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元素发现史:彩色宝石世界里神奇的铬元素

科普小知识2022-08-02 08:30:34
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众所周知,我们生活中的不锈钢杯子、饭锅、水龙头、医疗器械、手术刀、剪刀、针头等等都涂上了明亮的“克罗米”。此外,近年央视曝光的“毒胶囊事件”和“皮奶事件”也是产品中“cromet”含量超标导致人体中毒的原因。

克罗姆米是最硬的金属,在自然界中约占壳的1/10000,也是冶金、化工等领域的“大老板”。200多年前,一位细心的化学家花了三次时间找到了这种元素,最后在老师的帮助下给它命名。

矿石分析失败了两次。

路易斯·尼古拉斯·沃克林是18世纪末19世纪初法国著名的科学家。1795年秋天,一个朋友送了一颗红色矿石给他,他当时是法国的采矿检查员和巴黎综合技术学院的教授,声称它是从俄罗斯西伯利亚的贝雷佐夫矿区开采出来的。矿石不是拿来展示的。沃克林开始查阅资料和研究。数据显示,30年前,德国科学家莱曼用盐酸溶解矿石,得到了一种美丽的绿色溶液。因此,矿石被认为含有铅、砷和镍元素,因此被归类为西伯利亚红丹。

元素发现史:彩色宝石世界里神奇的铬元素

沃克林图像(网络图)

沃克林是一名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,得出结论,矿石中含有铅、铁、铜等元素,但这与莱曼的分析大相径庭。“它包含哪些元素?”沃克林想冷静下来试一试,但是因为当时他手头有很多工作,各种研究都已经到了写总结论文的阶段,所以他不得不暂时停下来。

第二年夏天,一直在考虑研究西伯利亚红丹矿石化学成分的沃克林,在他有空的时候再次进行了测试。他将矿石和碳酸钾以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。但是我不知道钾盐溶液是由什么元素组成的。因此,他在这种溶液中加入了汞盐溶液,生成了美丽的红色沉淀物。向该溶液中加入铅盐溶液以获得橙黄色沉淀。他隐约觉得这种钾盐溶液中含有未知元素,但要弄清这种元素的性质并不容易。不幸的是,在这个时候,他接到通知去视察各个地方的采矿情况,而研究工作又被放弃了。

元素发现史:彩色宝石世界里神奇的铬元素

西伯利亚红铅矿和碳酸钾生产的铬酐。(网络图)

三个等级的努力工作被联合命名

沃克林一直担心找不到西伯利亚红铅矿的未知元素。又一年过去了,他下定决心这个问题必须解决。经过反复试验,他用盐酸处理矿石粉末,产生氯化铅沉淀和其他化合物。过滤掉沉淀物,蒸发滤液至干,得到未知元素的氧化物。然后,将氧化物与碳粉混合,放入碳坩埚中,在炉中强烈加热,最终得到银白色针状金属。然后,通过实验,他终于发现了金属的本质:不溶于水,易碎但坚硬,熔点高达2000摄氏度。

“我终于抓到你了!”沃克林搜索了当时所有的化学物质,确定它是一种未知元素。谦虚地说,他写了一篇关于研究过程的论文,交给了福柯和阿尤伊老师,希望他们能对元素的命名提出建议。两人对此非常重视。经过一番讨论,三人决定将新发现的金属元素命名为“铬”(希腊文的意思是“颜色”)和化学符号“铬”。几年后,1872年西学东渐,晚清科学家徐寿在西学中引入了元素周期表,并将其翻译为“铬”。

元素发现史:彩色宝石世界里神奇的铬元素

金属铬块(网络图)

尽管铬的中文名字已经诞生了100多年,但为了便于交流,许多市民仍然喜欢称它为“铬”(类似于铬的英文发音)。

美丽的颜料不是优点和缺点。

希腊语中铬的“颜色”非常合理。虽然金属铬是银白色的,但它产生的复合硫酸铬是绿色的,铬酸镁是黄色的,重铬酸钾是橙色的...在沃克林1797年的研究实验中,黄色钾盐溶液实际上是一种含有重铬酸铅的溶液,它与铅盐溶液反应生成橙黄色铬酸铅。铬酸铅,也称为铬黄,可溶于酸和碱,不溶于水,在加热到沸点之前不会分解。二十年后,经过美国科学家对铬的开发,铬黄已成为一种价格低廉、不透明性强的颜料,广泛应用于涂料、油墨、橡胶等行业。

元素发现史:彩色宝石世界里神奇的铬元素

美丽的铬化合物。(网络图)

铬再次引起了科学家的注意。150年后(1948年),经过实验,科学家们认识到铬是动物和植物的一种成分。进一步的研究证明,铬广泛存在于自然环境中,主要以三价铬和六价铬的形式存在。又过了十年,人们证实铬是人类和哺乳动物必需的微量元素,主要分布在骨骼、皮肤、大脑和肌肉中。科学家默茨证实,铬的生化作用主要是作为胰岛素的增强剂。根据中国营养学会的数据,正常人体的铬含量约为6000微克,成年人每日适宜的铬摄入量为50微克。

不得不说,关于铬是否会致癌还没有科学的结论,但是人们早就知道六价铬会导致肺癌。它的科学原理是,强氧化剂六价铬与蛋白质结合,产生不溶于水的有害物质,这些物质在肺部积聚,导致癌症。这就是前面提到的“毒胶囊事件”和“皮奶事件”的真相。

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铬对人体的影响。(网络图)

广泛使用的一次性合金

随着人们对铬对人体影响的日益关注,铬的工业价值逐渐体现出来,并广泛应用于冶金、化工、耐火、高端技术等领域。

铬在冶金工业中约占90%,主要用于不锈钢产品。铬的主要特征是耐腐蚀性。通过在铁中加入一定比例的铬,可以生产各种各样的不锈钢材料。

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不锈钢餐具(网络图)

除不锈钢产品外,铬主要用于合金铸造冶金工业。添加不同比例的铬可生产不同用途的合金:添加1.5%的铬后,滚珠轴承钢变得坚硬耐磨;含25%-30%铬的铬钢能承受1000摄氏度的高温。由铬、锰和锑组成的合金材料的磁性可以随着温度的变化而变化,这种材料用于自动装置中。

在化学工业中,铬铁矿可以加工成各种铬盐。作为无机盐的主要种类之一,铬盐可用于电镀、燃料、医药等。1796年,当沃克林研究铬时,西伯利亚红丹矿石和碳酸钾反应产生的化合物之一,三氧化铬,也称为铬酐,可用作氧化剂、催化剂、木材防腐剂、织物媒染剂等。在耐火材料方面,科学家利用铬制造铬砖、铬镁砖和其他材料,其原理是铬铁矿的熔点高达1900-2050摄氏度,在高温下保持其体积不变,并且不会与其他炉渣发生化学反应。

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[参考]

1.刘·和赵·合著的论文《铬和铍的发现者——沃克林教授》,化学教育,1997年第8期。

2.由黄凤和其他人翻译的《化学元素发现史》可以在商务印书馆找到。

3.亚洲金属网,一个专业的金属知识网站。