元素漫谈（五）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。

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。

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。

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。