铬

米拉Senthilingam

本周，一种元素通过其化合物的多彩特征，为矿物增添了光彩和价值。

克里斯托弗·布兰福德

在西方世界，有着丰富多彩的历史铬在可见光谱的远端，一种橘红色的矿物恰如其分地开始了，这种矿物被它的发现者、18世纪的地质学家约翰·莱曼(Johann Lehmann)命名为“西伯利亚红铅”。尽管那时门捷列夫的元素周期表还有将近一个世纪的时间，但世界各地的科学家们正在迅速发现新元素——30%的自然元素在1775年至1825年间首次被分离出来。在西伯利亚红铅首次被发现35年后，法国化学家路易·沃奎林(Louis Vauquelin)发现了这种现在被称为鳄鱼的矿物，其中含有一种以前不为人知的化学元素。

沃奎林用了几个步骤来分离铬。首先他把鳄鱼的溶液和钾碳酸盐沉淀出铅。然后将柠檬黄铬酸盐中间体在酸中分解，最后去除复合物氧气通过加热碳-留下元素铬。

这种新元素的名字在他的朋友中引起了争论，因为它的化合物的颜色，他们建议用“铬”这个词来表示颜色。虽然一开始他反对这个名字，因为金属本身没有特征颜色，但他朋友的意见占了上风。

当沃奎林向法国科学院展示他的浅灰色金属时，他评论说这种金属很脆，耐酸，不能熔化。他认为这些特性使其难以处理，从而限制了其作为金属的应用。然而，他确实提出，铬的化合物将被广泛用作漂亮、色彩鲜艳的颜料。浏览维基百科上铬化合物的图片，可以看到整个光谱的颜色:暗红色的氧化铬(VI)，橙红色的铬酸铅，亮黄色钠铬酸盐、亮铬绿(即氧化铬III)、浅蓝色氯化铬(II)和紫色无水氯化铬(III)。这些化合物中的最后一种在水化时表现出惊人的特性。它的颜色在浅绿色、深绿色和紫色之间变化，这取决于铬离子的六个配位中有多少被氯离子而不是水所占据。

在所有这些颜料中，有一种非常突出。我是一名化学家，在美国中西部出生、长大和接受教育，所以北美标志性的黄色校车是熟悉的景象。铬黄，也被称为“校车黄”，1939年被所有美国校车采用，以在黄昏时分提供高对比度和能见度。然而，有毒铅和六价铬的存在导致它在很大程度上被一个偶氮染料家族所取代，被称为色素黄，尽管铬黄仍然在一些海洋和工业应用中使用。

在所有铬的自然产物中，我最喜欢的是宝石，在宝石中加入微量的铬元素会增添绚丽的色彩。像刚玉、绿柱石和冷绿柱石一样，这些金属氧化物是无色且不明显的矿物。但加入少量铬，它们就会变成红宝石、祖母绿和翠绿石。

化学家的结晶场理论工具，用来模拟过渡金属配合物的电子结构，为描述和预测铬化合物的颜色来源和变异性提供了一种令人惊讶的准确方法。红宝石是一种氧化铝，千分之几的铝离子被铬(III)离子取代，铬原子被六个氧原子包围。这意味着铬原子强烈地吸收紫色和黄绿色区域的光。我们看到的主要是红色和一些蓝色，在最好的情况下，这是最好的红宝石特有的鸽子血颜色。

Cr^{3 +}离子比铝大26%^{3 +}离子被取代。因此，当更多的铬加入到氧化铝中时，铬周围的八面体环境就会发生扭曲，两条吸收带就会向红色偏移。在氧化铝中，20%到40%的铝原子转化为铬原子，吸收和传输的颜色交换，我们看到这种复合物为绿色，将人造红宝石转变为绿色蓝宝石。

我的下一颗宝石，祖母绿，氧化物硅、铝及铍．它同样用铬离子代替铝离子，氧在铬周围也有类似的扭曲的八面体排列，这使祖母绿具有特有的绿色，就像绿色蓝宝石一样。

铬宝石中，翠绿宝石最令我着迷。它的石头具有强烈的多色性。也就是说，它们会根据入射光的方向和偏振吸收不同的波长。因此，根据宝石的取向，翠绿石的颜色范围从红橙色到黄色和翠绿色。它的颜色也会根据它是在白天还是在温暖的红色烛光下观看而变化。当从日光转移到烛光时，最好的标本会从明亮的绿色变成火红。较小的宝石会从暗绿色变成浑浊的血红色。

在这彩虹状的铬化合物之外，铬有助于防止一种特别不受欢迎的颜色:锈棕色。在耐腐蚀或“不锈钢”钢中，铬至少占其质量的11%。合金铬与氧气反应形成透明的纳米级氧化物层，形成一个屏障，防止氧气进一步渗透，从而防止红润，片状的产品铁氧化。

鉴于铬配合物的广泛应用，当我告诉你所生产的铬中不到0.5%是单质形式的铬时，应该不会感到惊讶。因此，在某种程度上，沃奎林两个世纪前关于元素铬用处有限的预言是正确的。另一方面，对于铬(当然是在宝石之后)，我脑海中的第一幅画面是它的金属形态，比如球轴承的镜面腐蚀和耐磨“铬”表面，以及汽车零件上闪亮的银色装饰。

米拉Senthilingam

所以它有光泽和色彩，以及耐腐蚀和耐磨。我不认为铬的用途有限，你说呢?这是牛津大学的克里斯托弗·布兰福德提出的铬的复杂而丰富的化学性质。下周，行星元素。

布莱恩·克莱格

我们都很熟悉铀而且钚人们很容易忽略它们是以太阳系第七和第九大行星的名字命名的。(至少，冥王星是第九大行星，直到2006年被剥夺了这一地位。)在这些行星之间坐落着海王星，这两个元素之间的空隙为它们相对默默无闻的表亲留下了空间，镎-元素周期表中的第93号元素。1940年6月，在伯克利辐射实验室工作的美国物理学家埃德温·麦克米兰和菲利普·艾贝尔森写了一篇论文，描述了在使用回旋粒子加速器用中子轰击铀时发现的铀反应。值得注意的是，公开发表的伯克利论文将显示出克服制造原子弹最大障碍之一的第一步。

米拉Senthilingam

布莱恩·克莱格将在下周的节目中透露如何克服这一障碍元素中的化学．在那之前，我是Meera Senthilingam，感谢大家的收听。