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鉻   24Cr
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-



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
·週期· 6 ·4·d
標準原子質量 51.9961(6)
電子排布

[Ar] 3d5 4s1
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
(強酸性氧化物)
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
雜項
晶體結構 體心立方
磁序 AFM (即SDW[1])
電阻率 (20 °C)125 n Ω·m
熱導率 93.9 W·m−1·K−1
膨脹系數 (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
最穩定同位素

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
50Cr 4.345% > 1.8×1017y εε - 50Ti
51Cr syn 27.7025 d ε - 51V
γ 0.320 -
52Cr 83.789% 穩定,帶28個中子
53Cr 9.501% 穩定,帶29個中子
54Cr 2.365% 穩定,帶30個中子
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拉丁語:Chromium,化學符號:Cr)是一種化學元素,原子序為24,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,且硬而脆的過渡金屬[2]。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[3]。 其命名源自於希臘語χρῶμα(拉丁化:chrōma),原意為「色彩顏料[4],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鋁熱反應,再和鉻金屬經由鍛燒英語Roasting (metallurgy)浸濾英語Leaching (metallurgy)過程,接着以碳元素鋁金屬還原而生成的。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,用於胰島素脂質代謝[5],然而在2014年,歐盟歐洲食品安全局英語European Food Safety Authority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[6]

鉻金屬及三價鉻離子(Cr(III))不具毒性,但六價鉻離子英語Hexavalent chromium(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

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),字面意思是顏色顏料[7][8],因為由這種元素構成的化合物擁有許多不同顏色。chromium美式英文拉丁語,根據chrome,加上金屬離子常用的詞尾-ium之後形成[9]法文英式英文Chrome德文Chrom[10]。在現代標準漢語中,鉻的讀音爲ㄍㄜˋ(音同「各」)。

歷史

此章節未列出參考或來源。

1761年,法國人約翰·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含有約10微米的鉻鹽化合物,可惜使用的塗佈工藝已失傳,當初的實際發現年代與是否擁有鉻提煉法依舊不明。

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)。

主要分佈在東非大裂谷、烏拉爾褶皺帶、阿爾卑斯—喜馬拉雅褶皺帶、環太平洋礦帶。南非與哈薩克斯坦佔世界儲量的95%。此外,津巴布韋、阿爾巴尼亞、土耳其等國儲量較高。

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。

美國地質調查局發佈的數據顯示,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)鉬(Mo)[11]。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[12];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,在空氣中生成保護膜。可溶於稀鹽酸和稀硫酸,在冷的濃硝酸王水中鈍化。[13]

化合物

鉻的氧化離子鉻酸根CrO2−
4
呈黃色是常見的氧化劑。重鉻酸根Cr2O2−
7
呈橙色。鉻離子Cr3+呈藍紫色或綠色。

鉻的氧化態[14]
−2 Na2[Cr(CO)5]
−1 Na2[Cr2(CO)10]
0 Cr(C6H6)2
+1 K3[Cr(CN)5NO]
+2 CrCl2
+3 CrCl3
+4 K2CrF6
+5 K3CrO8
+6 K2CrO4

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%。

用途

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。[15]鉻鍍在金屬上可以防鏽,也叫可羅米,堅固美觀。

鉻可用來製作顏料「鉻綠」及「鉻黃」。

三價鉻的生理作用

鉻是人體必需的微量元素,在肌體的代謝和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、各種類、細胞基因物質(DNA和RNA)等。鉻的生理功能主要有:

  1. 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,降低血中膽固醇甘油三酯的含量,預防心血管疾病
  3. 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裏流失約1微克鉻。

啤酒酵母、廢糖蜜、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

  • 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[16]

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。

參考資料

  1. ^ Fawcett, Eric. Spin-density-wave antiferromagnetism in chromium. Reviews of Modern Physics. 1988, 60: 209. doi:10.1103/RevModPhys.60.209. 
  2. ^ Brandes, EA; Greenaway, HT; Stone, HEN. Ductility in Chromium. Nature. 1956, 178 (4533): 587. Bibcode:1956Natur.178..587B. doi:10.1038/178587a0. 
  3. ^ Coblentz, WW; Stair, R. Reflecting power of beryllium, chromium, and several other metals (PDF). National Institute of Standards and Technology. NIST Publications. [11 October 2018]. 
  4. ^ χρῶμα, Henry George Liddell, Robert Scott, A Greek-English Lexicon, on Perseus
  5. ^ Chromium. Office of Dietary Supplements, US National Institutes of Health. 2016 [26 June 2016]. 
  6. ^ Scientific Opinion on Dietary Reference Values for chromium. European Food Safety Authority. 18 September 2014 [20 March 2018]. 
  7. ^ Chabers 21st Century Dictionary. Allied Publishers. : 238. ISBN 978-81-8424-329-1. 
  8. ^ David Shubert; John Leyba. Chemistry and Physics for Nurse Anesthesia, Second Edition A Student-Centered Approach. Springer Publishing Company. 15 March 2013: 46–. ISBN 978-0-8261-1043-5. 
  9. ^ Pierre-Henri Counsin, Lorna Sinclair and etc. (編). Collins Robert French Dictionary. U.K.: Collins. 2006年: 79. ISBN 0007221088. 
  10. ^ Jessica Elzea Kogel. Industrial Minerals & Rocks Commodities, Markets, and Uses. SME. 2006: 309. ISBN 978-0-87335-233-8. chromium is the American name of the element, chrome is the British and French name, chrom is the German name, and .... 
  11. ^ The Nature of X-Ray Photoelectron Spectra. CasaXPS. Casa Software Ltd. 2005 [10 March 2019]. 
  12. ^ Schwarz, W. H. Eugen. The Full Story of the Electron Configurations of the Transition Elements (PDF). Journal of Chemical Education. April 2010, 87 (4): 444–8 [9 November 2018]. Bibcode:2010JChEd..87..444S. doi:10.1021/ed8001286. 
  13. ^ 《化學元素綜論》. 周公度等. 科學出版社. P83. 24 鉻
  14. ^ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan. Chemistry of the Elements 2nd. Butterworth-Heinemann. 1997. ISBN 978-0-08-037941-8. 
  15. ^ 世界資源真相和你想的不一樣;作者:資源問題研究會
  16. ^ IARC. Volume 49: Chromium, Nickel, and Welding (PDF). Lyon: International Agency for Research on Cancer. 1999-11-05 [1990] [2006-07-16]. ISBN 92-832-1249-5. (原始內容 (PDF)存檔於2008-12-24). There is sufficient evidence in humans for the carcinogenicity of chromium[VI] compounds as encountered in the chromate production, chromate pigment production and chromium plating industries. 

外部連結

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