元素漫谈(五)铬

摘要

铬,原子序数24,铬有二十多种同位素,最常见的铬有28个中子。室温下的单质铬是坚硬而有光泽的金属。Chromium来自于希腊文中“颜色”的意思。铬有很多带颜色的化合物,如今颜料的制备中还会用到铬。一些物质中掺杂了铬也会拥有颜色,例如,红宝石的红色便与铬有关。

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铬,原子序数24,铬有二十多种同位素,最常见的铬有28个中子。室温下的单质铬是坚硬而有光泽的金属。

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图一:不同颜色的含铬化合物

图片来源:

https://www.chem.wisc.edu/deptfiles/genchem/sstutorial/Text3/Tx33/SeeElements/chromium2.htm

Chromium来自于希腊文中“颜色”的意思。铬有很多带颜色的化合物(图一),如今颜料的制备中还会用到铬。一些物质中掺杂了铬也会拥有颜色,例如,红宝石的红色便与铬有关。红宝石的主体是刚玉(三氧化二铝最稳定的状态),刚玉本身是透明的。原子中的电子可能占据的能量并不是连续的,而是量子化的,一旦光的能量与电子两个量子态的能量差相等时,电子可以与光子有相互作用,刚玉在可见光范围与光子无显著相互作用,因而无色透明。如果三价的铬取代了三价的铝,电子允许占据的能级会被改变,最终让铝的氧化物呈现为红色(强红光穿透,强紫光吸收,强黄绿光吸收)。不仅铬的化合物和掺杂铬的晶体容易呈现颜色,含铬的离子在溶液中也有多种颜色,这些颜色的来源很多与铬的价层d轨道有关。铬的英文Chromium还是Google的一个项目名,浏览器Chrome的名字就是起源于此。

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图二:铬掺杂对颜色的影响。刚玉(三氧化二铝)是无色透明的,随着铬的掺杂,颜色逐渐由红变绿。 图片来源:http://pedagog.hubpages.com/hub/Ruby-sapphire#

电子在原子中的结构需要用量子力学解释。电子结构依照两个量子数被分类,这两个量子数分别是主量子数n和角量子数l,它们和另外两个量子数(角动量z分量量子数和自旋)描述了电子的状态。主量子数n决定了电子的壳层,每个壳层可容纳的电子数是2n2(2,8,18,32,……)。比如n=1时,根据量子力学,l只能有一个取值0,角动量z分量量子数也只有一个取值。因为泡利不相容原理,原子中不能有两个量子数完全一样的电子,因此,再加上自旋这个自由度,n=1这个壳层最多只能填充两个电子,氢是只填一个电子的例子,氦是只填两个电子的例子。

 

每个壳层根据角动量不同而有不同支层。例如,n=2时,l有两个取值,分别是0和1,对应两个支壳层。l=0的支层,角动量z分量只有一个取值,再加上自旋自由度,这个支层可以容纳两个电子,对应锂和铍。l=1的支层,角动量z分量有三个取值(-1,0,1),再加上自旋的自由度,这个支层可以容纳六个电子,对应从硼到氖。因此,整个n=2壳层可以容纳8个电子,对应第二周期从锂到氖的八种元素。元素周期表并不是完全按照2n2的规律排的,因为电子不一定填完一个主量子数n再填下一个,它遵守的是能量最低原理。例如,(n=3,l=2)与(n=4,l=0)这两个支壳层的能量就非常接近,填充时不必填满一个再填另一个。

 

习惯上,人们用s、p、d、f来对应l=0、1、2、3的不同支壳层。铬有24个电子,其中18个电子与非常稳定的氩一样,剩下5个电子填在价层d轨道上,1个电子填在最外层的s轨道上,这6个电子让铬与其他元素不同。铬的价层d轨道指的即是电子角动量l=2的轨道,它允许五种角动量z分量取值(-2,-1,0,1,2),再加上自旋,这个轨道最多可以填充10个电子。因为这个d轨道的存在,铬能与其他元素灵活地组合,它在化合物中可以呈负二价到正六价,共九种可能价态。多种价态让铬形成多种化合物,有些正好带颜色。除了颜料,生活中我们还常遇到不锈钢中的铬,因为铬会被氧气钝化,形成一层保护层,因此材料表面会变得不活跃,不容易受环境影响,类似的例子有铝的表面形成三氧化二铝。兵马俑中武器上的涂层发现过铬的存在。

 

铬也频繁出现于科研中,例如作为微加工技术中的中间镀层。过去几十年里,铬用于科研中的一个著名例子是巨磁阻效应。巨磁阻效应于1988年被发现,2007年获得诺贝尔物理学奖。所谓巨磁阻效应,简单来说指的是电阻随磁场大幅度变化的现象,它出现于多层有结构的薄膜中。图三给出了巨磁阻现象的一个示意图,随着磁场出现,电阻值大幅度改变,这个现象可以用于硬盘的信息存储。磁阻现象150年前就被发现了,例如,铁的电阻在磁场下可以变化大约5%,而巨磁阻现象中的电阻变化可以高达100%,这个效应与电子自旋有关。巨磁阻现象于多层交替的铁和铬薄膜中被发现,铁起图三中铁磁性层的作用,铬起图三中非铁磁性层的作用,这个体系中磁场下的电阻变化可达50%。铬本身的磁性也很特殊,它是是室温下唯一的反铁磁元素。关于磁性的介绍,我们将在漫谈其他元素时涉及。

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图三:巨磁阻现象。左上,无磁场时,两个铁磁性薄膜磁化反向,记为R↑↓;右上,加磁场时,两个铁磁性薄膜磁化同向,记为R↑↑;下图,随着磁场增加,电阻值逐渐减少,由R↑↓变为R↑↑。GMR值就是电阻在磁场中变化的比例。

图片来源:

http://unlcms.unl.edu/cas/physics/tsymbal/reference/giant_magnetoresistance/index.shtml

 

铬,原子序数24,不为人熟知的常见元素,它的化学性质来自量子力学。

 

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