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鉻

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鉻 24Cr
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－
↑
鉻
↓
鉬
釩 ← 鉻 → 錳
外觀
銀色、具光澤的金屬鉻
概況
名稱·符號·序數鉻（Chromium）·Cr·24
元素類別過渡元素
族·週期·區6·4·d
標準原子質量51.9961(6)[1]
電子排布[Ar] 3d5 4s1
2, 8, 13, 1
鉻的電子層（2, 8, 13, 1）
鉻的電子層（2, 8, 13, 1）
歷史
發現路易-尼古拉·沃克蘭（1794年）
分離路易-尼古拉·沃克蘭（1797年）
物理性質
物態固體
密度（接近室溫）
7.19 g·cm−3
熔點時液體密度6.3 g·cm−3
熔點2180 K，1907 °C，3465 °F
沸點2944 K，2671 °C，4840 °F
熔化熱21.0 kJ·mol−1
汽化熱339.5 kJ·mol−1
比熱容23.35 J·mol−1·K−1
蒸氣壓
壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 1656 1807 1991 2223 2530 2942
原子性質
氧化態+6, +5, +4, +3, +2, +1, -1, -2
（兩性氧化物）
電負性1.66（鮑林標度）
電離能第一：652.9 kJ·mol−1
第二：1590.6 kJ·mol−1
第三：2987 kJ·mol−1
（更多）
原子半徑128 pm
共價半徑139±5 pm
鉻的原子譜線
雜項
晶體結構體心立方
磁序AFM (即SDW[2])
電阻率（20 °C）125 n Ω·m
熱導率93.9 W·m−1·K−1
膨脹係數（25 °C）4.9 µm·m−1·K−1
聲速（細棒）（20 °C）5940 m·s−1
楊氏模量279 GPa
剪切模量115 GPa
體積模量160 GPa
泊松比0.21
莫氏硬度8.5
維氏硬度1060 MPa
布氏硬度1120 MPa
CAS號7440-47-3
同位素
主條目：鉻的同位素
同位素 豐度 半衰期​（t1/2） 衰變
方式 能量​（MeV） 產物
48Cr 人造 21.56 小時 β+ 0.635 48V
50Cr 4.345% 穩定，帶26粒中子
51Cr 人造 27.7015 天 ε 0.752 51V
52Cr 83.789% 穩定，帶28粒中子
53Cr 9.501% 穩定，帶29粒中子
54Cr 2.365% 穩定，帶30粒中子
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鉻（ㄍㄜˋ）（英語：Chromium；源於拉丁語：Chroma，意為顏料），是一種化學元素，元素符號為Cr，原子序數為24，原子量為51.9961 u，在第六族元素中排行首位。鉻元素是一種銀灰色，具金屬光澤，堅硬而脆的過渡金屬[3]，其莫氏硬度達到8.5為眾金屬中最高。鉻是一種高價值的金屬，其經高度拋光後，仍能抵抗鏽蝕；鉻亦為不鏽鋼的主要添加物，為其提供防蝕特性。拋光的鉻金屬可以反射約70%可見光以及近乎90%紅外光[4]。 其命名源自於古希臘語χρῶμα（拉丁化：chrōma），原意為「色彩或顏料」[5]，因為大多數鉻的化合物都具有顏色。

鉻鐵（英語：Ferrochrome）合金是由鉻鐵礦通過矽熱（英語：Silicothermic reaction）或鋁熱反應，再和鉻金屬經由鍛燒及浸濾（英語：Leaching (metallurgy)）過程，接著以碳和鋁還原而生成的。鉻金屬的價值在於其具有高度耐腐蝕性和硬度。鋼鐵生產中的一個重大發展是發現藉由添加金屬鉻形成不銹鋼，可使鋼材具有高度耐腐蝕和褪色的特性。不銹鋼和鍍鉻（英語：Chrome plating）（使用電鍍法）共佔商業用途的85%。

在美國，三價鉻離子（Cr(III)）被認為是人體的必須營養素，用於胰島素、糖和脂質代謝[6]，然而在2014年，歐盟歐洲食品安全局得出結論，認定目前沒有足夠證據證實鉻元素是不可或缺的營養素[7]。

鉻金屬及三價鉻離子（Cr(III)）不具毒性，但六價鉻離子（Cr(VI)）具有毒性且為致癌物質，產生廢棄鉻的場所需要進行環境清除。

字源

  提示：此章節的主題不是chrome。

鉻由發現者路易-尼古拉·沃克蘭命名為法語：chrome，源自希臘語「χρώμα」（拉丁化：chrōma），字面意思是顏色或顏料[8][9]，因為由這種元素構成的化合物擁有許多不同顏色。chromium是美式英文與拉丁語，根據chrome，加上金屬離子常用的詞尾-ium之後形成[10]。法文與英式英文為Chrome，德文為Chrom[11]。在現代標準漢語中，鉻的讀音爲ㄍㄜˋ（音同「各」），中國大陸地區1985年前讀作ㄌㄨㄛˋ（音同「洛」）。

歷史

1761年，德國人約翰·戈特洛布·萊曼（Johann Gottlob Lehmann）在烏拉山區發現一種橘紅色的金屬礦，取名為西伯利亞紅鉛，但這種礦石實際上由鉻鉛礦構成。1770年，彼得·西蒙·帕拉斯在同一個地點，見到這種礦石。這種金屬被帶回歐洲後，被當成顏料，使用於油畫等地方。當時歐洲鉻鉛礦都需要由俄國輸入，產量不大。

1797年，法國人路易-尼古拉·沃克蘭得到一些鉻鉛礦樣本。經過與鹽酸混合，他從中製作出三氧化鉻。1798年，在加熱三氧化鉻溶液之後，沃克朗從中分離出鉻，確認為化學元素之一。

1994年，中國兵馬俑二號坑開挖， 坑中取出來的一批秦朝青銅劍經過檢驗後發現外層鍍上了一層含有約10微米的鉻鹽化合物，後經研究發現是受到漆的污染。[12][13]

來源

自然界沒有游離狀態的鉻，主要的礦物是鉻鉛礦（Chromite， (Fe,Mg)Cr2O4）。

主要分布在東非大裂谷、烏拉爾褶皺帶、阿爾卑斯—喜馬拉雅褶皺帶、環太平洋礦帶。中國嚴重缺乏鉻資源，保有鉻鐵礦礦石1000萬噸。鉻鐵礦石年產量約20萬噸。由於中國是不鏽鋼生產大國，鉻嚴重依賴進口。南非與哈薩克斯坦占世界儲量的95%。此外，津巴布韋、阿爾巴尼亞、土耳其等國儲量較高。

美國地質調查局發布的數據顯示，2013年和2014年，全球鉻年產量如下（單位千噸）：

國家 2000年 2014年
南非 13650 15000
哈薩克斯坦 3700 4050
土耳其 3300 2355
印度 2950 3000
其他國家 5150 4600
世界儲量 28800 29000

性質

物理性質

鉻是元素週期表中第四個被發現的過渡金屬，其電子組態為[Ar]3d54s1，鉻是週期表中基態電子組態違反遞建原理的第一個元素，此現象也陸續在其他元素的電子組態中出現，像是銅（Cu）、鈮（Nb）和鉬（Mo）[14]。會發生這個現象，乃是相同軌域中兩個電子發生排斥所造成。 遵守遞建原理的元素，其將電子躍遷至較高能階所需的能量極大，不足以彌補其減少成對電子間的斥力所降低的能量[15]；然而在3d過渡金屬中，4s軌域與鄰近較高能階的3d軌域間，能隙非常小，而3d軌域擁有五個等能階的軌域，其相同自旋的電子可以互換而降低能量，獲得穩定。 以鉻為例，依照遞建原理，電子組態應為[Ar]4s23d4，但若電子組態為[Ar]4s13d5，使4s和3d軌域皆呈現半填滿狀態，則可降低能量，使之更穩定。

化學性質

鉻在室溫下化學性質穩定，但在紅熱時會與空氣作用生成藍色的氧化層。 可溶於稀鹽酸和稀硫酸，在冷的濃硝酸或王水中鈍化。[16]

化合物

鉻酸根CrO2−
4 呈黃色是常見的氧化劑。重鉻酸根Cr
2O2−
7呈橙色。鉻離子Cr3+
綠色。亞鉻離子Cr2+呈藍色

鉻的氧化態[17]
−2 Na
2[Cr(CO)
5]
−1 Na
2[Cr
2(CO)
10]
0 Cr(C
6H
6)
2
+1 K
3[Cr(CN)
5NO]
+2 CrCl
2
+3 CrCl
3
+4 K
2CrF
6
+5 K
3CrO
8
+6 K
2CrO
4

同位素

參見：鉻的同位素

鉻共有28個同位素，其中三個是穩定的，即52Cr、53Cr和54Cr。52Cr的豐度最高，約83.789%。

應用

大多用於製不銹鋼等特殊鋼，例如：汽車零件、工具、磁帶、錄影帶、菜刀等廚房用品。可以提升鋼的強度又具極佳的耐熱性，使用於製造飛機引擎及核能器械用的超合金（超耐熱抗蝕合金）及鍍覆等用途。[18]

鍍鉻分為防護裝飾性鍍鉻和耐磨鍍鉻兩大類。前者是防止基體金屬生鏽和美化產品外觀，後者是提高機械零件的硬度、耐磨、耐蝕和耐溫等性能。鍍鉻層具有很高的硬度和很低的摩擦係數。裝飾鍍鉻是在光亮的底層鍍上0.25~2um的鉻層。多孔鉻主要用於氣缸內腔、活塞環上，利用其微孔吸入的潤滑油來提高零件的耐磨性。鍍黑鉻層則用於需要消光而又耐磨的零件上。鍍乳白鉻主要用於各種量具。[19]

鉻可用來製作顏料「鉻綠」及「鉻黃」。

碳化鉻

鉻的碳化物可以作為晶粒抑制劑，在硬質合金和陶瓷領域加入應用。其中在硬質合金的應用尤為重要。其中抑制作用Cr3C2＞NbC。[20]

其中在煉鋼過程中，加入碳化鉻能大幅度提高鋼的韌性、抗彎程度和抗氧化性。[21]

三價鉻的生理作用

鉻是人體必需的微量元素，在肌體的糖代謝和脂代謝中發揮特殊作用。三價的鉻是對人體有益的元素，而六價鉻是有毒的。人體對無機鉻的吸收利用率極低，不到1%；人體對有機鉻的利用率可達10-25%。鉻在天然食品中的含量較低、均以三價的形式存在。

確切地說，鉻的生理功能是與其它控制代謝的物質一起配合起作用，如激素、胰島素、各種酶類、細胞的基因物質（DNA和RNA）等。鉻的生理功能主要有：

  1. 是葡萄糖耐量因子的組成部分，對調節體內糖代謝、維持體內正常的葡萄糖耐量起重要作用。
  2. 影響機體的脂質代謝，降低血中膽固醇和甘油三酯的含量，預防心血管疾病。
  3. 是核酸類（DNA和RNA）的穩定劑，可防止細胞內某些基因物質的突變並預防癌症。

正常健康成人每天尿裡流失約1微克鉻。

啤酒酵母、廢糖蜜[需要解釋]、乾酪、蛋、肝、蘋果皮、香蕉、牛肉、麵粉、雞以及馬鈴薯等為鉻的主要來源。

六價鉻的危害

主條目：六價鉻
  • 危害途徑：吸入、皮膚接觸等。

對皮膚

皮膚直接接觸鉻化合物所造成的傷害：

鉻性皮膚潰瘍（鉻瘡）

鉻化合物並不損傷完整的皮膚，但當皮膚擦傷而接觸鉻化合物時即可發生傷害作用。鉻性皮膚潰瘍的發病率偶然性較高，主要與接觸時間長短，皮膚的過敏性及個人衛生習慣有關。鉻瘡主要發生於手、臂及足部，但只要皮膚發生破損，不管任何部位，均可發生。指甲根部是暴露處，容易積留髒物，皮膚也最易破損，因此這些部位也易形成鉻瘡。形成鉻瘡前，皮膚最初出現紅腫，具搔癢感，不作適當治療可侵入深部。潰瘍上蓋有分泌物的硬痂，四周部隆起，中央深而充滿腐肉，邊緣明顯，呈灰紅色，局部疼痛，潰瘍部呈倒錐形，潰瘍面較小，一般不超過3mm，有時也可大至12—30mm，或小至針尖般大小，若忽視治療，進一步發展可深放至骨部，劇烈疼痛，癒合甚慢。

鉻性皮炎及濕疹

接觸六價鉻也可發生鉻性皮炎及濕疹，患處皮膚搔癢並形成水泡，皮膚過敏者接觸鉻污染物數天後即可發生皮炎，鉻過敏期長達3—6月，濕疹常發生於手及前臂等暴露部份，偶爾也發生在足及踝部，甚至臉部、背部等。

對呼吸道

鉻性鼻炎

接觸鉻鹽常見的呼吸道職業病是鉻性鼻炎，該病早期症狀為鼻粘膜充血，腫脹、鼻腔乾燥、搔癢、出血，嗅覺減退，粘液分泌增多，常打噴嚏等，繼而發生鼻中隔潰疹，潰疹部位一般在鼻中隔軟骨前下端1.5cm處，無明顯疼痛感。

鉻性鼻炎根據潰瘍及穿孔程度，可為三期：

  1. 糜爛性鼻炎，鼻中隔粘膜縻爛，呈灰白色斑點。
  2. 潰瘍性鼻炎，鼻中隔變薄，鼻粘膜呈凹性缺損，表面有濃性痂蓋，鼻中粘膜蒼白，嗅覺明顯衰退。
  3. 鼻中隔穿孔，鼻中隔軟骨可見圓形成三角形孔洞穿孔處有黃色痂，鼻粘膜萎縮，鼻腔乾燥。

對眼及耳

眼皮及角膜接觸鉻化合物可能引起刺激及潰瘍，症狀為眼球結膜充血、有異物感、流淚刺痛、視力減弱，嚴重時可導致角膜上皮脫落。

鉻化合物侵蝕鼓膜及外耳引起潰瘍僅偶然發生。

對腸胃道

誤食入六價鉻化合物可引起口腔粘膜增厚，水腫形成黃色痂皮，反胃嘔吐，有時帶血，劇烈腹痛，肝腫大，嚴重時使循環衰竭，失去知覺，甚至死亡。六價鉻化合物在吸入時是有致癌性的，會造成肺癌。[22]

全身中毒

此種情況甚少，症狀是：頭痛消瘦，腸胃失調，肝功能衰竭，腎臟損傷，單接血球增多，血鈣增多及血磷增多等。

急救措施

  • 皮膚接觸：脫去被污染的衣着，用流動清水沖洗。
  • 眼睛接觸：立即用大量流動清水沖洗，再用氯黴素眼藥水或用磺胺鈉眼藥水滴眼，並使用抗菌眼膏每日三次，嚴重時立刻就醫。
  • 吸入：迅速脫離現場至空氣新鮮處。嚴重時立刻就醫。
  • 食入：立即用亞硫酸鈉溶液洗胃解毒，口服1%氧化鎂稀釋溶液，喝牛奶和蛋清等，就醫。

參見

參考資料

  1. ^ Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip J. H.; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro A. J. Standard atomic weights of the elements 2021 (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 2022-05-04. ISSN 1365-3075. doi:10.1515/pac-2019-0603 （英語）. 
  2. ^ Fawcett, Eric. Spin-density-wave antiferromagnetism in chromium. Reviews of Modern Physics. 1988, 60: 209. doi:10.1103/RevModPhys.60.209. 
  3. ^ Brandes, EA; Greenaway, HT; Stone, HEN. Ductility in Chromium. Nature. 1956, 178 (4533): 587. Bibcode:1956Natur.178..587B. doi:10.1038/178587a0. 
  4. ^ Coblentz, WW; Stair, R. Reflecting power of beryllium, chromium, and several other metals (PDF). National Institute of Standards and Technology. NIST Publications. [2018-10-11]. （原始內容存檔 (PDF)於2020-04-27）. 
  5. ^ χρῶμα （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, Henry George Liddell, Robert Scott, A Greek-English Lexicon, on Perseus
  6. ^ Chromium. Office of Dietary Supplements, US National Institutes of Health. 2016 [2016-06-26]. （原始內容存檔於2019-07-13）. 
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  8. ^ Chabers 21st Century Dictionary. Allied Publishers. : 238. ISBN 978-81-8424-329-1. 
  9. ^ David Shubert; John Leyba. Chemistry and Physics for Nurse Anesthesia, Second Edition A Student-Centered Approach. Springer Publishing Company. 2013-03-15: 46–. ISBN 978-0-8261-1043-5. 
  10. ^ Pierre-Henri Counsin, Lorna Sinclair and etc. (編). Collins Robert French Dictionary. U.K.: Collins. 2006年: 79. ISBN 0007221088. 
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  12. ^ 科普中国-科学辟谣. piyao.kepuchina.cn. [31 August 2023]. （原始內容存檔於2023-08-31） （中文）. 
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  18. ^ 世界資源真相和你想的不一樣；作者：資源問題研究會
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  20. ^ 吳其山. 超细WC-C硬质合金研究综述. 硬質合金. 2005, 2 (20): 72-75. 
  21. ^ He, Lin; Liu, Ying; Li, Binghong; Cao, Hui; Li, Jun. Reaction synthesis of in situ vanadium carbide particulates-reinforced iron matrix composites by spark plasma sintering. Journal of Materials Science. 2010-02-25, 45 (9): 2538–2542. ISSN 0022-2461. doi:10.1007/s10853-010-4295-9. 
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外部連結

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