24 Cr 铬 51.996
过渡金属 d区 第4周期 第6族

铬

Cr · 元素24 · 过渡金属

让铬闪耀,也让不锈钢拥有“不锈”特性的元素。

20°C时的状态 固态
原子量 51.996 u
电子排布[Ar] 3d⁵ 4s¹

结构

铬原子

这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

属性表

每个条形图显示铬在全部118种元素中该属性所处的位置。

物理

密度 7.15 g/cm³ 44%
熔点 2180 K 86%
沸点 2944 K 58%
比热容 0.449 J/g·K
热导率 93.9 W/m·K 80%

原子

原子半径 128 pm 20%
共价半径 139 pm
范德华半径 189 pm

电子

电负性 1.66 55%
电离能 653.2 kJ/mol 44%
电子亲和能 65.2 kJ/mol 55%

存在情况

地壳中的丰度 102 mg/kg 83%

身份

符号Cr
原子序数24
原子量51.9961 u
类别过渡金属
区d
晶体结构体心立方
氧化态-2, -1, 0, +2, +3, +4, +5, +6
发现1797
发现者Louis-Nicolas Vauquelin

来源:IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值,而非测量值。

尺寸,按比例显示

铬的原子有多大?

半径128 pm——即0.128 nm,因此大约3.91百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。

温度范围

固态、液态、气态——以及转变时机

铬在764 K的范围内呈液态,温度从2180 K到2944 K。

所在位置

在表中的位置

铬位于第4周期、第6族。 第6族中的所有元素具有相同的最外层电子数,因此它们的性质非常相似。

其他过渡金属

所有过渡金属

背后的故事

铬是什么,以及我们如何发现它

铬是一种让所有闪亮物品呈现“铬光泽”的元素,也是使不锈钢真正不易生锈的关键!这种坚硬、有光泽的过渡金属对于现代生活中的美观与强度都至关重要。其名称来自希腊语“chroma”,意为颜色,因为铬化合物能呈现令人惊叹的鲜艳色彩,从翡翠绿到宝石红,再到明亮的黄色。 1797年,法国化学家 Louis-Nicolas Vauquelin 在分析一种来自西伯利亚、名为铬铅矿的神秘红色矿物时发现了铬。铬彻底改变了冶金学和艺术。Vauquelin 注意到,这种矿物能产生一种此前从未见过的美丽绿色氧化物,从而发现了一种全新的元素。 铬最非凡的特性,是能够形成超薄、不可见的氧化物保护层,保护底层金属免受腐蚀。当铬加入铁中制成不锈钢时,这层保护膜使合金几乎能够抵抗锈蚀、酸和风化,因此不锈钢手术器械可以被数千次消毒,Chrysler Building 的装饰艺术风格冠顶在历经90年后仍然熠熠生辉! 铬还是世界上一些最珍贵宝石的秘密所在。红宝石的深红色来自微量铬,它取代了刚玉晶体中的铝。同样,祖母绿的迷人绿色来自绿柱石晶体中的铬(以及钒)杂质。如果没有铬,这些宝石将会是无色的! 这里还有一个有趣的事实:六价铬(Cr⁶⁺)具有剧毒并且致癌,而三价铬(Cr³⁺)实际上是一种必需营养素,能够帮助人体代谢葡萄糖和脂肪。这说明,同一种元素因化学形态不同,既可能有益,也可能有害。

铬的发现

多彩的发现

Louis-Nicolas Vauquelin于1797年在分析来自西伯利亚金矿的铬铅矿(PbCrO₄)时发现了铬。这种矿物鲜艳的橙红色引起了 Vauquelin 的兴趣,促使他分离出一种新的金属元素。他根据希腊语“chroma”(意为颜色)将其命名为“chromium”,以反映铬化合物的鲜艳色彩。

工业发展

商业化铬生产始于19世纪90年代的铬铁冶炼,推动了不锈钢的发展。Harry Brearley于1913年在英国 Sheffield 发现不锈钢,彻底改变了对铬的需求,并奠定了现代铬冶金学的基础。

用途

铬的用途

铬:镜面的制造者

铬能将普通钢材转变为完美的不锈钢,同时制造出定义现代美学的明亮镜面和装饰性表面。这种过渡金属的独特性质使其广泛用于从手术器械到航天器隔热罩等领域。

不锈钢革命

含有16-26%铬的奥氏体不锈钢能够形成保护性氧化层,并在受到划伤时自行修复,从而提供持久的耐腐蚀性。316型不锈钢凭借铬的钝化性质,可耐受海洋环境、化学加工和医疗应用。全球不锈钢生产消耗了铬供应量的85%,使从厨房电器到化工厂的基础设施具备耐腐蚀能力。

装饰性镀铬

电镀工艺沉积超薄铬层(0.25-2.5 μm),在汽车饰件、管道装置和装饰五金上形成镜面般明亮的表面。硬铬电镀沉积更厚的镀层(25-250 μm),用于需要极高耐磨性的工业领域,包括液压缸、机床导轨和印刷辊。

耐火材料应用

铬砖用于砌筑炼钢炉和玻璃熔窑,可承受超过1800°C的温度,同时抵抗炉渣腐蚀。铬镁质耐火材料凭借氧化铬出色的热稳定性和化学惰性,使水泥窑运行和有色金属冶炼成为可能。

颜料技术

氧化铬绿(Cr₂O₃)凭借出色的紫外线稳定性和耐化学性,为陶瓷、涂料和塑料提供持久色彩。铬酸铅颜料能产生鲜艳的黄色和橙色,用于工业涂层,但环境法规将其使用限制在专门用途内。

铬:随处可见

  • 厨房与首页
    • 不锈钢家电(冰箱、洗碗机、烤箱)
    • 厨房水槽、水龙头和炊具
    • 餐具和厨具
    • 浴室装置和五金件
  • 汽车行业
    • 镀铬保险杠和装饰件
    • 不锈钢排气系统
    • 发动机部件和紧固件
    • 装饰性车轮和配件
  • 医疗设备
    • 手术器械和植入物
    • 医院设备和装置
    • 牙科工具和正畸器械
    • 实验室设备和表面材料
  • 建筑材料
    • 建筑面板和覆层
    • 扶手和结构部件
    • 屋顶和排水沟系统
    • 海洋建筑部件
  • 工业应用
    • 化学加工设备
    • 发电厂部件
    • 炼油厂设备
    • 食品加工机械

来源

自然存在

地壳中含量为102 mg/kg · 比83%的元素更丰富

铬:源自恒星合成

铬通过大质量恒星中的硅燃烧过程形成,此时温度超过30亿开尔文,能够进行构建重于铁的元素的核聚变反应。Ia型超新星通过爆发性核合成显著增加铬的丰度,并将这种元素散布到整个星系中,而恒星残骸则为未来行星的形成播撒种子。

全球分布

地壳中含有185 ppm的铬,主要集中在通过岩浆过程形成的铬铁矿(FeCr₂O₄)矿床中。南非的Bushveld Complex位于层状火成侵入体中,拥有全球铬储量的70%;Kazakhstan和India也拥有重要的额外资源。

铬铁矿的形成

豆荚状铬铁矿矿床形成于蛇绿岩复合体中,那里海洋地壳和地幔岩石通过构造作用暴露出来。层状矿床则源于大型层状侵入体中的岩浆分异,形成连续的铬铁矿层,并通过地下采矿作业进行开采。

采矿与加工

由于铬铁比会影响冶金应用,铬铁矿开采需要仔细进行矿石分选。重力分离和磁选用于富集铬铁矿物,而在1700°C电弧炉中进行的铬铁冶炼则生产不锈钢制造所必需的铬铁合金。

处理

安全

铬安全:必须高度重视

铬化合物的毒性水平因氧化态不同而有显著差异。六价铬(Cr⁶⁺)具有严重的致癌危害,而三价铬(Cr³⁺)毒性极低,是一种必需的微量营养素。

健康危害

六价铬凭借其强氧化性和对细胞 DNA 的损伤,会导致肺癌、鼻中隔穿孔和严重皮肤溃疡。镀铬作业会产生铬酸雾,需要复杂的通风系统和呼吸防护。焊接不锈钢会产生六价铬烟雾,因此必须配备专用烟气抽排系统。

接触限值

  • OSHA PEL:六价铬为0.005 mg/m³(8小时 TWA)
  • NIOSH REL:致癌性铬化合物为0.001 mg/m³
  • 三价铬:0.5 mg/m³(金属及不溶性盐)

安全措施

六价铬作业必须采取全面的医学监测、呼吸防护和工程控制措施。局部排风、供气式呼吸器和防护服能够防止通过多种途径接触铬。

快速解答

铬:常见问题

铬是什么?

铬(符号Cr)是元素周期表中的第24号元素,属于4周期6族的过渡金属。 让铬闪耀,也让不锈钢拥有“不锈”特性的元素。 在室温下为固态。

铬的电子排布是什么?

铬的基态电子排布为[Ar] 3d⁵ 4s¹,共有4个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 13, 1。

铬的熔点和沸点是多少?

铬在2180 K(1906.9 °C)熔化,在2944 K(2670.9 °C)沸腾。 因此它属于最耐高温的元素之列——在能使大多数金属汽化的温度下,它仍保持固态。

铬的原子量是多少?

铬的标准原子量为51.996 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值,因此通常不是整数。

铬的密度是多少?

铬的密度为7.15 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此铬块约重7.2倍。

铬的电负性是多少?

铬的鲍林电负性为1.66。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 处于这一中间范围的数值通常对应共价键,而不是强离子键。

谁发现了铬,是在什么时候?

铬由Louis-Nicolas Vauquelin于1797年发现。 它以希腊语chroma,意为“颜色”命名。

铬在地球上有多常见?

铬约占地壳的102 mg/kg——含量足够高,可以进行规模化开采。