一種化學元素,化學符號Cr,原子序數24,原子量51.9961,屬週期系ⅥB族。1797年法國化學傢N.-L.沃克蘭從鉻鉛礦中發現鉻。元素英文名來源於希臘文chromos,原意為“顏色”,因為鉻的化合物都有顏色。

  存在 鉻在地殼中的含量為1.0×10-2%,居第17位。自然界不存在遊離離狀態的鉻。最重要的含鉻礦石是鉻鐵礦FeO·Cr2O3,高品位礦含氧化鉻Cr2O342%~56%,一般混有氧化鎂、氧化鋁和氧化矽等雜質。鉻有四種天然穩定同位素:鉻50、鉻52、鉻53、鉻54,其中以鉻52豐度最高。

  物理性質 鉻為鋼灰色有光澤的立方晶體,有延展性,含氧、氫、碳和氮雜質時硬而脆;熔點1857℃,沸點2672℃;20℃時的密度:單晶為7.22克/厘米3;多晶為7.14克/厘米3。金屬鉻的晶體結構有兩種;α鉻為體心立方;β鉻為面心立方(>1830℃)。

  化學性質 鉻的電子構型為(Ar)3d54s1,氧化態有0、±1、±2、+3、+4、+5、+6。未鈍化的金屬鉻,還原能力相當強,能溶於鹽酸、硫酸和高氯酸,形成藍色Cr2+離子,並放出氫氣。經硝酸、鉻酸、氯酸或磷酸等氧化劑鈍化後,表面形成保護性氧化膜,不再與酸反應,連王水也不能溶解它。金屬鉻及其合金具有強抗腐蝕能力。有鹵素離子存在時,鉻在酸性條件下不能長期保持惰性。600~700℃時,鉻能被強堿侵蝕,能與硫蒸氣或硫化氫形成硫化物,也能與二氧化硫反應;800℃時能與磷起作用;850℃時能與氨形成氮化物,與氧化氮形成氧化鉻和氮化鉻;1000℃時能被一氧化碳氧化,高溫下還能與水蒸氣和氮氣反應。鉻的碳化物主要為碳化鉻Cr3C2,具有硬度大、耐磨性能好、抗腐蝕能力強等特性,已在工業上使用。鉻與矽在高溫下生成矽化鉻,能耐除氫氟酸以外的所有其他酸。鉻能與許多金屬生成合金、與鐵和鎳組成的合金,稱不銹鋼。

  鉻的主要氧化態是+2、+3和+6。以鉻的氧化物為例,有氧化亞鉻 CrO、氧化鉻 Cr2O3和三氧化鉻CrO3。鉻的0、+1、+4和+5價的代表性化合物是Cr(CO)6、Cr(bipy)3+、Cr(OC4H9)4CrF5等[bipy為鄰聯吡啶,分子式為(C5H4N)2]。

  重要化合物 工業用的重要鉻化合物有鉻酸鈉、重鉻酸鈉、鉻酸鉀、重鉻酸鉀、三氧化鉻和硫酸鉻等。鉻酸的鈉鹽或鉀鹽可用鉻礦與堿在氧氣氛中煅燒制得:

2Cr2O3+4Na2CO3(或K2CO3)+3O2─→

4Na2CrO4(或K2CrO4)+4CO2

重鉻酸鹽由硫酸作用於鉻酸鹽制得:

2Na2CrO4(或K2CrO4)+H2SO4─→

Na2Cr2O7(或K2Cr2O7)+Na2SO4+H2O

三氧化鉻由硫酸作用於重鉻酸鹽制得,可用於電鍍工業。

Na2Cr2O7+2H2SO4─→2CrO3+2NaHSO4+H2O

硫酸鉻由二氧化硫還原重鉻酸鹽制得,可用於鞣革和紡織工業。

Na2Cr2O7+3SO2+H2SO4─→Cr2(SO4)3+Na2SO4+H2O

氧化鉻由硫還原重鉻酸鹽制得,是一氧化碳高溫氧化的催化劑,還可用於高溫陶瓷。

Na2Cr2O7+S─→Cr2O3+Na2SO4

  制法 生產鉻有化學還原法、電解法和熱分解法。

  ① 化學還原法 在電爐中用鋁還原氧化鉻是大量生產金屬鉻的方法:

Cr2O3+2Al─→2Cr+Al2O3

中間原料氧化鉻是從鉻鐵礦經過堿煅燒制 鉻酸鹽,然後用 硫酸酸化和 碳還原三個主要步驟而得到的。氧化鉻可用 矽還原:

2Cr2O3+3Si─→4Cr+3SiO2

也可用碳還原,再在真空條件下將鉻蒸餾。用氫還原二氯化鉻,可生產海綿鉻。

  ② 電解法 電解銨鉻礬溶液或含少量硫酸的鉻酸溶液均可獲得金屬鉻。電解鉻中的氧化物雜質經氫氣還原處理後,可得高純度鉻,純度達99%。

  ③ 熱分解法 最純的鉻可采用真空條件下熱分解二碘化鉻CrI2或六羰基鉻來制備,純度可達99.99+%。

  冶煉鉻鐵合金的方法有兩種:①在電爐中用矽還原鉻鐵礦,可得含鐵量為0.03%~0.1%的低碳鉻鐵合金;②先將礦石預還原,使氧化鐵還原成鐵,然後在電弧爐中用碳還原,可得含碳量為4%的高碳鉻鐵合金。

  應用 鉻與鎳和鐵生成的鉻鎳不銹鋼和與錳、鐵生成的鉻錳不銹鋼,可廣泛用於制造化工設備。含鉻25%的鈷基合金具有高硬度和抗腐蝕性能,可用於切削工具;含鉻20%的鎳基合金可用於電熱絲。用電解、噴鍍、真空沉積和高溫擴散等方法在鐵或鋼的表面形成鉻的覆蓋層或者合金層,可使外表美觀、耐磨、抗腐蝕性好。

  鉻化合物中,重鉻酸鈉(俗稱紅礬鈉)和重鉻酸鉀(紅礬鉀)是有機合成和石油工業用的強氧化劑;鉻黃、鉻橙、鉻綠等可用作無機顏料。

  廢水處理 鍍鉻廢液、鞣革廠廢水、防腐劑冷卻水都含有鉻,排放前必須除去。常用方法是先通過陽離子交換樹脂回收廢水中的三價鉻離子,再通過陰離子交換樹脂回收六價鉻離子(見離子交換)。棉絮狀的水合氧化鉻沉淀可用活性炭柱吸附除去。

  毒性 金屬鉻毒性較小,僅對皮膚有敏感作用。三價鉻的毒性比六價鉻低。吸進鉻化合物粉塵可導致萎縮性鼻膜炎、變態反應性鼻炎和支氣管氣喘等。鉻鹽進入血液會損傷血管壁,形成血栓。鉻鹽對神經系統也有損害。鉻還會引起中毒性腎病。鉻酸鹽的致死量為6~8克。