铬

定义

铬是化学元素，元素符号 Cr，原子序数 24，在元素周期表中属第 6 族（VIB 族），相对原子质量约 52.00^[1][3]。单质铬是钢灰色、有金属光泽的固体，密度约 7.15 至 7.19 克每立方厘米，熔点约 1907 ℃、沸点约 2671 ℃，属于高熔点金属^[1][3]。它的基态电子组态为 $3d^5 4s^1$，是周期表中较早出现电子排布“反常”的元素之一^[2]。

铬在地壳中的丰度约为 1.02×10⁻² 毫克每千克，常见氧化态有 0、+2、+3 和 +6 价，其中 +3 价与 +6 价最为常见^[1]。不同价态的铬化合物呈现不同颜色，元素英文名 Chromium 即源自希腊语中表示“颜色”的词^[3]。自然界中具有工业价值的铬矿物主要是铬铁矿，化学式可写作 $\mathrm{FeCr_2O_4}$^[5]。

原理

铬之所以能保护钢铁，原因与表面钝化有关。铬与氧的亲和力较强，暴露在空气中时表面会迅速生成一层极薄而致密的氧化膜，这层膜阻碍氧和腐蚀介质继续向内扩散；在浓硝酸等强氧化性介质中也会因钝化而不再被侵蚀^[2]。把铬加入钢中后，钢材表面同样能形成含铬的钝化层，由此获得耐大气和耐酸碱腐蚀的能力。

铬的化合物以氧化还原性质为主。三氧化二铬($\mathrm{Cr_2O_3}$)是两性氧化物，在碱性条件下先生成氢氧化铬沉淀，沉淀可溶于过量碱，加入双氧水后则被氧化到 +6 价^[3]。+6 价铬在酸性溶液中以铬酸根、重铬酸根形式存在，还原为 +3 价时能接受电子，因而可用作氧化剂和催化剂；在乙烯聚合所用的菲利普斯催化剂中，关键结构就是负载在多孔二氧化硅上的氧-铬单元^[3]。三价铬与六价铬在适当条件下可以相互转化，这也是铬的环境行为较为复杂的原因^[6]。

工业上由铬铁矿制取金属铬，一般先经碱性氧化焙烧使其转化为铬酸钠，再还原为三氧化二铬，最后用铝或硅在高温下还原得到金属；铝热还原的反应可写作 $\mathrm{Cr_2O_3 + 2Al \rightarrow 2Cr + Al_2O_3}$^[5]。大规模生产时更常见的是用电弧炉以焦炭还原铬铁矿，直接得到铬铁合金^[5]。

发展历程

含铬化合物的使用早于铬元素的发现。中国古代西夏时期已有工匠用含铬矿物烧制鲜艳的釉下彩；秦代兵器表面也检出了铬，这种处理被认为有助于防锈并保持锋利，但目前无法确定当时人们的实际意图^[2][3]。1766 年，德国矿物学家莱曼研究西伯利亚红铅矿时将其误判为含铅矿物；1770 年，俄国院士帕拉斯把这种矿石带到西欧，引起化学界关注^[2]。

铬元素于 1797 年由法国化学家尼古拉-路易·沃克兰从铬铅矿($\mathrm{PbCrO_4}$)样品中发现；1798 年，他用木炭在高温下还原三氧化二铬，得到了金属铬，并发现祖母绿等宝石的绿色与这种元素有关^[3][5]。法国化学家福克罗伊与矿物学家阿维依以“颜色”之意为其命名，Chromium 由此成为正式元素名^[3]。

此后铬的冶炼与应用技术逐步成熟。1893 年，穆瓦桑提出在电炉中用碳还原氧化铬制取铬铁的方法；1898 年，德国化学家戈尔德施密特用铝热法还原三氧化二铬制得金属铬；1954 年又出现了水溶液电解法制铬的工艺^[7]。19 世纪铬主要以颜料形式使用，进入 20 世纪后用途重心转向合金^[5]。就资源格局而言，南非近十年铬矿产量约占全球的 45%，长期位居第一^[8]。

应用

冶金是铬最主要的用途，现代商业生产的铬约有 75% 至 85% 用于制造合金，其中不锈钢占比最大^[3]。统计资料显示，铬在冶金领域的应用约占总量的 90%，添加铬可提高钢材的强度、硬度、耐磨性、耐蚀性和耐高温性能^[9]。铬多以铬铁合金的形式进入钢厂，也用作铝合金、钛合金、高温合金和电阻合金的添加元素^[6]。

镀铬与表面处理是另一类重要用途。通过电镀或渗铬，可以在钢铁、铜、铝等零件表面形成抗腐蚀且光亮的镀层，广泛用于汽车、家具和建筑五金^[6]。铬化合物在化工中同样常见：三氧化二铬用作绿色颜料、磨料和玻璃陶瓷着色剂，碱式硫酸铬用作皮革鞣剂，铬矾和重铬酸盐用作织物染色的媒染剂，铬酸铅则是著名的黄色颜料“铬黄”^[6]。

铬铁矿还因熔点高、热膨胀适中而用于制造耐火砖和耐火型材。在生命活动方面，三价铬是人体必需微量元素，参与糖代谢与脂代谢，并有助于胰岛素发挥作用；人体对无机铬的吸收率很低，对有机铬形式的利用率相对较高^[6][4]。

局限

铬的毒性高度依赖价态，不能一概而论。六价铬化合物是强氧化剂，具有腐蚀性和致癌性，国际癌症研究机构已将其列为 1 类致癌物，主要风险出现在电镀、冶炼、制革、颜料生产等职业场景；长期吸入可损伤呼吸道，并显著提高肺癌风险^[4]。金属铬与三价铬的毒性则低得多^[4]。

金属铬本身作为结构材料使用受到限制。铬单质在常温下延展性较差、性脆，纯铬难以直接承受加工，因此工业上更多以铬铁或合金添加剂的形式使用，而非纯金属构件^[5][6]。在资源与供应方面，铬矿分布很不均衡，全球可用资源约 95% 集中在哈萨克斯坦和南非^[9]；中国铬矿资源短缺，供应高度依赖进口，这使铬被列为关键矿产^[9]。

关于三价铬的营养作用，研究结论并不完全一致。有综述指出，三价铬的补充效益证据存在矛盾，人体可能仅从日常饮食中就能获得足够的铬，额外补充并非必需；同时，铬缺乏的判断指标也缺少统一定论^[10]。

参见

• 不锈钢 —— 铬最主要的消费去向，其耐腐蚀性来自铬形成的钝化膜。

• 铬铁矿 —— 铬的唯一具商业价值的矿石，金属铬与铬铁均由它制得。

• 六价铬 —— 铬的 +6 价形态，是铬毒性研究与环境监管的核心对象。

• 过渡金属 —— 铬所处的元素类别，其电子构型与磁性特征都与这一类别相关。

• 钝化 —— 铬及含铬合金耐腐蚀的关键机理。