Оксид хрома(III)

Оксид хрома(III) — это бинарное неорганическое соединение хрома и кислорода с химической формулой Cr₂O₃. В чистом виде представляет собой тугоплавкий порошок от тёмно-зелёного до чёрного цвета, нерастворимый в воде. Относится к классу амфотерных оксидов, является основным оксидом хрома в степени окисления +3. Широко применяется в промышленности как пигмент (хромовая зелень), абразивный материал и компонент для производства металлического хрома и его сплавов.

Физические свойства

Оксид хрома(III) представляет собой кристаллическое вещество с плотностью около 5,22 г/см³. Температура плавления составляет 2435 °C, температура кипения — около 4000 °C. Твёрдость по шкале Мооса достигает 8,5–9, что делает его одним из самых твёрдых оксидов (после корунда и алмаза). Цвет варьируется от ярко-зелёного до почти чёрного в зависимости от примесей, размера частиц и условий синтеза. Кристаллическая решётка — тригональная (типа корунда, α-Al₂O₃). Оксид не растворяется в воде, спиртах и большинстве кислот, но проявляет химическую активность в концентрированных растворах щелочей и сильных окислителей.

Химические свойства

Cr₂O₃ — амфотерный оксид, то есть способен реагировать как с кислотами, так и с основаниями. При сплавлении с кислотами (например, серной) образует соли хрома(III), например, сульфат хрома(III) Cr₂(SO₄)₃. При сплавлении со щелочами или карбонатами щелочных металлов образуются хромиты — соли хромистой кислоты HCrO₂, например, хромит натрия NaCrO₂. В присутствии окислителей (например, хлората калия KClO₃ или нитрата натрия NaNO₃) при сплавлении со щелочами Cr₂O₃ окисляется до хроматов(VI), например, хромата натрия Na₂CrO₄. Восстанавливается до металлического хрома при нагревании с углеродом, алюминием (алюминотермия) или кремнием.

Получение

Основные промышленные способы получения оксида хрома(III):

• Восстановление дихромата натрия: Na₂Cr₂O₇ + 2С → Cr₂O₃ + Na₂CO₃ + CO (при нагревании с углеродом). Полученный продукт отмывают от солей.
• Термическое разложение дихромата аммония: (NH₄)₂Cr₂O₇ → Cr₂O₃ + N₂ + 4H₂O. Реакция экзотермична, протекает при нагревании до 200–300 °C, продукт получается в виде объёмного зелёного порошка.
• Восстановление хромового ангидрида (CrO₃): 4CrO₃ → 2Cr₂O₃ + 3O₂ (при нагревании).
• Алюминотермия: Cr₂O₃ + 2Al → 2Cr + Al₂O₃ (используется для получения металлического хрома, но оксид может быть побочным продуктом).

В лабораторных условиях Cr₂O₃ получают прокаливанием гидроксида хрома(III) Cr(OH)₃ или хроматов(III) щелочных металлов.

Применение

Пигменты и лакокрасочная промышленность

Оксид хрома(III) — основной зелёный неорганический пигмент, известный как хромовая зелень. Отличается высокой светостойкостью, термостойкостью, устойчивостью к агрессивным средам (кислотам, щелочам, атмосферным воздействиям). Используется для окрашивания красок, эмалей, пластмасс, керамики, стекла, строительных материалов (например, тротуарной плитки), а также в производстве зелёных типографских красок и карандашей.

Абразивные материалы

Благодаря высокой твёрдости Cr₂O₃ применяется как абразивный порошок для шлифовки и полировки металлов, стекла, керамики, драгоценных камней. Входит в состав полировальных паст (например, пасты ГОИ — Государственного оптического института) для финишной обработки поверхностей.

Металлургия

Оксид хрома(III) — основной источник хрома при производстве феррохрома (сплава железа с хромом) и металлического хрома. Восстановление Cr₂O₃ углеродом в электропечах даёт феррохром, а алюминотермическое восстановление — чистый хром. Хром используется для легирования стали, придания ей коррозионной стойкости, твёрдости и жаропрочности.

Огнеупорные материалы

Cr₂O₃ обладает высокой температурой плавления и химической стойкостью, поэтому используется в производстве огнеупорных кирпичей, тиглей, футеровок печей, работающих в агрессивных средах (например, в стекловаренных печах).

Катализаторы

Оксид хрома(III) применяется в качестве катализатора в некоторых химических процессах, например, в дегидрировании углеводородов, синтезе аммиака (в смеси с другими оксидами), а также в процессах окисления.

Прочие применения

• В производстве керамических глазурей и эмалей для придания зелёного цвета.
• В качестве компонента хроматных покрытий (например, в авиационной и космической технике).
• В пиротехнике — для создания зелёного пламени (в смеси с окислителями).
• В аналитической химии — как эталонное вещество для определения содержания хрома.

Токсикология и безопасность

Оксид хрома(III) считается малоопасным соединением (класс опасности 3 по ГОСТ 12.1.007-76). В отличие от соединений хрома(VI) (хроматов и дихроматов), которые являются сильными канцерогенами и мутагенами, Cr₂O₃ не проявляет выраженной токсичности при пероральном поступлении. Однако при вдыхании пыли может вызывать раздражение дыхательных путей, а при длительном контакте с кожей — дерматиты. Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны составляет 1 мг/м³ (в пересчёте на Cr₂O₃). При работе с тонкодисперсным порошком рекомендуется использовать респираторы и защитные очки.

История

Оксид хрома(III) был впервые получен в 1797 году французским химиком Луи-Николя Вокленом, который также открыл сам элемент хром. Воклен выделил Cr₂O₃ при разложении хромата калия. Промышленное производство хромовой зелени началось в середине XIX века, и пигмент быстро вытеснил менее стойкие зелёные красители (например, зелень Шееле, содержащую мышьяк). В России производство оксида хрома(III) было налажено в конце XIX века на Урале.

Интересные факты

• Оксид хрома(III) придаёт зелёный цвет изумрудам (примесь хрома в корунде Al₂O₃).
• В 2010 году исследователи из Университета Брауна (США) обнаружили, что Cr₂O₃ обладает антиферромагнитными свойствами при температурах ниже 307 К (34 °C), что делает его перспективным для спинтроники.
• В смеси с оксидом алюминия (Al₂O₃) Cr₂O₃ используется для создания рубиново-красных лазерных кристаллов (легированный хромом корунд — рубин).
• В природе оксид хрома(III) встречается в виде минерала эсколаита, названного в честь финского геолога Пентти Эскола. Эсколаит — редкий минерал, встречается в метаморфических породах.

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2.
• Лидин Р. А., Молочко В. А., Андреева Л. Л. Химические свойства неорганических веществ. — М.: Химия, 2000.
• ГОСТ 2912-79 «Оксид хрома (III) технический. Технические условия».
• Greenwood N. N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements. — 2nd ed. — Butterworth-Heinemann, 1997.
• Cotton F. A., Wilkinson G. Advanced Inorganic Chemistry. — 6th ed. — Wiley, 1999.