化學大咖發現彩色寶石世界裡神奇的鉻元素

知識 12-21

彩色寶石越來越受到人們的喜愛，而這其中，以寶石們的「色」最迷人。它們都蘊含了同一種元素。

我們都知道，生活中的不鏽鋼類的茶杯、飯鍋、浴霸、醫療器械手術刀、剪子、針頭等，表面都鍍了一層光亮的「克羅米」。此外，近年來央視曝光的「毒膠囊事件」、「皮革奶事件」，究其原因，也是產品中「克羅米」含量超標從而引發人體中毒。

「克羅米」是硬度最大的金屬，在自然界中約佔地殼的萬分之一，在冶金、化工等領域也都是「大佬」。200多年前，一位細心的化學家為揪出這種元素，三度用功，最終在老師的幫助下才將其命名……

分析礦石兩度失敗

路易·尼克拉·沃克蘭是18世紀末19世紀初的法國知名科學家。1795年秋，一位朋友給時任法國礦業視察員兼巴黎綜合工藝學院教授的他送來一種紅色礦石，聲稱其采自俄羅斯西伯利亞的貝烈佐夫礦井。拿到礦石不是用來擺著看的，沃克蘭開始查閱資料研究，資料顯示30年前德國科學家列曼用鹽酸溶解此礦石，得到了漂亮的綠色溶液，由此認為此礦石中含有鉛、砷和鎳元素，所以將它歸類為西伯利亞紅鉛。

沃克蘭像（網路圖）

沃克蘭是技術高超的實驗化學家和分析化學家。經過簡單的化學實驗，得出這種礦石中含有鉛、鐵、銅等多種元素，可這與列曼的分析差別很大。「它裡面到底含有哪些元素呢？」沃克蘭本想靜下心來試驗，但由於當時手裡有多種工作，各種研究都到了寫總結論文的階段，所以他只得暫時停止。

次年夏，一直惦記著研究西伯利亞紅鉛礦的化學成分的沃克蘭，稍空閑便重新進行試驗。他將此礦石與碳酸鉀按1:2的比例在水中煮沸，得到白色的碳酸鉛和黃色的鉀鹽溶液。卻不知道鉀鹽溶液是哪些元素構成的？於是，他在此溶液中加入汞鹽溶液，生成一種美麗的紅色沉澱；在此溶液中加入鉛鹽溶液，得到橙黃色的沉澱。他隱隱覺得此鉀鹽溶液里有未知元素，但弄清此元素的性質並非易事。不巧這時他接到去各地視察礦業情況的通知，研究工作再次作罷。

西伯利亞紅鉛礦與碳酸鉀生成的鉻酸酐。（網路圖）

三度用功共同命名

沃克蘭一直為沒找到西伯利亞紅鉛礦的未知元素而煩惱。又過了一年，他下定決心必須要解決這個問題。經過反覆試驗，他將礦石粉用鹽酸進行處理，生成氯化鉛沉澱及其它化合物。濾去沉澱，將濾液蒸干，製得一種未知元素的氧化物。然後，又將此氧化物與炭粉混合，裝進炭質的坩堝里，在爐中強加熱，最後得到銀白色的針狀金屬。緊接著，他通過試驗終於弄清了此金屬的性質：不溶於水，很脆但很硬，熔點高達2000攝氏度。

「終於逮住你了！」沃克蘭查遍當時所有的化學材料，確定它是一種未知元素。謙虛的他把研究過程寫成論文，交給授業恩師富克勞和阿羽伊，希望他們對元素命名提出建議。兩人很是重視，經過一番討論，三人決定將新發現的金屬元素定名為「Chromium」（希臘文意思是「顏色」），化學符號為「Cr」。若干年後的1872年，西學東漸，清末科學家徐壽引入西方研究的化學元素周期表，把它譯為「鉻」。

金屬鉻塊（網路圖）

儘管鉻的中文名已誕生了100多年，但是為了交流方便，不少市民還是喜歡把它稱為「克羅米」（與Chromium的英文讀法相近）。

美麗顏料是非功過

鉻的希臘文選擇「顏色」這個詞，是很有道理的。雖然金屬鉻是銀白雪亮的，但它生成的化合物硫酸鉻是綠色的，鉻酸鎂是黃色的，重鉻酸鉀是桔紅色的……沃克蘭在1797年的研究試驗中，黃色的鉀鹽溶液實際上就是含重鉻酸鉛的溶液，它與鉛鹽溶液反應生成了橙黃色的鉻酸鉛。鉻酸鉛又叫鉻黃，易溶於酸和鹼，不溶於水，要加熱到沸點才會分解。20年後，美國科學家經過對鉻的開發，使鉻黃成為一種價格低且具有很強不透明性的顏料，廣泛用於油漆、油墨、橡膠等行業。

美麗的鉻化合物。（網路圖）

鉻再次引起科學家重視，是在150年後（1948年），科學家經試驗後公認，鉻是動植物體內的組成成分；進一步研究證明，鉻元素廣泛地存在於自然環境中，主要以三價鉻和六價鉻的形式出現。又過了10年，確定鉻是人和哺乳動物必需的微量元素，主要分布於骨骼、皮膚、大腦和肌肉之中，科學家Mertz證實鉻的生物化學作用主要是作為胰島素的增強劑。據中國營養學會的資料顯示，正常人體的鉻含量約6000微克，成人每天的鉻適宜攝入量為50微克。

不得不說的是，關於鉻是否會致癌的爭執，科學界尚無定論，但六價鉻會引起肺癌早已眾所周知，其科學原理是強氧化劑六價鉻與蛋白質結合生成不溶於水的有害物質，累積在肺中引起癌變。這就是前文所提關於「毒膠囊事件」、「皮革奶事件」的真相所在。

鉻對人體的作用。（網路圖）

廣泛用途首用合金

隨著鉻元素對人體影響的關注度逐漸增加，鉻的工業價值也逐漸體現，並被廣泛應用於冶金、化工、耐火及高精端科技等領域。

鉻的用量在冶金工業中約佔90%，主要用於不鏽鋼製品。鉻最主要的特點是耐腐蝕性，在鐵中摻入一定比例的鉻便可製造出用途廣泛的不鏽鋼材料。

不鏽鋼餐具（網路圖）

不鏽鋼製品外，鉻最主要用於合金鑄造類冶金工業。加入不同比例的鉻，可以製造出不同用途的合金：滾珠軸承鋼加入1.5%的鉻後，變得堅硬而耐磨；含有25%-30%鉻的鉻鋼，可經受1000攝氏度的高溫；以鉻、錳、銻組合的合金材料，磁性可隨溫度的改變而變化，用於自動裝置中……

化學工業方面，可用鉻鐵礦加工製造成各種鉻鹽。作為無機鹽的主要品類之一，鉻鹽可用於電鍍、燃料、醫藥等。1796年沃克蘭在研究鉻的試驗中，用西伯利亞紅鉛礦和碳酸鉀反應生成的化合物中，有一種叫三氧化鉻，又名鉻酸酐，可用作氧化劑、催化劑、木材防腐劑、織物媒染劑等。而耐火材料方面，科學家利用鉻鐵礦熔點高達1900-2050攝氏度，高溫下保持體積不變，也不與其它礦渣發生化學反應的原理，將鉻用來製造鉻磚、鉻鎂磚等材料。

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【參考資料】

1、論文《鉻與鈹的發現者沃克蘭教授》，作者劉景清、趙元芳，《化學教育》1997年8期。

2、典籍《化學元素髮現史》，黃素封等譯，商務印書館萬有文庫版。

3、亞洲金屬網，專業金屬知識網站。

作者：魏德勇