世界上最硬的金屬是什么_世界上最硬的金屬有多硬【世界科學(xué)之最】

世界上最硬的金屬是鉻。鉻(Chromium)，化學(xué)符號(hào)Cr，單質(zhì)為鋼灰色金屬。元素名來自于希臘文，原意為“顏色”，因?yàn)殂t的化合物都有顏色。1797年法國化學(xué)家沃克蘭在西伯利亞紅鉛礦（鉻鉛礦）中發(fā)現(xiàn)一種新礦物，次年用碳還原得到。在元素周期表中屬 ⅥB族， 鉻的原子序數(shù)24，原子量51.9961，體心立方晶體，常見化合價(jià)為 2、 3和 6。氧化數(shù)為6, 5, 4, 3, 2, 1, ?1, ?2, ?4，是硬度最大的金屬。

發(fā)現(xiàn)歷史

發(fā)現(xiàn)

鉻是1797年法國化學(xué)家沃克蘭從當(dāng)時(shí)稱為紅色西伯利亞礦石中發(fā)現(xiàn)的。早在1766年，在俄羅斯圣彼得堡任化學(xué)教授的德國的列曼曾經(jīng)分析了它，確定其中含有鉛。1798年沃克蘭給他找到的這種灰色針狀金屬命名為chrom，來自希臘文chroma（顏色）。由此得到鉻的拉丁名稱chromium和元素符號(hào)Cr。差不多在同一個(gè)時(shí)期里，克拉普羅特也從鉻鉛礦中獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了鉻。

秦陵寶劍發(fā)現(xiàn)鉻

我國考古人員在秦陵挖掘的寶劍，其劍鋒利無比，原因是劍鋒上面覆蓋了一層鉻，聽起來不算神奇，但是可以證明幾千年前我們就發(fā)現(xiàn)并使用鉻了。從秦兵馬俑二號(hào)坑出土的青銅劍，長86厘米劍身上有8個(gè)棱面，極為對(duì)稱均衡。它們歷經(jīng)2,000年，從地下出土，卻無蝕無銹，光潔如新。用現(xiàn)代科學(xué)方法檢測分析，這些青銅劍表面竟涂有一層厚約10微米的氧化膜，其中含鉻2%。

這一發(fā)現(xiàn)立即震動(dòng)了世界，因?yàn)檫@種鉻鹽氧化處理是近代才掌握的先進(jìn)工藝。據(jù)說德國在1937年，美國在1950年才先后發(fā)明并申請(qǐng)專利，而且只有在一套比較復(fù)雜的設(shè)備和工藝流程下才得以實(shí)現(xiàn)。秦人的鑄造水平之高，真是不可思議。

尤為值得稱道的是，這些青銅劍的韌性異常驚人。有一口劍，被一具150公斤重的陶俑壓彎了，彎曲度超過45度。當(dāng)陶俑被移開的一瞬間，奇跡發(fā)生了，青銅劍反彈平直，自然還原。這精湛的鑄劍技藝，令人膛目結(jié)舌，卻不知為何。

冶煉方法

鋼鐵工業(yè)中廣泛應(yīng)用的鉻鐵合金和硅鉻合金是用電爐冶煉的。金屬鉻生產(chǎn)則采用金屬熱還原（鋁熱）法及電解法。

鋁熱法生產(chǎn)包括從鉻礦制取氧化鉻和鋁還原氧化鉻制得金屬鉻兩道工序。

氧化鉻制取鉻鐵礦磨細(xì)至160～200目，配加純堿和白云石，于1050～1150℃下氧化焙燒，再用水逆流浸出（見浸?。┖瓦^濾，獲得含Na2CrO4大于 200克/升的溶液。加硫酸中和鉻酸鈉溶液，使其pH為7～8，濾出氫氧化鋁等雜質(zhì)后蒸發(fā)到含Na2CrO4大于 450克/升，濾出Na2SO4結(jié)晶。溶液用硫酸調(diào)整pH為4±0.2,再濾出Na2SO4結(jié)晶，獲得重鉻酸鈉(Na2Cr2O7)溶液。濃縮溶液到約含Na2Cr2O71100克/升時(shí)，冷卻濾出Na2SO4結(jié)晶，再將溶液濃縮到含Na2Cr2O71500～1550克/升，并于90～100℃保溫8小時(shí)，然后冷卻到35℃以下，結(jié)晶出重鉻酸鈉。鉻酸鈉轉(zhuǎn)化成重鉻酸鈉也可用碳酸法，即在15～16大氣壓下通入含50%CO2的氣體,析出的沉淀為碳酸氫鈉：2Na2CrO4 2CO2 H2O─→Na2Cr2O7 2NaHCO3碳酸氫鈉可以回收使用。此法可把在焙燒中配加的純堿重新回收一半，較硫酸法獲得硫酸鈉為有利，但鉻酸鈉不能完全轉(zhuǎn)化為重鉻酸鈉。

三氧化二鉻的制備可用：①氯化銨還原法。即在重鉻酸鈉晶體中配入一定量的氯化銨，混勻后在還原爐中于700～800℃還原，然后洗去NaCl，過濾獲得三氧化二鉻濾餅，經(jīng)過干燥、破碎，在回轉(zhuǎn)窯中于1150～1200℃煅燒。用此法獲得的三氧化二鉻呈墨綠色，顆粒較大,純度高，但生產(chǎn)工序多，并產(chǎn)生有害氣體 HCl。②煅燒鉻酸酐法。即把重鉻酸鈉加入反應(yīng)鍋中，注入濃硫酸，在200℃下重鉻酸鈉與硫酸反應(yīng)生成鉻酸酐：

Na2Cr2O7 2H2SO4─→2CrO3 2NaHSO4 H2O靜置后鉻酸酐和硫酸氫鈉沉積成兩層。將上部的硫酸氫鈉舀出，留在鍋中的鉻酸酐再加熱，用水洗去殘留的硫酸鈉，從底部放出鉻酸酐。鉻酸酐在800～950℃下煅燒分解，用水洗去未分解的鉻酸酐，過濾獲得三氧化二鉻。用此法工序少，但產(chǎn)品雜質(zhì)含量較高。③煅燒氫氧化鉻法。即將含Na2CrO4大于 200克/升的溶液加溫至95℃以上，加入純凈的硫化鈉溶液，攪拌后生成大顆粒氫氧化鉻Cr(OH)3沉淀。氫氧化鉻在回轉(zhuǎn)窯中于1300℃煅燒分解為三氧化二鉻Cr2O3。此法工序少，產(chǎn)品成本低，純度高，但顆粒細(xì)，易損失。

鋁熱還原要求原料含 Cr2O3大于99%，含硫低于0.02%,含鉛、砷、錫、銻各低于0.001%。鋁粒粒度應(yīng)小于0.5毫米，鋁量應(yīng)不大于理論量的98%。用硝石、鎂屑和鋁粒作引火劑。

反應(yīng)焓ΔH圏=-65.0千卡/摩爾(鋁)。為了保持自熱反應(yīng)過程并使金屬粒與渣順利分離，ΔH圏至少應(yīng)為-72千卡/摩爾（鋁），要添加硝酸鈉、氯酸鉀、鉻酸酐或堿金屬重鉻酸鹽等供氧劑補(bǔ)充熱量；也可將混合料預(yù)熱到350～400℃再行入爐。還原反應(yīng)在內(nèi)砌鎂磚的圓錐形爐筒內(nèi)進(jìn)行。先在爐內(nèi)加入部分混合爐料，在料面中心加引火劑，點(diǎn)燃后在爐料開始反應(yīng)時(shí)，用流槽連續(xù)送入其余爐料。反應(yīng)終止，冷卻至室溫，拆開爐筒取出金屬錠，噴砂清除表面夾渣和氧化膜。生產(chǎn)大金屬錠，能提高鉻的回收率，渣的流動(dòng)性也好。鋁熱法可獲得純度大于98.5%的金屬鉻,其中含鋁不大于0.5%。渣中含Al2O3高達(dá)90%，可作研磨材料。

電解法生產(chǎn)一般用碳素鉻鐵作原料，采用鉻銨礬法電解流程（圖2）。把碳素鉻鐵粉碎，溶于電解陽極返回液、結(jié)晶母液和硫酸的混合溶液中，過濾除去硅酸鹽等殘?jiān)?濾液用硫酸銨處理并除鐵。純鉻銨礬溶液經(jīng)陳化(保持30～35℃，放置15日)后,結(jié)晶出純鉻銨礬Cr2(SO4)3·(NH4)2SO4·24H2O。純鉻銨礬溶于熱水送入隔膜電解槽電解。用不銹鋼作陰極，鉛銀合金(1%Ag)作陽極，電流密度753安/米2，槽電壓 4.2伏，電解液溫度52～54℃。應(yīng)控制通過電解液進(jìn)入陽極室的流速，并準(zhǔn)確地控制溶液的pH為2.1～2.4。平均電流效率 45%，電耗約18.5千瓦·時(shí)/公斤。產(chǎn)品純度為99.2～99.4%的片狀金屬鉻，含氧0.3～0.5%,呈脆性。為了提高金屬鉻的純度，可通過真空處理或氫還原降低含氧量。用 6價(jià)鉻溶液電解（電流密度 9500安/米2，溫度84～87℃），可得高純度金屬鉻（含氧0.01～0.02%），但電流效率很低(6～7%)。

用途

鉻用于制不銹鋼，汽車零件，工具，磁帶和錄像帶等。 鉻鍍?cè)诮饘偕峡梢苑冷P，也叫可多米，堅(jiān)固美觀。

鉻可用于制不銹鋼。紅、綠寶石的色彩也來自于鉻。作為現(xiàn)代科技中最重要的金屬，以不同百分比熔合的鉻鎳鋼千變?nèi)f化，種類繁多，令人難以置信。

鉻的毒性與其存在的價(jià)態(tài)有關(guān)，六價(jià)鉻比三價(jià)鉻毒性高100倍,并易被人體吸收且在體內(nèi)蓄積，三價(jià)鉻和六價(jià)鉻可以相互轉(zhuǎn)化。天然水不含鉻;海水中鉻的平均濃度為0.05ug/l;飲用水中更低。鉻的污染源有含鉻礦石的加工、金屬表面處理、皮革鞣制、印染等排放的污水。

鉻是人體必需的微量元素。三價(jià)的鉻是對(duì)人體有益的元素，而六價(jià)鉻是有毒的。人體對(duì)無機(jī)鉻的吸收利用率極低，不到1%；人體對(duì)有機(jī)鉻的利用率可達(dá)10-25%。鉻在天然食品中的含量較低、均以三價(jià)的形式存在。

確切地說，鉻的生理功能是與其它控制代謝的物質(zhì)一起配合起作用，如激素、胰島素、各種酶類、細(xì)胞的基因物質(zhì)（DNA和RNA）等。

工業(yè)上使用的鉻礦石為鉻鐵礦，屬尖晶石(MgO·Al2O3)和磁鐵礦(FeO·Fe2O3)類，其通用化學(xué)式是(Fe，Mg)O·(Cr，F(xiàn)e，Al2O3)。由于二價(jià)元素(Mg2 、Fe2 、Zn2 )和三價(jià)元素(Al3 、Fe3 、Cr3 )相互置換，可以出現(xiàn)各種不同成分的礦石。除主成分FeO及Cr2O3外，一般含有不同成分的 MgO、Al2O3 及其他雜質(zhì)。礦石結(jié)構(gòu)組成對(duì)使用有明顯影響，如鉻尖晶石比鉻鐵礦(FeO·Cr2O3)難于還原；含蛇紋石的鉻礦石，若其中揮發(fā)物大于 2%，用它制造的鉻質(zhì)耐火磚在加熱到1000℃時(shí)，會(huì)因釋放結(jié)晶水而炸裂。

美國1978年耗用鉻鐵礦917000噸，其用途分配如下：冶金61%，化工21%，耐火材料18%。1981年倫敦市場鉻礦石價(jià)格：土耳其礦(48%Cr2O3,Cr/Fe=3)130～135美元/噸，南非（阿扎尼亞）鉻礦(44%Cr2O3)60～70美元/噸。

由于鉻合金性脆，作為金屬材料使用還在研究中,鉻主要以鐵合金（如鉻鐵）形式用于生產(chǎn)不銹鋼及各種合金鋼。金屬鉻用作鋁合金、鈷合金、鈦合金及高溫合金、電阻發(fā)熱合金等的添加劑。氧化鉻用作耐光、耐熱的涂料，也可用作磨料，玻璃、陶瓷的著色劑，化學(xué)合成的催化劑。堿式硫酸鉻（三價(jià)鉻鹽）用作皮革的鞣劑。鉻礬、重鉻酸鹽用作織物染色的媒染劑、浸漬劑及各種顏料。鍍鉻和滲鉻可使鋼鐵和銅、鋁等金屬形成抗腐蝕的表層，并且光亮美觀，大量用于家具、汽車、建筑等工業(yè)。此外，鉻礦石還大量用于制作耐火材料。

生理功能

鉻是人體內(nèi)必需的微量元素之一，它在維持人體健康方面起關(guān)鍵作用。鉻對(duì)人體十分有利的微量元素，不應(yīng)該被忽視，它是正常生長發(fā)育和調(diào)節(jié)血糖的重要元素。鉻在人體內(nèi)的含量約為7毫克，主要分布于骨骼、皮膚、腎上腺、大腦和肌肉之中。那么，鉻元素對(duì)人體到底有什么樣的作用呢？

隨著年齡的增長而逐漸減少，鉻的需要量很少，鉻作為一種必要的微量營養(yǎng)元素在所有胰島素調(diào)節(jié)活動(dòng)中起重要作用，它能幫助胰島素促進(jìn)葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的效率，是重要的血糖調(diào)節(jié)劑。在血糖調(diào)節(jié)方面，特別是對(duì)糖尿病患者而言有著重要的作用。它有助于生長發(fā)育，并對(duì)血液中的膽固醇濃度也有控制作用，缺乏時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致心臟疾病。

當(dāng)缺乏鉻時(shí)，就很容易表現(xiàn)出糖代謝失調(diào)，如不及時(shí)補(bǔ)充這種元素，就會(huì)患糖尿病，誘發(fā)冠狀動(dòng)脈硬化導(dǎo)致心血管病，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致白內(nèi)障、失明、尿毒癥等并發(fā)癥。

鉻還是葡萄糖耐量因子的組成成分，它可促進(jìn)胰島素在體內(nèi)充分地發(fā)揮作用。在生理上對(duì)機(jī)體的生長發(fā)育來說，胰島素和生長激素同等重要，缺一不可。胰島素在人體內(nèi)的作用非常大，既是體內(nèi)重要的合成激素可促進(jìn)葡萄糖的攝取、貯存和利用，又可促進(jìn)脂肪酸的合成，還能促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成和貯存。因此，青少年想健康、科學(xué)的成長發(fā)育，一定不能缺少鉻。

有一些人聽說自己缺鉻，就盲目補(bǔ)鉻。把高鉻食物當(dāng)做營養(yǎng)品來長期服用，使人體處在一個(gè)高鉻的狀態(tài)。其實(shí)盲目地補(bǔ)鉻是不可取的，如果攝取過量鉻的毒性與其存在的價(jià)態(tài)有極大的關(guān)系，六價(jià)鉻的毒性比三價(jià)鉻高約100倍，但不同化合物毒性不同。六價(jià)鉻化合物在高濃度時(shí)具有明顯的局部刺激作用和腐蝕作用，低濃度時(shí)為常見的致癌物質(zhì)。在食物中大多為三價(jià)鉻，其口服毒性很低，可能是由于其吸收非常少。

鉻雖然人體需要量很少，但作用很大。它是使胰島素起作用的一種重要元素。糖尿病人存在缺鉻和缺鋅的問題，并且有并發(fā)癥時(shí)患者的鉻、鋅含量均顯著低于無并發(fā)癥患者。三價(jià)鉻可以改善胰島素的敏感性。

含鉻量比較高的食物有主要是一些粗糧，如我們通常食用的小麥、花生、蘑菇等等，另外胡椒、以及動(dòng)物的肝臟、牛肉、雞蛋、紅糖、乳制品等都是含有鉻元素比較高的食品。多吃這些食品，就能保證人體的鉻元素的充足。當(dāng)然，前提是保證流失不會(huì)過多。

近視

提起近視，許多人常將其歸咎于不良用眼，如看書距離不當(dāng)，光太暗，持久用眼等。但飲食不當(dāng)也是誘發(fā)青少年近視的原因之一。

美國紐約大學(xué)研究員貝蘭博士對(duì)大量青少年近視病例進(jìn)行研究之后指出，體內(nèi)缺乏微量元素鉻與近視的形成有一定的關(guān)系。鉻元素在人體中與球蛋白結(jié)合，為球蛋白正常代謝必需。在糖與脂肪的代謝中，鉻協(xié)助胰島素發(fā)揮重要的生理作用。處于生長發(fā)育旺盛時(shí)期的青少年，鉻的需求比成人大。鉻主要存在于粗糧、紅糖、蔬菜及水果等食物中，有些家長不注意食物搭配，長期給孩子吃一些精細(xì)食物，從而造成缺鉻，眼睛晶體滲透壓的變化，使晶狀體變凸，屈光度增加，產(chǎn)生近視。

鉻的測定濕式消解法：準(zhǔn)確稱取1.0～2.0g樣品，置于消解瓶中，同時(shí)做試劑空白。如為干燥固體樣品，可酌加適量的水，使含水約75%以上，加硝酸10～15m1，混合放置，然后徐徐加熱。待激烈反應(yīng)停止并冷卻后，加硫酸5～7.5m1，再徐徐加熱。如消解過程中有大量氣泡可加辛醇2～3滴。溶液如變?yōu)榘瞪珪r(shí)，再加2～3ml硝酸繼續(xù)加熱，至產(chǎn)生三氧化硫白煙而溶液呈現(xiàn)淡黃色或無色時(shí)消解完成。若消解不完全可再加少量硝酸及高氯酸1m1，加熱以加速消解，消解液冷卻后加5ml水及5m1草酸銨溶液，加熱至生成三氧化硫白煙為止，冷后加水使成50ml作為待測溶液，同時(shí)做試劑空白。

吸取鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液（3.2）0，0.20，0.50，1.00，2.00，4.00，6.00，8.00ml，分別置于150ml三角瓶中，加純水至50ml。

向標(biāo)準(zhǔn)系列中加0.5ml 1 1硫酸,0.5ml 1 1磷酸及2～3滴6%高錳酸鉀溶液。如紫紅色消褪則應(yīng)再加高錳酸鉀溶液。各加幾粒玻璃珠，加熱煮沸，如紫紅色消退，需補(bǔ)加高錳酸鉀至煮沸后仍需保持紫紅色。

冷卻后向各瓶中加1ml 20%尿素溶液（1），然后滴加2%亞硝酸鈉溶液，每加1滴需充分振搖，直到紫紅色剛褪去為止。待瓶中不冒氣泡后再將溶液轉(zhuǎn)移到50ml比色管中，用純水稀釋至刻度。

向比色管各加入2.5ml 1 7硫酸，0.5ml 1%二苯碳酰二肼，立即搖勻放置10min(2)在波長540nm下用3cm比色皿以純水作參比測定吸光度值。繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

含鉻食物

鉻是維持人體生命活動(dòng)的必需元素，能幫助胰島素促進(jìn)葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的效率，是重要的血糖調(diào)節(jié)劑及促進(jìn)生長發(fā)育的功能。此外，鉻是糖尿病的“克星“，在日常生活中可以多攝取富含鉻的食物。而富含鉻的食物有哪些呢？

鉻是動(dòng)物和人體必不可少的微量營養(yǎng)素之一。其主要作用是幫助維持身體中所允許的正常葡萄糖含量。飲食中供鉻不足與葡萄糖和類脂同化作用的改變有關(guān)。腸胃中鉻的吸收與食品中元素的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)。研究表明，飲食中攝人的無機(jī)鉻只有1%被吸收，鉻一旦被吸收，便迅速離開血液分布于各個(gè)器官中，特別是肝臟，有3價(jià)鉻存在。在所有細(xì)胞組織中鉻的濃度都隨著年齡的增加而下降。吸收的鉻主要通過腎臟排泄。人體的頭發(fā)含鉻濃度最高，約為0．2～2．0毫克/千克。

鉻的最好來源是肉類，尤以肝臟和其他內(nèi)臟，是生物有效性高的鉻的來源。啤酒酵母、未加工的谷物、麩糠、硬果類、乳酪也提供較多的鉻；軟體動(dòng)物、海藻、紅糖、粗砂糖中的鉻的含量高于白糖。家禽、魚類和精制的谷類食物含有很少的鉻。長期食用精制食品和大量的精糖，可促進(jìn)體內(nèi)鉻的排泄增加，因此造成鉻的缺乏。

鉻的豐富來源有干酪、蛋白類和肝。

良好來源有蘋果皮、香蕉、牛肉、啤酒、面包、紅糖、黃油、雞、玉米粉、面粉、土豆、植物油和全麥。

一般來源有胡蘿卜、青豆、柑橘、菠菜和草莓。

微量來源有大部分的水果和蔬菜、牛奶及糖。

需要補(bǔ)充鉻的人群可以多吃點(diǎn)上面列舉的食物。

鉻有助于胰島素促進(jìn)葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的效率，是血糖調(diào)節(jié)劑，可以預(yù)防糖尿病。大家在日常飲食中注意通過這些食物補(bǔ)充鉻元素，特別是糖尿病患者，更加應(yīng)該增加鉻元素的攝入量。