2++2OH-=Cu(OH)2↓、Fe3++3OH-=Fe(OH)3↓,因此滤渣I的成分是Fe(OH)3和Cu(OH)2;因为Cu(OH)2溶于过量的氨水,形成络合物,因此试剂乙为氨水;
(3)根据工业废水的成分以及加入试剂甲后的离子,Fe2+转化成Fe3+,因此加入试剂甲的目的是把Fe2+氧化成Fe3+;
(4)利用碳酸的酸性强于偏铝酸,发生AlO2-+CO2+2H2O=Al(OH)3↓+HCO3-;
(5)电解过程中Fe作阳极,电极反应式为Fe-2e-=Fe2+,然后利用Cr2O72-的氧化性,把Fe2+氧化成Fe3+,利用化合价的升降法,进行配平,即离子反应式为:
Cr2O+6Fe2++14H+=2Cr3++6Fe3++7H2O;
(6)根据得失电子数目守恒,n(Cr)×3=n(Fe)×3,即1000×103×(104.5-0.5)×10-3×3/52=n(Fe),解得n(Fe)=6000mol,合336kg。
【习题8】以铬铁合金(含少量Co、Ni、C等元素)为原料制备Cr2O3并获得副产品FeC2O4·2H2O的工艺流程如下:
(1)工业上酸溶
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- 专题 34 元素 及其 化合物 解析