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铬,让宝石绚烂多彩

@ 宝石学院 2015.03.17

说起铬元素,大家并不会感到陌生,因为在我们日常使用的不锈钢菜刀、汽车零件等器具中都采用了这种物质,它号称是最硬的金属,它表面带有银色光泽,熔点高,质地坚硬、耐磨、耐高温、抗腐蚀,用它制作不锈钢,不仅强度大大提高,而且耐热性加大,还可以防止生锈,被广泛应于冶金工业和化学工业中。

铬的英文名称源自希腊语,原来的意思是“颜色”,因为许多铬的化合物都具有多种多样的颜色。比如:三氧化二铬(Cr2O3)为深绿色、铬酸酐(CrO3)为橙色、重铬酸钾(K2Cr2O7)为橙色、重铬酸铵((NH4)2Cr2O7)为橙红色、铬酸钠(Na2CrO4)黄色……几乎它的每种化合物都有自己特殊的颜色,所以,它就像“变色龙”一样,它的存在让化学物质的世界变得绚丽多彩。

那铬元素为什么会将无色的刚玉变成鲜艳的红色呢?

我们首先需要明白两个问题:第一,什么是宝石的颜色?所谓宝石的颜色,其实就是它对不同波长的可见光选择性吸收的结果,当不同波长的白色光照射到宝石上时, 它吸收了一部分光子,反射或透射另一部分光子,这种被我们眼睛观察到的颜色其实就是反射或透射出来的光子的颜色,那些被吸收掉的光子的颜色已经不见了。第二,矿物学领域有个术语叫“类质同象”,顾名思义就是指不同的物质可以表现出同样的外观,严谨的说就是指在矿物晶体结构中某种质点(原子、离子或分子)被其他一些类似的质点所代替,但是矿物的结构形式并不发生变化,能否发生这种现象不仅要取决于质点本身的性质,也取决于外部温度、压力等物理条件。

在刚玉这种矿物中,合适的外界环境条件下,外来的铬原子(Cr3+)就以类质同象的形式代替了部分铝原子(Al3+)。有学者对红宝石进行光谱分析的结果显示:它对可见光强度最大的吸收峰出现在420纳米处(对应于紫色光的波长)和550纳米、570纳米处(对应于绿色和黄绿色光的波长),虽然对其他波段颜色也有吸收,但强度都较小,因此红宝石呈现的颜色为紫、绿、黄色的补色的混和色, 即主要为红色。从理论上解释,铬原子有3个价电子,这3个价电子能够自由地改变能级,当受到可见光照射时,电子吸收光能量,吸收的能量足以保证电子从一个基态能级跃迁到另外两个能级,其中,跃迁到这两个不同能级所吸收的能量分别相当于紫光和黄绿光,此后,被吸收后的白光残余部分就形成了红色,故而成了红宝石。

可能那些喜欢研究宝石的读者会发现另一个奇怪的问题;宝石祖母绿具有鲜脆欲滴的绿色,它的成因也是因为含有铬元素,为什么铬的存在让一种宝石变成红色,另一种却变成了绿色呢?其实这是由于,在宝石祖母绿中,虽然也是铬原子(Cr3+)以类质同象的形式代替了部分铝原子(Al3+),但祖母绿中多了铍(Be2+)和硅(Si4+)两种离子,从而使得其周围配位电场强度减弱,相对于刚玉而言其能级降低了,也就是说,电子从一个基态能级跃迁到另外一个能级,只需要吸收相对较少的能量就可以保证激发,这个能量对应的恰恰是红色光波段,即红光被大量吸收,从而残余的混合色就成了祖母绿的绿色。

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本文铬,让宝石绚烂多彩编辑整理,是宝石学院中的原创作品,发表于2015-03-17。
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