Laboratorio di chimica in casa/Estrazione del cromo dall'acciaio inox

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Laboratorio di chimica in casa

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Acciaio inossidabile (inox) è un termine che indica una famiglia di leghe a base di ferro, cromo, carbonio ed altri elementi in tracce, utilizzate per produrre utensili resistenti alla corrosione.
La lega inossidabile più comune in ambiente domestico è l'AISI 420, utilizzata per creare posate, utensili da taglio, componenti idrauliche (valvole, rubinetti, carburatori ecc.) e parti di elettrodomestici. La sua composizione (P/P) è la seguente: ferro 85.617%, cromo 13.0%, carbonio 0.45%, manganese 0.50%, silicio 0.40%, fosforo 0.03% e zolfo 0.003%. L'AISI 430 ha impieghi e composizione simile all' AISI 420, ma ha un maggior tenore di cromo (16.70%) ed è usata anch'essa per produrre utensili e componenti idrauliche.
Le altre leghe reperibili in casa possono avere un tenore di cromo leggermente più alto o più basso (dall'11% al 18%) con tracce di altri materiali quali nichel e molibdeno. Queste leghe sono tutte ferromagnetiche.^[1]
Da queste leghe è possibile estrarre composti del cromo puri in quantità convenienti.

Attenzione:il metallo cromato non è l'acciaio inox, e non vanno utilizzati pezzi di metallo cromati, bensì utensili composti da lega martensitica.

Estrazione di composti del cromo

Occorrente

Per eseguire l'esperimento serviranno:

Acido solforico
Ammoniaca
Ipoclorito di sodio
Idrossido di sodio (facoltativo)
Oggetti di acciaio inox
Un cilindro graduato
Imbuto e carta da filtro
Due recipienti

Coltello di acciaio inox corroso dall'acido.

Gli oggetti di casa da cui estrarre il cromo possono essere posate o componenti di elettrodomestici rotti.

1. La prima cosa da fare è sciogliere gli utensili inox in acido solforico. Va bene sia acido concentrato che acido per batterie, e le quantità sono 1,78 mol di H₂SO₄ ogni 100 g di lega, cioè 95 ml di acido 100% o 466 ml di acido al 30% per batterie (ma si consiglia di procedere in difetto di acido soprattutto per controllare l'esotermicità della reazione).^[2] La temperatura può essere quella ambiente, ma la reazione viene accelerata se condotta in acqua bollente.^[3]
Le reazioni che avvengono sono le seguenti:^[4]

Fe_85.617Cr_13.0Mn_0.5C_0.45Si_0.4P_0.03S_0.003 (s) + H₂SO_{4 (aq)} → 85.617% FeSO_{4 (aq)} + 13% Cr₂(SO₄)_{3 (aq)} + 0.5% MnSO_{4 (aq)} + 1.18% {Si + C + S + P}↓ + H₂↑

Il risultato è una densa soluzione nera con riflessi azzurri se messa controluce, più un precipitato nero di carbonio, silicio, zolfo e fosforo. La percentuale di acciaio che si scioglie è circa il 98.8%, mentre precipita solo lo 1.2% del materiale utilizzato. Tuttavia andrà scartato circa l'87% del soluto.^[5]

2. Alla soluzione si aggiunge ammoniaca, la quale avvia la seguente reazione:

86.82% FeSO_{4 (aq)} + 13.18% Cr₂(SO₄)_{3 (aq)} + 5.07% MnSO_{4 (aq)} + NH_{3 (aq)} → 86.82% Fe(OH)₂↓ + 13.18% Cr(OH)₃↓ + 0.51% Mn(OH)₂↓ + (NH₄)₂SO_{4 (aq)}

In questo modo si ottiene un precipitato di composto dagli idrossidi del soluto e dalle tracce di elementi precedentemente precipitati che non è stato necessario rimuovere. Questo precipitato è di colore verde dovuto agli idrossidi di Fe(II) e Cr(III), anche se può presentare tracce bianche di Fe(OH)₂.^[6]
La stessa reazione si poteva ottenere aggiungendo NaHCO₃ o NaOH, ma quest'ultima non dev'essere aggiunta in eccesso per non solubilizzare Cr(OH)₃ che si scioglie in soluzione alcalina.^[7]

3. La soluzione va poi filtrata e va conservato il precipitato (anche il soluto se si vuole) che va sciacquato e messo in un recipiente pulito per l'ultimo trattamento. Si noti che il cambiamento di colore del precipitato durante la filtrazione è normale, ed è dovuto all'ossidazione dell'idrossido ferroso (colore blu-verde) che esposto all'ossigeno genera idrossido ferrico.

A questo punto si possono scegliere varie modalità per estrarre diversi composti del cromo.

Idrossido di cromo

Cromato di sodio

Addizionando al precipitato dell'ipoclorito di sodio (circa 930 ml ogni 100 g di AISI 420)^[8] si ossida il Cr(III) a Cr(VI), secondo la seguente reazione:

2 Cr(OH)₃ + 5 NaClO → 2 Na₂CrO₄ + 3 H₂O + NaCl + 2 Cl₂↑

La reazione sviluppa cloro, per tanto va eseguita all'aperto. Dopo aver addizionato l'ipoclorito di sodio vanno obbligatoriamente indossati i guanti, a causa della tossicità del cormo(VI).
Il cromato di sodio prodotto entra in soluzione tingendola di un giallo paglierino mentre gli idrossidi di ferro e manganese rimangono sul fondo. A questo punto il liquido va filtrato (se necessario due o tre volte) e fatto evaporare. Si otterrà una miscela di Cromato di sodio idrato ed NaCl in rapporto molare 1:1 in quanto 1 mol di NaCl viene prodotta dalla reazione, assieme a 2 mol di Na₂CrO₄, mentre l'altra è già presente in soluzione con l'NaClO in rapporto molare di 1:1.
Se si aggiunge idrossido di sodio alla soluzione, la reazione avviene senza sviluppo di cloro ma con maggior produzione di cloruro di sodio:

2 Cr(OH)₃ + 3 NaClO + 4 NaOH → 2 Na₂CrO₄ + 3 NaCl + 5 H₂O

Caratteristiche della miscela

Smaltimento dei residui di cromo(VI)

I residui e la strumentazione utilizzati nelle reazioni coinvolgenti composti del cromo esavalente vanno trattate con agenti riducenti per convertire il Cr(VI) a Cr(III). Ciò viene fatto prima di gettare i residui di precipitato trattati per estrarne cromati, e così anche qualsiasi altra sostanza contenente cromo esavalente. A questo scopo vanno bene i sali di ferro(II) come FeSO₄ o FeCl₂.
In questo modo il cromo ridotto a Cr(III) risulta notevolmente meno tossico del cancerogeno Cr(VI).

Video

(EN) Make potassium dichromate from Stainless Steel

Video in cui viene spiegato come produrre dicromato di potassio partendo da acciaio inox. Nel video la lega viene sciolta in una soluzione calda di bisolfato di sodio al posto dell'acido solforico, e trasformato in seguito utilizzando una candeggina a base di KClO al posto di NaClO. Dopo aver aggiunto la candeggina la soluzione contiene impurità di ferrato di potassio che vengono fatte precipitare sottoforma di Fe(OH)₃ aggiungendo ammoniaca, che viene trasformata in acqua e azoto gassoso dallo ione ferrato; tuttavia utilizzando solo composti del sodio non si ha la formazione di ioni ferrato, in quanto il ferrato di sodio (al contrario di quello di potassio) non si forma.

Capitoli correlati

Note

↑ Schede tecniche: AISI 410, AISI 420, AISI 430, AISI 440.
↑ I calcoli stechiometrici effettuati sono i seguenti: per 100 g di lega le moli dei diversi metalli sono le seguenti:
${\frac {85,617\;g}{55,85\;{\frac {g}{mol}}}}=1,53\;mol\ {\xrightarrow[{FeSO_{4}}]{\times \;1\ H_{2}SO_{4}}}\ 1,53\;mol$

${\frac {13,0\;g}{52,0\;{\frac {g}{mol}}}}=0,25\;mol{\xrightarrow[{Cr_{2}(SO_{4})_{3}}]{\times \;{\frac {2}{3}}\ H_{2}SO_{4}}}\ 0,16\;mol$

${\frac {0,5\;g}{54,94\;{\frac {g}{mol}}}}=9,1\!\cdot \!10^{-3}\;mol{\xrightarrow[{MnSO_{4}}]{\times \;1\ H_{2}SO_{4}}}\ 0,09\;mol$

$H_{2}SO_{4}\;tot=1,78\;mol\ {\xrightarrow {\times 98,09\;{\frac {g}{mol}}}}\ 174,6\;g\ {\xrightarrow[{H_{2}SO_{4}100\%}]{:\;1,84\;{\frac {g}{ml}}}}94,89\;ml$
In questo modo sonostati calcolati i millilitri di soluzione di acido solforico concentrato. Per quelli in concentrazione del 30% P/P:
${\frac {174,6\;g\;\times \;100}{30}}=582\;g\ {\xrightarrow {:\;1,25\;{\frac {g}{ml}}}}=465,6\;ml$
In questo modo dai grammi di acido e la concentrazione P/P sono stati ricavati i corrispettivi Kg di soluzione acquosa, infine avendo la densità (tabulata qui) dai chili sono stati ricavati i litri di soluzione.
↑ Quest'ultima modalità è sconsigliata poiché la reazione procede abbastanza velocemente già a temperatura ambiente con acido diluito, e scaldando la soluzione si producono vapori acidi e schizzi d'acqua (prodotti dalle bollicine di idrogeno) dannosi per la persona e per gli oggetti circostanti.
↑ I numeri riportati non sono i coefficienti stechiometrici dei composti ma le loro percentuali in P/P sul totale dei reagenti/prodotti di reazione.
↑ Da adesso le percentuali in P/V sono quelle dei composti del soluto, cioè del pezzo di acciaio meno l'1,18% di precipitato. Esse sono state calcolate in questo modo: ${\frac {X\%_{1}}{98.617}}\!\times 100=X\%_{2}$
↑ L'idrossido ferroso solitamente è verde a pH 7, è bianco in ambiente fortemente alcalino o in acqua deossigenata e si scurisce trasformandosi in Fe(OH)₃ ed altri ossidi man mano che si ossida all'aria. Per questo il precipitato può risultare verde, marrone o bianco.
↑ Breve video dimostrativo.
↑ Sapendo che il precipitato contiene 0.25 mol di Cr(OH)₃ e che queste, in base ai coefficienti stechiometrici della reazione riportata sotto, reagiscono con 0.625 mol di NaClO, e conoscendo la concentrazione di quest'ultima (~5% P/V) posso ricavare i millilitri di soluzione da utilizzare:
$5,0\%=50\;{\frac {g}{L}}\ {\xrightarrow[{NaClO}]{:\;74,442\;{\frac {g}{mol}}}}=0,67\;M$
$0,625mol\;:\;0,67\;{\frac {mol}{L}}=932,8ml$
L'AISI 430 contiene il 3,7% di cromo in più, quindi produrrà il 3,7% in più di Cr(OH)₃ e di conseguenza anche di NaClO:
$933ml\;+\;{\frac {933ml\;\times \;3,7}{100}}=967ml$
Comunque è sempre consigliato usare candeggina in eccesso, visto che questa col tempo diminuisce di concentrazione, e per essere sicuri di non sprecare neanche un grammo di Cr(OH)₃.

[1] Schede tecniche: AISI 410, AISI 420, AISI 430, AISI 440.

[2] I calcoli stechiometrici effettuati sono i seguenti: per 100 g di lega le moli dei diversi metalli sono le seguenti:
${\frac {85,617\;g}{55,85\;{\frac {g}{mol}}}}=1,53\;mol\ {\xrightarrow[{FeSO_{4}}]{\times \;1\ H_{2}SO_{4}}}\ 1,53\;mol$

${\frac {13,0\;g}{52,0\;{\frac {g}{mol}}}}=0,25\;mol{\xrightarrow[{Cr_{2}(SO_{4})_{3}}]{\times \;{\frac {2}{3}}\ H_{2}SO_{4}}}\ 0,16\;mol$

${\frac {0,5\;g}{54,94\;{\frac {g}{mol}}}}=9,1\!\cdot \!10^{-3}\;mol{\xrightarrow[{MnSO_{4}}]{\times \;1\ H_{2}SO_{4}}}\ 0,09\;mol$

$H_{2}SO_{4}\;tot=1,78\;mol\ {\xrightarrow {\times 98,09\;{\frac {g}{mol}}}}\ 174,6\;g\ {\xrightarrow[{H_{2}SO_{4}100\%}]{:\;1,84\;{\frac {g}{ml}}}}94,89\;ml$
In questo modo sonostati calcolati i millilitri di soluzione di acido solforico concentrato. Per quelli in concentrazione del 30% P/P:
${\frac {174,6\;g\;\times \;100}{30}}=582\;g\ {\xrightarrow {:\;1,25\;{\frac {g}{ml}}}}=465,6\;ml$
In questo modo dai grammi di acido e la concentrazione P/P sono stati ricavati i corrispettivi Kg di soluzione acquosa, infine avendo la densità (tabulata qui) dai chili sono stati ricavati i litri di soluzione.

[3] Quest'ultima modalità è sconsigliata poiché la reazione procede abbastanza velocemente già a temperatura ambiente con acido diluito, e scaldando la soluzione si producono vapori acidi e schizzi d'acqua (prodotti dalle bollicine di idrogeno) dannosi per la persona e per gli oggetti circostanti.

[4] I numeri riportati non sono i coefficienti stechiometrici dei composti ma le loro percentuali in P/P sul totale dei reagenti/prodotti di reazione.

[5] Da adesso le percentuali in P/V sono quelle dei composti del soluto, cioè del pezzo di acciaio meno l'1,18% di precipitato. Esse sono state calcolate in questo modo: ${\frac {X\%_{1}}{98.617}}\!\times 100=X\%_{2}$

[6] L'idrossido ferroso solitamente è verde a pH 7, è bianco in ambiente fortemente alcalino o in acqua deossigenata e si scurisce trasformandosi in Fe(OH)₃ ed altri ossidi man mano che si ossida all'aria. Per questo il precipitato può risultare verde, marrone o bianco.

[7] Breve video dimostrativo.

[8] Sapendo che il precipitato contiene 0.25 mol di Cr(OH)₃ e che queste, in base ai coefficienti stechiometrici della reazione riportata sotto, reagiscono con 0.625 mol di NaClO, e conoscendo la concentrazione di quest'ultima (~5% P/V) posso ricavare i millilitri di soluzione da utilizzare:
$5,0\%=50\;{\frac {g}{L}}\ {\xrightarrow[{NaClO}]{:\;74,442\;{\frac {g}{mol}}}}=0,67\;M$
$0,625mol\;:\;0,67\;{\frac {mol}{L}}=932,8ml$
L'AISI 430 contiene il 3,7% di cromo in più, quindi produrrà il 3,7% in più di Cr(OH)₃ e di conseguenza anche di NaClO:
$933ml\;+\;{\frac {933ml\;\times \;3,7}{100}}=967ml$
Comunque è sempre consigliato usare candeggina in eccesso, visto che questa col tempo diminuisce di concentrazione, e per essere sicuri di non sprecare neanche un grammo di Cr(OH)₃.

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