鉻(拼音:ɡè,注音:ㄍㄜˋ,粵拼:gok3;英語:Chromium;源於拉丁語:χρῶμα,轉寫為chrōma,直譯為顏料),是一種化學元素,其化學符號為Cr,原子序數為24,原子量為u,在 51.9961 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「色彩或顏料」[4],因為大多數鉻的化合物都具有顏色。
鉻鐵合金是由鉻鐵礦通過矽熱或鋁熱反應,再和鉻金屬經由鍛燒及浸濾過程,接著以碳元素和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(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[5],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[6]。
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
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[7][8],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[9]。法文與英式英文為Chrome,德文為Chrom[10]。在現代標準漢語中,鉻的讀音爲ㄍㄜˋ(音同「各」)。
歷史
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。南非與哈薩克斯坦占世界儲量的95%。此外,辛巴威、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)[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,在冷的濃硝酸或王水中鈍化。[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%。
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。[15]
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。[16]
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。[17]
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。[18]
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:
- 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。
- 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。
- 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、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,該病早期症狀為鼻黏膜充血,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:
- 糜爛性鼻炎,鼻中隔黏膜縻爛,呈灰白色斑點。
- 潰瘍性鼻炎,鼻中隔變薄,鼻黏膜呈凹性缺損,表面有濃性痂蓋,鼻中黏膜蒼白,嗅覺明顯衰退。
- 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,鼻黏膜萎縮,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黏膜增厚,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。[19]
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:脫去被污染的衣著,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
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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
- 元素鉻在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹(英文)
- EnvironmentalChemistry.com —— 鉻(英文)
- 元素鉻在The Periodic Table of Videos(諾丁漢大學)的介紹(英文)
- 元素鉻在Peter van der Krogt elements site的介紹(英文)
- WebElements.com – 鉻(英文)