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地球上最坚硬的金属,红宝石中有它,衣服中有它,却对人体有害

它是硬度最大的金属,对人体有利也有极强的危害。红橙黄绿棕蓝黑是它的颜色,工业、纺织业、先进制造业中有它的身影,红宝石、绿宝石、胰岛素离开它不行。

这种硬度最大,应用广泛的金属就是铬。铬(Chromium)得名于它引人注目的颜色,希腊文词根“chroma”在希腊语中是“颜色”的意思。但是古希腊人从来不知道这种金属的存在,200多年前它才在法国第一次从矿石中还原分离出来。

铬从被发现到现在不过二百多年的时间,但在这短暂的时间里,我们对它的依赖程度决不低于已经使用几千年的铁。它被电镀或喷涂在喷气涡轮机叶片和汽车挡泥板上,混在不锈钢餐具里,甚至用做染料让出租车变成黄色。

让我们来看看这种金属,看看它有什么魔力使得我们要把它电镀到金属的表面。

物理属性

铬在元素周期表中属 ⅥB族, 原子序数为24,原子量51.9961,单质为银灰色,体心立方晶体。其最具决定性的因素是极高的硬度和非常好的耐腐蚀性。

金属铬的莫氏硬度介于8.5和9之间,是仅次于碳和硼的最硬金属和第三硬元素。莫氏硬度衡量矿物硬度的是一个相对标准,测某种矿物的硬度的方法很简单,就是使用棱锥形金刚钻针划刻所测试矿物的表面,并测量划痕的深度,该划痕的深度就是莫氏硬度。

作为参考,抛光金属表面毛刺使用的钢锉的莫氏硬度在5到6.5之间,钻石的莫氏硬度为10。

高硬度意味着由这种金属制成的金属部件耐磨、抗撕裂、摩擦系数小,因此在机械加工制造中有很广泛的用途。然而,铬本身非常脆,所以很少以单质使用。

将它与其他金属合金化也会降低整体硬度,所以它最常用于电镀金属或塑料零件,或作为添加料生产特种材料,如特种钢、特种合金、特殊耐火材料等。

不锈钢含有至少10.5%的铬

另外,铬具有很强的耐腐蚀性,不易被空气氧化。利用这一特性,工业上常在铁制品表面镀铬,延长使用寿命,在相当长的一段时间内都会保持光亮。

到目前为止,铬的最大用途是用于合金,特别是不锈钢。铬赋予合金高耐腐蚀性,提高钢的强度、硬度和高温机械性能,降低钢的临界冷却速度等。

铬还具有优良的反射特性,大约70%的可见光和90%的红外光会在铬的表面被反射回来——这就形成了金属铬表面惊人的光洁度。

它也是唯一在室温下显示反铁磁性(不产生任何磁场)的固体元素。这一特性使得铬在硬盘生产中占有至关重要的地位。

铬的身世

在18世纪后期,乌拉尔山脉的矿中发现矿物青石棉(含铬),却被错认为西伯利亚红丹石,并用作颜料。大约在1796年,法国化学家路易斯·尼古拉斯·沃克林设法从这种矿物中分离出铬,证明它不是铅。后来,他在红宝石等宝石中也发现了这种新金属的痕迹。

沃克林在实验室的溶液中观察到铬的颜色和亮度后,将其命名为铬。纺织业很快开始使用铬化合物作为染料和染料稳定剂(媒染剂),以使颜色更好地附着在布料上,并防止其在洗涤过程中掉色。

铬黄

沃克林的学生安德烈亚斯·库尔茨(Andreas Kurtz)于1822年移居英国,开始以每磅5先令的价格为当地纺织厂生产媒染剂——重铬酸钾。

由于市场广阔且利润大,看到商机后的商人争先入局,但竞争很快将价格降至每磅8便士,尝不到甜头的库尔茨将生产方向转向铬颜料。

一天,当乔治四世的女儿夏洛特公主用它来画她的马车时,颜色艳丽饱满的铬黄引起了人们的注意。民间认为,这催生了黄色出租车的诞生。

天然存在的铬,主要为Cr2O3使红宝石呈现红色,如果没有铬,宝石将是蓝色的蓝宝石。因此铬是合成红宝石所需要的,激光用红宝石晶体中就含有约0.05%的Cr2O3。

红宝石中的激光作用是通过Cr3+(铬离子)的受激发射过程而实现的,因而Cr3+通常称为激活离子,它是红宝石激光器中产生激光的“主体”。

激光器原理

铬也可以添加到玻璃中使其变成绿色,目前是一些绿色、黄色、红色和橙色涂料的主要成分。

特种金属

铬有相当多的特性,这使得它能够胜任不同的角色。

它的高抗腐蚀性使它能抵抗煤油或火箭燃料的侵蚀,所以铬经常被混入机械零件的合金中或电镀、涂覆在表面。它的高硬度和低摩擦系数使它非常适用于喷气发动机运动部件的涂层。

得益于铬的存在,不锈钢的硬度、强度和耐腐蚀性都有所提高。工业和建筑业非常依赖这些材料,我们作为消费者也是如此,所以很难想象没有这种金属的世界。

铬盐被大量用于皮革鞣制,但出于对毒性的担忧,生产商正试图远离这种金属。

利也有,害也有

说到这,铬有两种广泛的存在形式:三价和六价。已知三价形式只有弱毒性,因为它很难透过生物膜。另一方面,六价铬毒性很强,是一种强有力的诱变剂,对皮肤、呼吸道、肠胃等都具有极大危害。随着工业的发展,部分地区地下水及土壤中铬含量严重超标,潜在危害巨大。

关于它的生理功能尚有一些争论。澳大利亚、新西兰、印度、日本、美国和我国已将铬列为微量元素(微量营养素),因为铬在胰岛素调节活动中具有重要作用,适当补充铬,有助于生长发育和血糖的调节。

一般来说,肉类、贝类、鱼类、鸡蛋、全麦谷物、坚果以及一些水果和蔬菜都是铬的良好来源。

不管它的生理功能如何,铬仍然是一种用途广泛的金属,而且还是一种漂亮的金属。无论是用于航天发动机、红宝石,还是仅仅用于一些非常闪亮的装饰品,铬很可能在未来仍然是我们最有用的材料之一。

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