元素漫談（五）鉻

摘要

鉻，原子序數24，鉻有二十多種同位素，最常見的鉻有28個中子。室溫下的單質鉻是堅硬而有光澤的金屬。Chromium來自於希臘文中「顏色」的意思。鉻有很多帶顏色的化合物，如今顏料的製備中還會用到鉻。一些物質中摻雜了鉻也會擁有顏色，例如，紅寶石的紅色便與鉻有關。

圖一：不同顏色的含鉻化合物

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Chromium來自於希臘文中「顏色」的意思。鉻有很多帶顏色的化合物（圖一），如今顏料的製備中還會用到鉻。一些物質中摻雜了鉻也會擁有顏色，例如，紅寶石的紅色便與鉻有關。紅寶石的主體是剛玉（三氧化二鋁最穩定的狀態），剛玉本身是透明的。原子中的電子可能佔據的能量並不是連續的，而是量子化的，一旦光的能量與電子兩個量子態的能量差相等時，電子可以與光子有相互作用，剛玉在可見光範圍與光子無顯著相互作用，因而無色透明。如果三價的鉻取代了三價的鋁，電子允許佔據的能級會被改變，最終讓鋁的氧化物呈現為紅色（強紅光穿透，強紫光吸收，強黃綠光吸收）。不僅鉻的化合物和摻雜鉻的晶體容易呈現顏色，含鉻的離子在溶液中也有多種顏色，這些顏色的來源很多與鉻的價層d軌道有關。鉻的英文Chromium還是Google的一個項目名，瀏覽器Chrome的名字就是起源於此。

圖二：鉻摻雜對顏色的影響。剛玉（三氧化二鋁）是無色透明的，隨著鉻的摻雜，顏色逐漸由紅變綠。 圖片來源：http://pedagog.hubpages.com/hub/Ruby-sapphire#

電子在原子中的結構需要用量子力學解釋。電子結構依照兩個量子數被分類，這兩個量子數分別是主量子數n和角量子數l，它們和另外兩個量子數（角動量z分量量子數和自旋）描述了電子的狀態。主量子數n決定了電子的殼層，每個殼層可容納的電子數是2n²（2，8，18，32，……）。比如n＝1時，根據量子力學，l只能有一個取值0，角動量z分量量子數也只有一個取值。因為泡利不相容原理，原子中不能有兩個量子數完全一樣的電子，因此，再加上自旋這個自由度，n＝1這個殼層最多只能填充兩個電子，氫是只填一個電子的例子，氦是只填兩個電子的例子。

每個殼層根據角動量不同而有不同支層。例如，n＝2時，l有兩個取值，分別是0和1，對應兩個支殼層。l＝0的支層，角動量z分量只有一個取值，再加上自旋自由度，這個支層可以容納兩個電子，對應鋰和鈹。l＝1的支層，角動量z分量有三個取值（－1，0，1），再加上自旋的自由度，這個支層可以容納六個電子，對應從硼到氖。因此，整個n＝2殼層可以容納8個電子，對應第二周期從鋰到氖的八種元素。元素周期表並不是完全按照2n²的規律排的，因為電子不一定填完一個主量子數n再填下一個，它遵守的是能量最低原理。例如，（n＝3，l＝2）與（n＝4，l＝0）這兩個支殼層的能量就非常接近，填充時不必填滿一個再填另一個。

習慣上，人們用s、p、d、f來對應l＝0、1、2、3的不同支殼層。鉻有24個電子，其中18個電子與非常穩定的氬一樣，剩下5個電子填在價層d軌道上，1個電子填在最外層的s軌道上，這6個電子讓鉻與其他元素不同。鉻的價層d軌道指的即是電子角動量l＝2的軌道，它允許五種角動量z分量取值（－2，－1，0，1，2），再加上自旋，這個軌道最多可以填充10個電子。因為這個d軌道的存在，鉻能與其他元素靈活地組合，它在化合物中可以呈負二價到正六價，共九種可能價態。多種價態讓鉻形成多種化合物，有些正好帶顏色。除了顏料，生活中我們還常遇到不鏽鋼中的鉻，因為鉻會被氧氣鈍化，形成一層保護層，因此材料表面會變得不活躍，不容易受環境影響，類似的例子有鋁的表面形成三氧化二鋁。兵馬俑中武器上的塗層發現過鉻的存在。

鉻也頻繁出現於科研中，例如作為微加工技術中的中間鍍層。過去幾十年里，鉻用於科研中的一個著名例子是巨磁阻效應。巨磁阻效應於1988年被發現，2007年獲得諾貝爾物理學獎。所謂巨磁阻效應，簡單來說指的是電阻隨磁場大幅度變化的現象，它出現於多層有結構的薄膜中。圖三給出了巨磁阻現象的一個示意圖，隨著磁場出現，電阻值大幅度改變，這個現象可以用於硬碟的信息存儲。磁阻現象150年前就被發現了，例如，鐵的電阻在磁場下可以變化大約5％，而巨磁阻現象中的電阻變化可以高達100％，這個效應與電子自旋有關。巨磁阻現象於多層交替的鐵和鉻薄膜中被發現，鐵起圖三中鐵磁性層的作用，鉻起圖三中非鐵磁性層的作用，這個體系中磁場下的電阻變化可達50％。鉻本身的磁性也很特殊，它是是室溫下唯一的反鐵磁元素。關於磁性的介紹，我們將在漫談其他元素時涉及。

圖三：巨磁阻現象。左上，無磁場時，兩個鐵磁性薄膜磁化反向，記為R_↑↓；右上，加磁場時，兩個鐵磁性薄膜磁化同向，記為R_↑↑；下圖，隨著磁場增加，電阻值逐漸減少，由R_↑↓變為R_↑↑。GMR值就是電阻在磁場中變化的比例。

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鉻，原子序數24，不為人熟知的常見元素，它的化學性質來自量子力學。

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