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铬

原子序數為24的化學元素
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铬（ɡè）（英语：Chromium；源于拉丁语：Chroma，意为颜料），是一种化学元素，元素符号为Cr，原子序数为24，原子量为51.9961 u，在第六族元素中排行首位。铬元素是一种银灰色，具金属光泽，坚硬而脆的过渡金属[3]，其莫氏硬度达到8.5为众金属中最高。铬是一种高价值的金属，其经高度抛光后，仍能抵抗锈蚀；铬亦为不锈钢的主要添加物，为其提供防蚀特性。抛光的铬金属可以反射约70%可见光以及近乎90%红外光[4]。 其命名源自于古希腊语χρῶμα（拉丁化：chrōma），原意为“色彩或颜料”[5]，因为大多数铬的化合物都具有颜色。

铬 24Cr
氢（非金属） 氦（惰性气体）
锂（碱金属） 铍（碱土金属） 硼（类金属） 碳（非金属） 氮（非金属） 氧（非金属） 氟（卤素） 氖（惰性气体）
钠（碱金属） 镁（碱土金属） 铝（贫金属） 硅（类金属） 磷（非金属） 硫（非金属） 氯（卤素） 氩（惰性气体）
钾（碱金属） 钙（碱土金属） 钪（过渡金属） 钛（过渡金属） 钒（过渡金属） 铬（过渡金属） 锰（过渡金属） 铁（过渡金属） 钴（过渡金属） 镍（过渡金属） 铜（过渡金属） 锌（过渡金属） 镓（贫金属） 锗（类金属） 砷（类金属） 硒（非金属） 溴（卤素） 氪（惰性气体）
铷（碱金属） 锶（碱土金属） 钇（过渡金属） 锆（过渡金属） 铌（过渡金属） 钼（过渡金属） 锝（过渡金属） 钌（过渡金属） 铑（过渡金属） 钯（过渡金属） 银（过渡金属） 镉（过渡金属） 铟（贫金属） 锡（贫金属） 锑（类金属） 碲（类金属） 碘（卤素） 氙（惰性气体）
铯（碱金属） 钡（碱土金属） 镧（镧系元素） 铈（镧系元素） 镨（镧系元素） 钕（镧系元素） 钷（镧系元素） 钐（镧系元素） 铕（镧系元素） 钆（镧系元素） 铽（镧系元素） 镝（镧系元素） 钬（镧系元素） 铒（镧系元素） 铥（镧系元素） 镱（镧系元素） 镏（镧系元素） 铪（过渡金属） 钽（过渡金属） 钨（过渡金属） 铼（过渡金属） 锇（过渡金属） 铱（过渡金属） 铂（过渡金属） 金（过渡金属） 汞（过渡金属） 铊（贫金属） 铅（贫金属） 铋（贫金属） 钋（贫金属） 砈（类金属） 氡（惰性气体）
钫（碱金属） 镭（碱土金属） 锕（锕系元素） 钍（锕系元素） 镤（锕系元素） 铀（锕系元素） 镎（锕系元素） 钚（锕系元素） 镅（锕系元素） 锔（锕系元素） 锫（锕系元素） 锎（锕系元素） 锿（锕系元素） 镄（锕系元素） 钔（锕系元素） 锘（锕系元素） 铹（锕系元素） 𬬻（过渡金属） 𬭊（过渡金属） 𬭳（过渡金属） 𬭛（过渡金属） 𬭶（过渡金属） 鿏（预测为过渡金属） 𫟼（预测为过渡金属） 𬬭（预测为过渡金属） 鿔（过渡金属） 鿭（预测为贫金属） 𫓧（贫金属） 镆（预测为贫金属） 𫟷（预测为贫金属） 鿬（预测为卤素） 鿫（预测为惰性气体）
－
↑
铬
↓
钼
钒 ← 铬 → 锰
外观
银色、具光泽的金属铬
概况
名称·符号·序数铬（Chromium）·Cr·24
元素类别过渡元素
族·周期·区6·4·d
标准原子质量51.9961(6)[1]
电子排布[Ar] 3d5 4s1
2, 8, 13, 1
铬的电子层（2, 8, 13, 1）
铬的电子层（2, 8, 13, 1）
历史
发现路易-尼古拉·沃克兰（1794年）
分离路易-尼古拉·沃克兰（1797年）
物理性质
物态固体
密度（接近室温）
7.19 g·cm−3
熔点时液体密度6.3 g·cm−3
熔点2180 K，1907 °C，3465 °F
沸点2944 K，2671 °C，4840 °F
熔化热21.0 kJ·mol−1
汽化热339.5 kJ·mol−1
比热容23.35 J·mol−1·K−1
蒸气压
压/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温/K 1656 1807 1991 2223 2530 2942
原子性质
氧化态+6, +5, +4, +3, +2, +1, -1, -2
（两性氧化物）
电负性1.66（鲍林标度）
电离能第一：652.9 kJ·mol−1
第二：1590.6 kJ·mol−1
第三：2987 kJ·mol−1
（更多）
原子半径128 pm
共价半径139±5 pm
铬的原子谱线
杂项
晶体结构体心立方
磁序AFM (即SDW[2])
电阻率（20 °C）125 n Ω·m
热导率93.9 W·m−1·K−1
膨胀系数（25 °C）4.9 µm·m−1·K−1
声速（细棒）（20 °C）5940 m·s−1
杨氏模量279 GPa
剪切模量115 GPa
体积模量160 GPa
泊松比0.21
莫氏硬度8.5
维氏硬度1060 MPa
布氏硬度1120 MPa
CAS号7440-47-3
同位素
主条目：铬的同位素
同位素 丰度 半衰期​（t1/2） 衰变
方式 能量​（MeV） 产物
48Cr 人造 21.56 小时 β+ 0.635 48V
50Cr 4.345% 稳定，带26粒中子
51Cr 人造 27.7015 天 ε 0.752 51V
52Cr 83.789% 稳定，带28粒中子
53Cr 9.501% 稳定，带29粒中子
54Cr 2.365% 稳定，带30粒中子
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铬铁（英语：Ferrochrome）合金是由铬铁矿通过硅热（英语：Silicothermic reaction）或铝热反应，再和铬金属经由锻烧及浸滤（英语：Leaching (metallurgy)）过程，接着以碳和铝还原而生成的。铬金属的价值在于其具有高度耐腐蚀性和硬度。钢铁生产中的一个重大发展是发现借由添加金属铬形成不锈钢，可使钢材具有高度耐腐蚀和褪色的特性。不锈钢和镀铬（英语：Chrome plating）（使用电镀法）共占商业用途的85%。

在美国，三价铬离子（Cr(III)）被认为是人体的必须营养素，用于胰岛素、糖和脂质代谢[6]，然而在2014年，欧盟欧洲食品安全局得出结论，认定目前没有足够证据证实铬元素是不可或缺的营养素[7]。

铬金属及三价铬离子（Cr(III)）不具毒性，但六价铬离子（Cr(VI)）具有毒性且为致癌物质，产生废弃铬的场所需要进行环境清除。

字源

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 提示：此章节的主题不是chrome。

铬由发现者路易-尼古拉·沃克兰命名为法语：chrome，源自希腊语“χρώμα”（拉丁化：chrōma），字面意思是颜色或颜料[8][9]，因为由这种元素构成的化合物拥有许多不同颜色。chromium是美式英文与拉丁语，根据chrome，加上金属离子常用的词尾-ium之后形成[10]。法文与英式英文为Chrome，德文为Chrom[11]。在现代标准汉语中，铬的读音为gè（音同“各”），中国大陆地区1985年前读作luò（音同“洛”）。

历史

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1761年，德国人约翰·戈特洛布·莱曼（Johann Gottlob Lehmann）在乌拉山区发现一种橘红色的金属矿，取名为西伯利亚红铅，但这种矿石实际上由铬铅矿构成。1770年，彼得·西蒙·帕拉斯在同一个地点，见到这种矿石。这种金属被带回欧洲后，被当成颜料，使用于油画等地方。当时欧洲铬铅矿都需要由俄国输入，产量不大。

1797年，法国人路易-尼古拉·沃克兰得到一些铬铅矿样本。经过与盐酸混合，他从中制作出三氧化铬。1798年，在加热三氧化铬溶液之后，沃克朗从中分离出铬，确认为化学元素之一。

1994年，中国兵马俑二号坑开挖， 坑中取出来的一批秦朝青铜剑经过检验后发现外层镀上了一层含有约10微米的铬盐化合物，后经研究发现是受到漆的污染。[12][13]

来源

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自然界没有游离状态的铬，主要的矿物是铬铅矿（Chromite， (Fe,Mg)Cr2O4）。

主要分布在东非大裂谷、乌拉尔褶皱带、阿尔卑斯—喜马拉雅褶皱带、环太平洋矿带。中国严重缺乏铬资源，保有铬铁矿矿石1000万吨。铬铁矿石年产量约20万吨。由于中国是不锈钢生产大国，铬严重依赖进口。南非与哈萨克斯坦占世界储量的95%。此外，津巴布韦、阿尔巴尼亚、土耳其等国储量较高。

美国地质调查局发布的数据显示，2013年和2014年，全球铬年产量如下（单位千吨）：

国家 2000年 2014年
南非 13650 15000
哈萨克斯坦 3700 4050
土耳其 3300 2355
印度 2950 3000
其他国家 5150 4600
世界储量 28800 29000

性质

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物理性质

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铬是元素周期表中第四个被发现的过渡金属，其电子排布为[Ar]3d54s1，铬是周期表中基态电子排布违反递建原理的第一个元素，此现象也陆续在其他元素的电子排布中出现，像是铜（Cu）、铌（Nb）和钼（Mo）[14]。会发生这个现象，乃是相同轨域中两个电子发生排斥所造成。 遵守递建原理的元素，其将电子跃迁至较高能阶所需的能量极大，不足以弥补其减少成对电子间的斥力所降低的能量[15]；然而在3d过渡金属中，4s轨域与邻近较高能阶的3d轨域间，能隙非常小，而3d轨域拥有五个等能阶的轨域，其相同自旋的电子可以互换而降低能量，获得稳定。 以铬为例，依照递建原理，电子排布应为[Ar]4s23d4，但若电子排布为[Ar]4s13d5，使4s和3d轨域皆呈现半填满状态，则可降低能量，使之更稳定。

化学性质

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铬在室温下化学性质稳定，但在红热时会与空气作用生成蓝色的氧化层。 可溶于稀盐酸和稀硫酸，在冷的浓硝酸或王水中钝化。[16]

化合物

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铬酸根CrO2−
4 呈黄色是常见的氧化剂。重铬酸根Cr
2O2−
7呈橙色。铬离子Cr3+
绿色。亚铬离子Cr2+呈蓝色

铬的氧化态[17]
−2 Na
2[Cr(CO)
5]
−1 Na
2[Cr
2(CO)
10]
0 Cr(C
6H
6)
2
+1 K
3[Cr(CN)
5NO]
+2 CrCl
2
+3 CrCl
3
+4 K
2CrF
6
+5 K
3CrO
8
+6 K
2CrO
4

同位素

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参见：铬的同位素

铬共有28个同位素，其中三个是稳定的，即52Cr、53Cr和54Cr。52Cr的丰度最高，约83.789%。

应用

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大多用于制不锈钢等特殊钢，例如：汽车零件、工具、磁带、录像带、菜刀等厨房用品。可以提升钢的强度又具极佳的耐热性，使用于制造飞机引擎及核能器械用的超合金（超耐热抗蚀合金）及镀覆等用途。[18]

镀铬分为防护装饰性镀铬和耐磨镀铬两大类。前者是防止基体金属生锈和美化产品外观，后者是提高机械零件的硬度、耐磨、耐蚀和耐温等性能。镀铬层具有很高的硬度和很低的摩擦系数。装饰镀铬是在光亮的底层镀上0.25~2um的铬层。多孔铬主要用于气缸内腔、活塞环上，利用其微孔吸入的润滑油来提高零件的耐磨性。镀黑铬层则用于需要消光而又耐磨的零件上。镀乳白铬主要用于各种量具。[19]

铬可用来制作颜料“铬绿”及“铬黄”。

碳化铬

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铬的碳化物可以作为晶粒抑制剂，在硬质合金和陶瓷领域加入应用。其中在硬质合金的应用尤为重要。其中抑制作用Cr3C2＞NbC。[20]

其中在炼钢过程中，加入碳化铬能大幅度提高钢的韧性、抗弯程度和抗氧化性。[21]

三价铬的生理作用

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铬是人体必需的微量元素，在肌体的糖代谢和脂代谢中发挥特殊作用。三价的铬是对人体有益的元素，而六价铬是有毒的。人体对无机铬的吸收利用率极低，不到1%；人体对有机铬的利用率可达10-25%。铬在天然食品中的含量较低、均以三价的形式存在。

确切地说，铬的生理功能是与其它控制代谢的物质一起配合起作用，如激素、胰岛素、各种酶类、细胞的基因物质（DNA和RNA）等。铬的生理功能主要有：

  1. 是葡萄糖耐量因子的组成部分，对调节体内糖代谢、维持体内正常的葡萄糖耐量起重要作用。
  2. 影响机体的脂质代谢，降低血中胆固醇和甘油三酯的含量，预防心血管疾病。
  3. 是核酸类（DNA和RNA）的稳定剂，可防止细胞内某些基因物质的突变并预防癌症。

正常健康成人每天尿里流失约1微克铬。

啤酒酵母、废糖蜜[需要解释]、干酪、蛋、肝、苹果皮、香蕉、牛肉、面粉、鸡以及马铃薯等为铬的主要来源。

六价铬的危害

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主条目：六价铬
  • 危害途径：吸入、皮肤接触等。

对皮肤

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皮肤直接接触铬化合物所造成的伤害：

铬性皮肤溃疡（铬疮）

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铬化合物并不损伤完整的皮肤，但当皮肤擦伤而接触铬化合物时即可发生伤害作用。铬性皮肤溃疡的发病率偶然性较高，主要与接触时间长短，皮肤的过敏性及个人卫生习惯有关。铬疮主要发生于手、臂及足部，但只要皮肤发生破损，不管任何部位，均可发生。指甲根部是暴露处，容易积留脏物，皮肤也最易破损，因此这些部位也易形成铬疮。形成铬疮前，皮肤最初出现红肿，具搔痒感，不作适当治疗可侵入深部。溃疡上盖有分泌物的硬痂，四周部隆起，中央深而充满腐肉，边缘明显，呈灰红色，局部疼痛，溃疡部呈倒锥形，溃疡面较小，一般不超过3mm，有时也可大至12—30mm，或小至针尖般大小，若忽视治疗，进一步发展可深放至骨部，剧烈疼痛，愈合甚慢。

铬性皮炎及湿疹

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接触六价铬也可发生铬性皮炎及湿疹，患处皮肤搔痒并形成水泡，皮肤过敏者接触铬污染物数天后即可发生皮炎，铬过敏期长达3—6月，湿疹常发生于手及前臂等暴露部分，偶尔也发生在足及踝部，甚至脸部、背部等。

对呼吸道

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铬性鼻炎

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接触铬盐常见的呼吸道职业病是铬性鼻炎，该病早期症状为鼻粘膜充血，肿胀、鼻腔干燥、搔痒、出血，嗅觉减退，粘液分泌增多，常打喷嚏等，继而发生鼻中隔溃疹，溃疹部位一般在鼻中隔软骨前下端1.5cm处，无明显疼痛感。

铬性鼻炎根据溃疡及穿孔程度，可为三期：

  1. 糜烂性鼻炎，鼻中隔粘膜縻烂，呈灰白色斑点。
  2. 溃疡性鼻炎，鼻中隔变薄，鼻粘膜呈凹性缺损，表面有浓性痂盖，鼻中粘膜苍白，嗅觉明显衰退。
  3. 鼻中隔穿孔，鼻中隔软骨可见圆形成三角形孔洞穿孔处有黄色痂，鼻粘膜萎缩，鼻腔干燥。

对眼及耳

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眼皮及角膜接触铬化合物可能引起刺激及溃疡，症状为眼球结膜充血、有异物感、流泪刺痛、视力减弱，严重时可导致角膜上皮脱落。

铬化合物侵蚀鼓膜及外耳引起溃疡仅偶然发生。

对肠胃道

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误食入六价铬化合物可引起口腔粘膜增厚，水肿形成黄色痂皮，反胃呕吐，有时带血，剧烈腹痛，肝肿大，严重时使循环衰竭，失去知觉，甚至死亡。六价铬化合物在吸入时是有致癌性的，会造成肺癌。[22]

全身中毒

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此种情况甚少，症状是：头痛消瘦，肠胃失调，肝功能衰竭，肾脏损伤，单接血球增多，血钙增多及血磷增多等。

急救措施

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  • 皮肤接触：脱去被污染的衣着，用流动清水冲洗。
  • 眼睛接触：立即用大量流动清水冲洗，再用氯霉素眼药水或用磺胺钠眼药水滴眼，并使用抗菌眼膏每日三次，严重时立刻就医。
  • 吸入：迅速脱离现场至空气新鲜处。严重时立刻就医。
  • 食入：立即用亚硫酸钠溶液洗胃解毒，口服1%氧化镁稀释溶液，喝牛奶和蛋清等，就医。

参见

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参考资料

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  1. ^ Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip J. H.; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro A. J. Standard atomic weights of the elements 2021 (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 2022-05-04. ISSN 1365-3075. doi:10.1515/pac-2019-0603 （英语）. 
  2. ^ Fawcett, Eric. Spin-density-wave antiferromagnetism in chromium. Reviews of Modern Physics. 1988, 60: 209. doi:10.1103/RevModPhys.60.209. 
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  5. ^ χρῶμα （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Henry George Liddell, Robert Scott, A Greek-English Lexicon, on Perseus
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  7. ^ Scientific Opinion on Dietary Reference Values for chromium. European Food Safety Authority. 2014-09-18 [2018-03-20]. （原始内容存档于2019-07-13）. 
  8. ^ Chabers 21st Century Dictionary. Allied Publishers. : 238. ISBN 978-81-8424-329-1. 
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  10. ^ Pierre-Henri Counsin, Lorna Sinclair and etc. (编). Collins Robert French Dictionary. U.K.: Collins. 2006年: 79. ISBN 0007221088. 
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  12. ^ 科普中国-科学辟谣. piyao.kepuchina.cn. [31 August 2023]. （原始内容存档于2023-08-31） （中文）. 
  13. ^ Martinón-Torres, Marcos; et al. Surface chromium on Terracotta Army bronze weapons is neither an ancient anti-rust treatment nor the reason for their good preservation. Scientific Reports. 4 April 2019, 9 (1): 5289. Bibcode:2019NatSR...9.5289M. PMC 6449376  . PMID 30948737. doi:10.1038/s41598-019-40613-7. 
  14. ^ The Nature of X-Ray Photoelectron Spectra. CasaXPS. Casa Software Ltd. 2005 [2019-03-10]. （原始内容存档于2019-07-28）. 
  15. ^ Schwarz, W. H. Eugen. The Full Story of the Electron Configurations of the Transition Elements (PDF). Journal of Chemical Education. April 2010, 87 (4): 444–8 [2018-11-09]. Bibcode:2010JChEd..87..444S. doi:10.1021/ed8001286. （原始内容存档 (PDF)于2018-12-22）. 
  16. ^ 《化学元素综论》. 周公度等. 科学出版社. P83. 24 铬
  17. ^ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan. Chemistry of the Elements 2nd. Butterworth-Heinemann. 1997. ISBN 978-0-08-037941-8. 
  18. ^ 世界资源真相和你想的不一样；作者：资源问题研究会
  19. ^ 王忠. 机械工程材料. 清华大学出版社. 2005: 302. ISBN 7302116970. 
  20. ^ 吴其山. 超细WC-C硬质合金研究综述. 硬质合金. 2005, 2 (20): 72-75. 
  21. ^ He, Lin; Liu, Ying; Li, Binghong; Cao, Hui; Li, Jun. Reaction synthesis of in situ vanadium carbide particulates-reinforced iron matrix composites by spark plasma sintering. Journal of Materials Science. 2010-02-25, 45 (9): 2538–2542. ISSN 0022-2461. doi:10.1007/s10853-010-4295-9. 
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外部链接

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