化学大咖发现 彩色宝石世界里神奇的铬元素 | 碳酸钾 蒸干

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彩色宝石越来越受到人们的喜爱，而这其中，以宝石们的“色”最迷人。它们都蕴含了同一种元素。

我们都知道，生活中的不锈钢类的茶杯、饭锅、浴霸、医疗器械手术刀、剪子、针头等，表面都镀了一层光亮的“克罗米”。此外，近年来央视曝光的“毒胶囊事件”、“皮革奶事件”，究其原因，也是产品中“克罗米”含量超标从而引发人体中毒。

“克罗米”是硬度最大的金属，在自然界中约占地壳的万分之一，在冶金、化工等领域也都是“大佬”。200多年前，一位细心的化学家为揪出这种元素，三度用功，最终在老师的帮助下才将其命名……

分析矿石 两度失败

路易·尼克拉·沃克兰是18世纪末19世纪初的法国知名科学家。1795年秋，一位朋友给时任法国矿业视察员兼巴黎综合工艺学院教授的他送来一种红色矿石，声称其采自俄罗斯西伯利亚的贝烈佐夫矿井。拿到矿石不是用来摆着看的，沃克兰开始查阅资料研究，资料显示30年前德国科学家列曼用盐酸溶解此矿石，得到了漂亮的绿色溶液，由此认为此矿石中含有铅、砷和镍元素，所以将它归类为西伯利亚红铅。

沃克兰像（网络图）

沃克兰是技术高超的实验化学家和分析化学家。经过简单的化学实验，得出这种矿石中含有铅、铁、铜等多种元素，可这与列曼的分析差别很大。“它里面到底含有哪些元素呢？”沃克兰本想静下心来试验，但由于当时手里有多种工作，各种研究都到了写总结论文的阶段，所以他只得暂时停止。

次年夏，一直惦记着研究西伯利亚红铅矿的化学成分的沃克兰，稍空闲便重新进行试验。他将此矿石与碳酸钾按1:2的比例在水中煮沸，得到白色的碳酸铅和黄色的钾盐溶液。却不知道钾盐溶液是哪些元素构成的？于是，他在此溶液中加入汞盐溶液，生成一种美丽的红色沉淀；在此溶液中加入铅盐溶液，得到橙黄色的沉淀。他隐隐觉得此钾盐溶液里有未知元素，但弄清此元素的性质并非易事。不巧这时他接到去各地视察矿业情况的通知，研究工作再次作罢。

西伯利亚红铅矿与碳酸钾生成的铬酸酐。（网络图）

三度用功 共同命名

沃克兰一直为没找到西伯利亚红铅矿的未知元素而烦恼。又过了一年，他下定决心必须要解决这个问题。经过反复试验，他将矿石粉用盐酸进行处理，生成氯化铅沉淀及其它化合物。滤去沉淀，将滤液蒸干，制得一种未知元素的氧化物。然后，又将此氧化物与炭粉混合，装进炭质的坩埚里，在炉中强加热，最后得到银白色的针状金属。紧接着，他通过试验终于弄清了此金属的性质：不溶于水，很脆但很硬，熔点高达2000摄氏度。

“终于逮住你了！”沃克兰查遍当时所有的化学材料，确定它是一种未知元素。谦虚的他把研究过程写成论文，交给授业恩师富克劳和阿羽伊，希望他们对元素命名提出建议。两人很是重视，经过一番讨论，三人决定将新发现的金属元素定名为“Chromium”（希腊文意思是“颜色”），化学符号为“Cr”。若干年后的1872年，西学东渐，清末科学家徐寿引入西方研究的化学元素周期表，把它译为“铬”。

金属铬块（网络图）

尽管铬的中文名已诞生了100多年，但是为了交流方便，不少市民还是喜欢把它称为“克罗米”（与Chromium的英文读法相近）。

美丽颜料 是非功过

铬的希腊文选择“颜色”这个词，是很有道理的。虽然金属铬是银白雪亮的，但它生成的化合物硫酸铬是绿色的，铬酸镁是黄色的，重铬酸钾是桔红色的……沃克兰在1797年的研究试验中，黄色的钾盐溶液实际上就是含重铬酸铅的溶液，它与铅盐溶液反应生成了橙黄色的铬酸铅。铬酸铅又叫铬黄，易溶于酸和碱，不溶于水，要加热到沸点才会分解。20年后，美国科学家经过对铬的开发，使铬黄成为一种价格低且具有很强不透明性的颜料，广泛用于油漆、油墨、橡胶等行业。

美丽的铬化合物。（网络图）

铬再次引起科学家重视，是在150年后（1948年），科学家经试验后公认，铬是动植物体内的组成成分；进一步研究证明，铬元素广泛地存在于自然环境中，主要以三价铬和六价铬的形式出现。又过了10年，确定铬是人和哺乳动物必需的微量元素，主要分布于骨骼、皮肤、大脑和肌肉之中，科学家Mertz证实铬的生物化学作用主要是作为胰岛素的增强剂。据中国营养学会的资料显示，正常人体的铬含量约6000微克，成人每天的铬适宜摄入量为50微克。

不得不说的是，关于铬是否会致癌的争执，科学界尚无定论，但六价铬会引起肺癌早已众所周知，其科学原理是强氧化剂六价铬与蛋白质结合生成不溶于水的有害物质，累积在肺中引起癌变。这就是前文所提关于“毒胶囊事件”、“皮革奶事件”的真相所在。

铬对人体的作用。（网络图）

广泛用途 首用合金

随着铬元素对人体影响的关注度逐渐增加，铬的工业价值也逐渐体现，并被广泛应用于冶金、化工、耐火及高精端科技等领域。

铬的用量在冶金工业中约占90%，主要用于不锈钢制品。铬最主要的特点是耐腐蚀性，在铁中掺入一定比例的铬便可制造出用途广泛的不锈钢材料。

不锈钢餐具（网络图）

不锈钢制品外，铬最主要用于合金铸造类冶金工业。加入不同比例的铬，可以制造出不同用途的合金：滚珠轴承钢加入1.5%的铬后，变得坚硬而耐磨；含有25%-30%铬的铬钢，可经受1000摄氏度的高温；以铬、锰、锑组合的合金材料，磁性可随温度的改变而变化，用于自动装置中……

化学工业方面，可用铬铁矿加工制造成各种铬盐。作为无机盐的主要品类之一，铬盐可用于电镀、燃料、医药等。1796年沃克兰在研究铬的试验中，用西伯利亚红铅矿和碳酸钾反应生成的化合物中，有一种叫三氧化铬，又名铬酸酐，可用作氧化剂、催化剂、木材防腐剂、织物媒染剂等。而耐火材料方面，科学家利用铬铁矿熔点高达1900-2050摄氏度，高温下保持体积不变，也不与其它矿渣发生化学反应的原理，将铬用来制造铬砖、铬镁砖等材料。

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【参考资料】

1、论文《铬与铍的发现者沃克兰教授》，作者刘景清、赵元芳，《化学教育》1997年8期。

2、典籍《化学元素发现史》，黄素封等译，商务印书馆万有文库版。

3、亚洲金属网，专业金属知识网站。

作者：魏德勇

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