Восстановление бихромата калия алюминием в среде едкого кали. Reduction of dichromate (VI) ions with aluminum and potassium hydroxide. Химия и Химики № 4 2016

Восстановление соединений металлов в растворе атомарным водородом (точнее - водородом в момент выделения) - известные и довольно эффектные эксперименты. Например, восстановление ванадата до двухвалентного ванадия или хромата до двухвалентного хрома [1], которое проходит через промежуточные стадии.

VO₃^- => VO²⁺ => V³⁺ => V²⁺

Cr₂O₇^2- => Cr³⁺ => Cr²⁺

В упомянутых случаях источником атомарного водорода служит цинк в среде соляной кислоты.

[Строго говоря, этот вопрос дискуссионный: является ли восстановителем водород в момент выделения или имеет место другой механизм, но мы не будем углубляться в теорию].

Иногда рекомендуют использовать вместо соляной кислоты серную, но в наших экспериментах в среде серной кислоты восстановление ванадия (V) останавливалось на стадии образования ванадия (IV).

Возникла идея провести аналогичный эксперимент в щелочной среде. Для начала - с хромом. Поскольку металлический цинк реагирует с растворами щелочей плохо, взял вместо него алюминий - именно он будет служить источником атомарного водорода. Алюминий в среде едкого натра способен восстановить цинкат натрия до металлического цинка [2] - значит, металлический алюминий в щелочной среде - хороший восстановитель.

Поместил в стакан 1.2 г бихромата калия, 5.5 г едкого кали, добавил воды до 25 мл. Оранжевые кристаллы дихромата дали желтый раствор. Дихромат калия переходит в щелочной среде в желтый хромат.

K₂Cr₂O₇ + 2KOH = 2K₂CrO₄ + H₂O

Источником алюминия служила проволока. Нижний конец проволоки многократно согнул, чтобы увеличить количество алюминия, который будут контактировать с раствором. Проволока была достаточно длинная, чтобы в любой момент ее можно было вынуть из стакана (и прекратить реакцию, если она будет слишком бурной).

Опустил алюминиевую проволоку в раствор. Сначала видимых изменений не произошло, примерно через 30 секунд стало заметно выделение пузырьков водорода.

2Al + 2KOH + 6H₂O = 2K[Al(OH)₄] + 3H₂

Выделение водорода постепенно усиливалось, но не стало бурным. Со временем раствор приобрел зеленоватый оттенок, значительно позже - стал зеленым. Шестивалентный хром (желтый) восстановился водородом до трехвалентного (зеленый гидроксокомплекс).

K₂CrO₄ + 3[H] + KOH + H₂O = K₃[Cr(OH)₆]

Гидроксид трехвалентного хрома (аналогично гидроксиду алюминия) хорошо растворяется в щелочах, поэтому в осадок не выпадает - вместо этого в растворе образуется гидроксокомплекс.

Раствор стал темно-зеленым и начал сильно греться. Выделение водорода стало бурным, раствор начал сильно пениться. Чтобы пена не вышла из стакана, время от времени вынимал алюминиевую проволоку, прекращая реакцию.

Вскоре обнаружил, что, несмотря на бурное выделение водорода, образование пены уменьшилось. Раствор стал вязким: образовался сероватый гелеобразный осадок. Сомнений не было: это гидроксид хрома (III).

Дело в том, что гидроксиды хрома (III) и алюминия растворяются в холодных растворах щелочи, но при кипячении гидроксид хрома выпадает в осадок (гидроксокомплекс хрома разрушается). Гидроксид алюминия при кипячении остается в растворе (это зависит от условий, но гидроксокомплекс алюминия при кипячении более стабилен, чем гидроксокомплекс хрома (III) ).

K₃[Cr(OH)₆] = Cr(OH)₃ + 3KOH

Поскольку раствор нагрелся до кипения, гидроксид хрома (III) выпал в осадок. Вынул алюминий, добавил в стакан холодной воды, перемешал. Смесь остыла, гидроксид хрома (III) снова растворился. Вот так!

Cr(OH)₃ + 3KOH = K₃[Cr(OH)₆]

Опять опустил алюминиевую проволоку в стакан, реакция продолжилась. Со временем гидроксид хрома снова выпал в осадок. По-видимому, это результат того, что гидроксид калия расходуется в реакции с алюминием, что вызывает разрушение гидроксокомплекса хрома.

Оставил реакционную смесь на ночь. Она стала серо-голубой, пастообразной. Алюминиевая проволока стала очень тонкой (та ее часть, что была опущена в раствор). По виду смесь напоминала гидроксид хрома. Возможно, вместе с ним выпал и гидроксид алюминия, но это не так важно, поскольку целью было установить, каким будет результат реакции, а не получить чистый гидроксид хрома (III). (Если вам нужен именно чистый гидроксид хрома (III) - см. [2]).

Таким образом, хромат калия восстанавливается металлическим алюминием в среде едкого кали до гидроксида хрома (III).

Если честно, надежды на образование двухвалентного хрома (как в случае с соляной кислотой и цинком) у меня не было, поскольку гидроксид хрома (II) - сильный восстановитель, способный даже выделять водород из воды. Надежда на образование металлического хрома была, но этого не произошло.

__________________________________________________
¹ См. статьи Восстановление ванадата аммония атомарным водородом. Reduction of Ammonium Vanadate by Nascent Hydrogen [ссылка] Восстановление бихромата калия атомарным водородом. Reduction of Potassium Dichromate by Nascent Hydrogen [ссылка]

² См. статью Получение металлического цинка из водного раствора. The precipitation of metallic zinc from an aqueous solution [ссылка]

Watch the video / Смотреть Видео (175 Мб, .avi )