К открытию молибдена причастны трое ученых: сначала швед Карл Шееле из молибденовой кислоты получил оксид MoO 3 (1778 г.), затем француз П. Гьельм восстановил его углем и получил металл с примесями (1782 г.), а после Й. Берцелиус добился получения чистого молибдена в результате соединения оксида и водорода.
Добывают молибден по всей планете, поскольку он относительно равномерно распределен как по земной коре, так и в водах океанов. Этот элемент находится и в угле, и в нефти, но наибольшее его количество – в полевых шпатах.
Молибден: физические свойства
Внешне молибден представляет собой металл традиционной светло-серой окраски. Он относится к категории тугоплавких, однако более чистый он становится более мягким. Главные характеристики молибдена:
- плотность (н. у.) – 10,22 г/см³
- температура плавления – 2620°C (2890 K)
- температура кипения – 4639°C (4885 K)
- теплопроводность при 300 K – 138 Вт/(м·К)
Молибден: химические свойства
Элемент Mo устойчив до уровня в 400°C, после которого он окисляется. На сегодня получены несколько оксидов молибдена, включая триоксид МоО 3 , оксид молибдена (IV) МоО 2 и др. Также существуют карбиды – Mo 2 C и MoC, представляющие собой кристаллические высокоплавкие вещества.
Молибден присутствует в более чем 20 видов минералов. Самыми распространенными можно считать:
- >молибденит - MoS 2
- молибдит - Fe(MoO 4) 3 ·nH 2 O
- вульфенит - PbMoO 4
- повеллит - СаМоО 4
Молибден: где применяется
Повсеместная добыча молибдена в мире обусловлена, прежде всего, нуждами мировой металлургии. Этот металл выступает в качестве легирующего компонента для большинства коррозионностойких и жаропрочных сталей. Кроме того, он незаменим для придания металлу повышенных прочностных характеристик и повышения вязкости. Не обходятся без молибдена и производители электрических лампочек и высокотемпературных печей. Химическая промышленность применяет Mo и его соединения в качестве катализаторов химических реакций, пигментов для красителей и пр.
Еще одной сферой применения молибдена является медицина: чистый Mo помогает врачам диагностировать онкологические заболевания. Этот же элемент можно обнаружить в составе материала для зеркал мощных газодинамических лазеров.
Биологическая роль
Молибден нельзя назвать распространенным элементом, однако он присутствует в каждом человеческом организме. Более того, нехватка Mo в теле человека способна нарушить важнейшие биологические процессы, вызвав тем самым серьезные заболевания. Известно, что наибольшая концентрация молибдена присутствует в следующих продуктах: в молоке, печени, злаковых, бобовых, листовых овощах.
Молибден имеет важное значение для происходящих в организме человека процессов: этот металл входит в состав многих ферментов, без которых невозможен нормальный обмен веществ. Давайте разберемся, на что же он влияет и почему это так важно для нашего здоровья.
Молибден является катализатором окислительных реакций. Чтобы было более понятно, что он делает, приведем простую аналогию. Представим, что наша клетка - это двигатель внутреннего сгорания, в нее поступают питательные вещества и кислород, что, в целом, аналогично бензину и атмосферному воздуху для двигателя внутреннего сгорания. Но вы все, наверное, знаете, что если просто распылить бензин в воздухе, ничего не случится: нужна искра из свечи зажигания, чтобы смесь детонировала и отдала свою энергию двигателю. Так и в клетках нашего организма: окислительные ферменты, такие как например сульфитоксидаза, выполняют роль, аналогичную зажиганию в автомобильном двигателе. Они запускают процесс перехода питательных веществ и кислорода в энергию, необходимую для поддержания работы наших клеток и тканей. Как вы понимаете, машина без зажигания в двигателе никуда не уедет, а человек с неработающими окислительными ферментами никак не будет здоров.
И хотя участие молибдена в окислительно-восстановительных реакциях очень важно для организма, это не единственная его роль, которую он выполняет в теле человека. Молибден необходим для нормальной работы ксантооксидазы – фермента, который обеспечивает переработку азотистых соединений в нашем организме. Наше тело регулярно обновляет клеточный состав, в результате этого остается много шлаков и токсинов, содержащих избыток азота, который выводится с помощью мочевины через почки. Именно фермент ксантооксидаза позволяет превратить весь этот органический мусор, скапливающийся в нашем теле, в удобную для выделения форму. Если провести аналогию, то работу этого фермента можно сравнить с уборкой мусора в мусорный пакет, что позволяет вам выбросить сразу все, а не выносить пустые банки и обертки в мусорный ящик по одной.
Молибден попадает в организм с пищей и достаточно легко всасывается, в зависимости от формы поступления всасывается от 25 до 80% поступающего с пищей вещества. Всасывание происходит преимущественно в желудке и в начальных отделах тонкого кишечника. На поступление молибдена из пищеварительного тракта также сильно влияет количество соединений серы, содержащихся в пище, их дефицит значительно затрудняет всасывание молибдена. При попадании в кровь молибден с помощью специальных транспортных белков перемешается в печень, где используется для синтеза ферментов. Выводится молибден преимущественно почками, как следствие, в человеческом организме концентрация молибдена максимально высока в печени, где он используется на нужды организма, и в почках, через которые выводится его избыток. В крови молибден равномерно распределен между клеточной и жидкой частью крови. Организм человека не накапливает избыток молибдена и выводит его через почки и с желчью.
Суточная потребность
Человеку в сутки требуются 75-250 мкг молибдена, в зависимости от физической нагрузки и массы тела.Для людей старше 70 лет потребность в молибдене снижается примерно на 25% и не превышает 200 мкг .
По данным некоторых специалистов потребность в молибдене может быть несколько выше и достигать 300-400 мкг .
При обычном пищевом рационе в наш организм попадает от 50 до 100 мкг молибдена, то есть обычный рацион питания обеспечивает минимально необходимое потребление данного микроэлемента.
Наибольшее количества молибдена содержится в молочных продуктах, высушенных бобах, капусте, шпинате, крыжовнике, черной смородине, печени, почках, выпечке. Относительно мало молибдена в моркови, фруктах, сахаре, маслах, жирах, рыбе.
Передозировка
Молибден относительно нетоксичен. Для проявления его негативных эффектов необходимо получить в сутки дозу равную 5000 мкг , смертельная доза составляет 50 000 мкг . Создать передозировку молибдена довольно трудно: если вдыхать чистый металл или есть порошок, то он практически не будет всасываться. В случае же передозировки биологических соединений, содержащих молибден, их всасывание также практически прекращается. Потребление молибдена хорошо контролируется нашим организмом, и чем больше его поступает, тем меньше всасывается. Чтобы набрать токсическую дозу, нужно съесть в сотни раз большее, чем опасная доза, количество молибдена. Острые отравления молибденом практически не встречаются, хроническая передозировка молибдена во многом напоминает состояния, возникающие при дефиците меди. У такого человека происходит замедление роста, развивается анемия , начинает накапливаться в крови азотистые шлаки, возможно развитие подагры.Дефицит
Дефицит молибдена - довольно редкое состояние, но он вполне возможен в некоторых случаях. Обычно такие состояния развиваются у людей, получающих внутривенное питание в течение длительного времени, например, у лиц, находящихся в реанимации, или у больных с нарушением работы желудочно-кишечного тракта.Другими причинами дефицита молибдена может стать жесткая вегетарианская диета, не сбалансированная по микроэлементам, и генетические дефекты, нарушающие нормальное всасывание из кишечника. При дефиците молибдена страдает обмен азотистых оснований и адекватное связывание и выведение неорганических сульфатных соединений.
При хроническом дефиците молибдена у детей развиваются тяжелые врожденные патологии. Нарушается нормальное развитие головного мозга, развивается умственная отсталость, страдает зрение. Также было доказано, что дефицит молибдена значимо повышает риск развития рака пищевода.
Подводя итоги
Можно сказать, что молибден являет значимым для нашего организма микроэлементом и его дефицит приводит к серьезным последствиям. Однако серьезно опасаться дефицита молибдена в обычных условиях не стоит. Наша пища содержит его в достаточном для обеспечения ежедневных потребностей количестве. Проблемы с его дефицитом могут возникнуть при относительно экзотических диетах и при тяжелых состояниях, при которых человек будет вынужден перейти на внутривенное питание.К дефициту молибдена может также привести отравление свинцом и ванадием.
Переизбытка молибдена опасаться не стоит: развивается он крайне редко, как правило, только у работников металлургических производств.
Включив в свой рацион молочные продукты, зерновые, выпечку, печень и почки крупного рогатого скота, вы без проблем обеспечите себя нужным уровнем молибдена для оптимальной работы вашего организма.
Этот достаточно распространенный микроэлемент не нуждается в специальном контроле уровня, и дополнительный прием препаратов, его содержащих, для относительно здорового человека, не имеющего отравления тяжелыми металлами, не нужен.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Молибден - сорок второй элемент Периодической таблицы. Обозначение - Mo от латинского «molybdaeum». Расположен в пятом периоде, VIB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 42.
Главным природным соединением молибдена является молибденит, или молибденовый блеск, MoS 2 - минерал, очень похожий по внешнему виду на графит. Общее содержание молибдена в земной коре 0,001% (масс.).
В виде простого вещества молибден представляет собой серебристо-белый металл (рис. 1) плотностью 10,2 г/см 3 , плавящийся при 2620 o С. При комнатной температуре он не изменяется на воздухе, но при накаливании окисляется в белый триоксид MoO 3 . Соляная и разбавленная серная кислота при комнатной температуре не действуют на молибден; он растворяется в азотной или горячей концентрированной серной кислоте.
Рис. 1. Молибден. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса молибдена
Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Поскольку в свободном состоянии молибден существует в виде одноатомных молекул Мо, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 95,96.
Изотопы молибдена
Известно, что в природе молибден может находиться в виде пяти шести стабильных изотопов 92 Мо, 94 Мо, 95 Мо, 96 Мо, 97 Мо и 98 Мо. Их массовые числа равны 92, 94, 95, 96, 97 и 98 соответственно. Ядро атома изотопа молибдена 92 Мо содержит сорок два протона и пятьдесят нейтронов, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.
Существуют искусственные нестабильные изотопы молибдена с массовыми числами от 83-х до 115-ти, а также восемь изомерных состояния ядер, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 93 Мо с периодом полураспада равным 4 тысячи лет.
Ионы молибдена
На внешнем энергетическом уровне атома молибдена имеется шесть электронов, которые являются валентными:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 4 5s 2 .
В результате химического взаимодействия молибден отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:
Мо o -2e → Мо 2+ ;
Мо o -3e → Мо 3+ ;
Мо o -4e → Мо 4+ ;
Мо o -5e → Мо 5+ ;
Мо o -6e → Мо 6+ .
Молекула и атом молибдена
В свободном состоянии молибден существует в виде одноатомных молекул Мо. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу молибдена:
Сплавы молибдена
Около 80% всего добываемого молибдена расходуется на производство специальных сортов стали. Он входит в состав многих нержавеющих сталей; кроме того, его введение способствует увеличению их жаропрочности.
Из сплава молибдена с танталом изготавливают лабораторную посуду, применяемую в химических лабораториях вместо платиновой.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Рассчитайте массовые доли элементов, входящих в состав оксида молибдена, если его молекулярная формула имеет вид Мо 2 O 3 . |
| Решение | Массовая доля элемента в составе какой-либо молекулы определяется по формуле:
ω (Х) = n × Ar (X) / Mr (HX) × 100%. |
Молибден (лат. Molybdaenum), Mo, химический элемент VI группы периодической системы Менделеева; атомный номер 42, атомная масса 95,94; светло-серый тугоплавкий металл. В природе элемент представлен семью стабильными изотопами с массовыми числами 92, 94-98 и 100, из которых наиболее распространен 98 Мо (23,75%). Вплоть до 18 века основной минерал Молибден молибденовый блеск (молибденит) не отличали от графита и свинцового блеска, так как они очень схожи по внешнему виду. Эти минералы носили общее название "молибден" (от греч. molybdos - свинец).
Элемент Молибден открыл в 1778 году шведский химик К. Шееле, выделивший при обработке молибденита азотной кислотой молибденовую кислоту. Шведский химик П. Гьельм в 1782 году впервые получил металлический Молибден восстановлением МоО 3 углеродом.
Распространение Молибдена в природе. Молибден - типичный редкий элемент, его содержание в земной коре 1,1·10 -4 % (по массе). Общее число минералов Молибден 15, большая часть их (различные молибдаты) образуется в биосфере. В магматических процессах Молибден связан преимущественно с кислой магмой, с гранитоидами. В мантии Молибдена мало, в ультраосновных породах лишь 2·10 -5 % . Накопление Молибдена связано с глубинными горячими водами, из которых он осаждается в форме молибденита MoS 2 (главный промышленный минерал Молибдена), образуя гидротермальные месторождения. Важнейшим осадителем Молибдена из вод служит H 2 S.
Геохимия Молибдена в биосфере тесно связана с живым веществом и продуктами его распада; среднее содержание Молибдена в организмах 1·10 -5 %. На земной поверхности, особенно в щелочных условиях, Mo (IV) легко окисляется до молибдатов, многие из которых сравнительно растворимы. В ландшафтах сухого климата Молибден легко мигрирует, накапливаясь при испарении в соляных озерах (до 1-10 -3 %) и солончаках. Во влажном климате, в кислых почвах Молибден часто малоподвижен; здесь требуются удобрения, содержащие Молибден (например, для бобовых).
В речных водах Молибдена мало (10 -7 - 10 -8 %). Поступая со стоком в океан, Молибден частично накапливается в морской воде (в результате ее испарения Молибдена здесь 1·10 -6 %), частично осаждается, концентрируясь в глинистых илах, богатых органическим веществом и H 2 S.
Помимо молибденовых руд, источником Молибден служат также некоторые молибденосодержащие медные и медно-свинцово-цинковые руды.
Физические свойства Молибдена. Молибден кристаллизуется в кубической объемноцентрированной решетке с периодом а = 3,14Å. Атомный радиус 1,4А, ионные радиусы Мо 4+ 0,68А, Мо 6 + 0,62А. Плотность 10,2 г/см 3 (20 °С); t пл 2620 °С; t кип около 4800 °С. Удельная теплоемкость при 20-100°С 0,272 кдж/(кг·К), то есть 0,065 кал/(г·град). Теплопроводность при 20°С 146,65 вт/(м·К), то есть 0,35 кал/(см·сек·град). Термический коэффициент линейного расширения (5,8-6,2)·10 -6 при 25-700 °С. Удельное электрическое сопротивление 5,2·10 -8 ом·м, то есть 5,2·10 -6 ом·см; работа выхода электронов 4,37 эв. Молибден парамагнитен; атомная магнитная восприимчивость -90·10 -6 (20 °С).
Механические свойства Молибдена зависят от чистоты металла и предшествующей механической и термической его обработки. Так, твердость по Бринеллю 1500-1600 Мн/м 2 , то есть 150-160 кгс/мм 2 (для спеченного штабика), 2000-2300 Мн/м 2 (для кованого прутка) и 1400-1850 Мн/м 2 (для отожженной проволоки); предел прочности для отожженной проволоки при растяжении 800-1200 Мн/м 2 . Модуль упругости Молибден 285-300 Гн/м 2 . Мо более пластичен, чем W. Рекристаллизующий отжиг не приводит к хрупкости металла.
Химические свойства Молибдена. На воздухе при обычной температуре Молибден устойчив. Начало окисления (цвета побежалости) наблюдается при 400 °С. Начиная с 600 °С металл быстро окисляется с образованием МоО 3 . Пары воды при температурах выше 700 °С интенсивно окисляют Молибден до МоО 2 . С водородом Молибден химически не реагирует вплоть до плавления. Фтор действует на Молибден при обычной температуре, хлор при 250 °С, образуя MoF 6 и МоСl 6 . При действии паров серы и сероводорода соответственно выше 440 и 800 °С образуется дисульфид MoS 2 . С азотом Молибден выше 1500 °С образует нитрид (вероятно, Mo 2 N). Твердый углерод и углеводороды, а также оксид углерода (II) при 1100-1200 °С взаимодействуют с металлом с образованием карбида Мо 2 С (плавится с разложением при 2400 °С). Выше 1200 °С Молибден реагирует с кремнием, образуя силицид MoSi 2 , обладающий высокой устойчивостью на воздухе вплоть до 1500-1600 °С (его микротвердость 14 100 Мн/м 2).
В соляной и серной кислотах Молибден несколько растворим лишь при 80-100 °С. Азотная кислота, царская водка и пероксид водорода медленно растворяют металл на холоду, быстро - при нагревании. Хорошим растворителем Молибдена служит смесь азотной и серной кислот. Вольфрам в смеси этих кислот не растворяется. В холодных растворах щелочей Молибден устойчив, но несколько корродирует при нагревании. Конфигурация внешних электронов атома Mo 4d 5 5s 1 , наиболее характерная валентность 6. Известны также соединения 5-, 4-, 3- и 2-валентного Молибдена.
Молибден образует два устойчивых оксида - МоО 3 (белые кристаллы с зеленоватым оттенком, t пл 795 °С, t кип 1155 °С) и МоО 2 (темно-коричневого цвета). Кроме того, известны промежуточные оксиды, соответствующие по составу гомологическому ряду Мо n O 3n-1 (Мо 9 О 26 , Мо 8 О 23 , Мо 4 О 11); все они термически неустойчивы и выше 700 °С разлагаются с образованием МоО 3 и МоО 2 . Оксид МоО 3 образует простые (или нормальные) кислоты Молибдена - моногидрат Н 2 МоО 4 , дигидрат Н 2 МоО 4 ·Н 2 О и изополикислоты - H 6 Mo 7 O 24 , HМo 6 O 24 , H 4 Мo 8 O 26 и другие. Соли нормальной кислоты называется нормальными молибдатами, а поликислот - полимолибдатами. Кроме названных выше, известно несколько надкислот Молибдена - Н 2 МоО Х (х - от 5 до 8) и комплексных гетерополисоединений с фосфорной, мышьяковой и борной кислотами. Одна из распространенных солей гетерополикислот - фосфоромолибдат аммония (NH 4) 3 [Р(Мо 3 О 10) 4 ]·6Н 2 О. Из галогенидов и оксигалогенидов Молибдена наибольшее значение имеют фторид MoF 6 (t пл 17,5 °С, t кип 35 °С) и хлорид МоCl 5 (t пл 194 °С, t кип 268 °С). Они могут быть легко очищены перегонкой и используются для получения Молибдена высокой чистоты.
Достоверно установлено существование трех сульфидов Молибдена - МоS 3 , MoS 2 и Mo 2 S 3 . Практическое значение имеют первые два. Дисульфид MoS 2 встречается в природе в виде минерала молибденита; может быть получен действием серы на Молибден или при сплавлении МоО 3 с содой и серой. Дисульфид практически нерастворим в воде, НCl, разбавленной H 2 SO 4 . Распадается выше 1200 °С с образованием Mo 2 S 3 .
При пропускании сероводорода в нагретые подкисленные растворы молибдатов осаждается MoS 3 .
Получение Молибдена. Основным сырьем для производства Молибдена, его сплавов и соединений служат стандартные молибденитовые концентраты, содержащие 47-50% Мо, 28-32% S, 1-9% SiO 2 и примеси других элементов. Концентрат подвергают окислительному обжигу при 570-600 °С в многоподовых печах или печах кипящего слоя. Продукт обжига - огарок содержит МоО 3 , загрязненную примесями. Чистую МоО 3 , необходимую для производства металлического Молибдена, получают из огарка двумя путями: 1) возгонкой npи 950-1100 °С; 2) химическим методом, который состоит в следующем: огарок выщелачивают аммиачной водой, переводя Молибден в раствор; из раствора молибдата аммония (после очистки его от примесей Cu, Fe) выделяют полимолибдаты аммония (главным образом парамолибдат 3(NH 4) 2 O·7МоО 3 ·nН 2 О) методом нейтрализации или выпарки с последующей кристаллизацией; прокаливанием парамолибдата при 450-500 °С получают чистую МоО 3 , содержащую не более 0,05% примесей.
Металлический Молибден получают (сначала в виде порошка) восстановлением МоО 3 в токе сухого водорода. Процесс ведут в трубчатых печах в две стадии: первая - при 550-700 °С, вторая - при 900-1000 °С. Молибденовый порошок превращают в компактный металл методом порошковой металлургии или методом плавки. В первом случае получают сравнительно небольшие заготовки (сечением 2-9 см 2 при длине 450-600 мм). Порошок Молибдена прессуют в стальных пресс-формах под давлением 200-300 Мн/м 2 (2000-3000 кгс/см 2). После предварительного спекания (при 1000-1200 °С) в атмосфере водорода заготовки (штабики) подвергают высокотемпературному спеканию при 2200-2400 °С. Спеченный штабик обрабатывают давлением (ковка, протяжка, прокатка). Более крупные спеченные заготовки (100-200 кг) получают при гидростатическом прессовании в эластичных оболочках. Заготовки в 500-2000 кг производят дуговой плавкой в печах с охлаждаемым медным тиглем и расходуемым электродом, которым служит пакет спеченных штабиков. Кроме того, используют электроннолучевую плавку Молибдена. Для производства ферромолибдена (сплав; 55-70% Мо, остальное Fe), служащего для введения присадок Молибдена в сталь, применяют восстановление обожженного молибденитового концентрата (огарка) ферросилицием в присутствии железной руды и стальной стружки.
Применение Молибдена. 70-80% добываемого Молибдена идет на производство легированных сталей. Остальное количество применяется в форме чистого металла и сплавов на его основе, сплавов с цветными и редкими металлами, а также в виде химические соединений. Металлический Молибден - важнейший конструкционный материал в производстве электроосветительных ламп и электровакуумных приборов (радиолампы, генераторные лампы, рентгеновские трубки и других); из Молибдена изготовляют аноды, сетки, катоды, держатели нити накала в электролампах. Молибденовые проволока и лента широко используются в качестве нагревателей для высокотемпературных печей.
После освоения производства крупных заготовок Молибден стали применять (в чистом виде или с легирующими добавками других металлов) в тех случаях, когда необходимо сохранение прочности при высоких температурах, например, для изготовления деталей ракет и других летательных аппаратов. Для предохранения Молибдена от окисления при высоких температурах используют покрытия деталей силицидом Молибдена, жаростойкими эмалями и другие способы защиты. Молибден применяют как конструкционный материал в энергетических ядерных реакторах, так как он имеет сравнительно малое сечение захвата тепловых нейтронов (2,6 барн). Важную роль Молибден играет в составе жаропрочных и кислотоустойчивых сплавов, где он сочетается главным образом с Ni, Co и Cr.
В технике используются некоторые соединения Молибдена. Так, MoS 2 - смазочный материал для трущихся частей механизмов; дисилицид Молибдена применяют при изготовлении нагревателей для высокотемпературных печей; Na 2 MoO 4 - в производстве красок и лаков; оксиды Молибдена - катализаторы в химической и нефтяной промышленности.
Молибден в организме растений, животных и человека постоянно присутствует как микроэлемент, участвующий преимущественно в азотном обмене. Молибден необходим для активности ряда окислительно-восстановительных ферментов (флавопротеидов), катализирующих восстановление нитратов и азотфиксацию у растений (много Молибдена в клубеньках бобовых), а также реакции пуринового обмена у животных. В растениях Молибден стимулирует биосинтез нуклеиновых кислот и белков, повышает содержание хлорофилла и витаминов. При недостатке Молибдена бобовые, овес, томаты, салат и другие растения заболевают особым видом пятнистости, не плодоносят и погибают. Поэтому растворимые молибдаты в небольших дозах вводят в состав микроудобрений. Животные обычно не испытывают недостатка в Молибдене. Избыток же Молибдена в корме жвачных животных (биогеохимические провинции с высоким содержанием Молибдена известны в Кулундинской степи, на Алтае, Кавказе) приводит к хроническим молибденовым токсикозам, сопровождающимся поносом, истощением, нарушением обмена меди и фосфора. Токсическое действие Молибдена снимается введением соединений меди. Избыток Молибден в организме человека может вызвать нарушение обмена веществ, задержку роста костей, подагру и т. п.
Молибден (латинское Molybdenum, обозначается символом Mo) - элемент с атомным номером 42 и атомным весом 95,94. Является элементом побочной подгруппы шестой группы, пятого периода периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. Вместе с хромом и вольфрамом молибден образует подгруппу хрома. Элементы данной подгруппы отличаются тем, что у них наружный электронный слой атомов содержит один или два электрона, это обусловливает металлический характер данных элементов и их отличие от элементов главной подгруппы. Молибден при нормальных условиях переходный тугоплавкий (температура плавления 2620 °C) металл светло-серого цвета плотностью 10,2 г/см3. Во многом механические свойства молибдена зависят от чистоты металла и предшествующей механической и термической его обработки.
Известен 31 изотоп молибдена с 83Мо по 113Мо. Стабильными являются: 92Мо, 94Мо – 98Мо. В природе сорок второй элемент представлен семью изотопами: 92Mo (15,86 %), 94Mo (9,12 %), 95Mo (15,70 %), 96Mo (16,50 %), 97Mo (9,45 %), 98Mo (23,75 %) и 100Mo (9,62 %) с периодом полураспада = 1,00 1019 лет. Самые нестабильные изотопы элемента № 42 имеют периоды полураспада менее 150 нс. Радиоактивные изотопы 93Мо (период полураспада 6,95 ч) и 99Мо (период полураспада 66 ч) - изотопные индикаторы.
Молибден в виде минерала молибденита (дисульфид молибдена - MoS2) был известен древним грекам и римлянам очень давно. На протяжении многих веков молибденит или как еще его называют - молибденовый блеск, не отличали от галенита (свинцовый блеск PbS) и графита. Дело в том, что все эти минералы весьма схожи по внешнему виду, кроме того, все они способны оставлять след на бумаге. Поэтому вплоть до XVIII века эти минералы именовались одинаково: «Molybdaena», что по-гречески означает «свинец».
Первым, кто предположил, что все эти три минерала - самостоятельные вещества был шведский химик Ф. Кронштедт. Спустя 20 лет исследованием молибденита занялся другой шведский химик К. Шееле. Растворив минерал в концентрированной азотной кислоте, он получил белый осадок, который назвал молибденовой кислотой. Предположив, что металл можно получить прокалкой этого белого осадка с чистым углем, но, не обладая нужным оборудованием (печью), Шееле предложил провести опыт другому химику, Гьельма, у которого такая печь была. Итогом проведенного опыта было получение карбида молибдена, который оба ученых приняли за металл, который назвали молибденом. Получить относительно чистый металл, установить его атомный вес и описать часть свойств суждено было Й. Я. Берцелиусу в 1817 году.
Большая часть добываемого молибдена (80-85 %) расходуется в качестве легирующего элемента, при получении специальных сортов стали. Молибден входит в состав многих нержавеющих сталей, кроме того, добавка этого элемента способствует увеличению жаропрочности этих сталей. Сплавы, легированные сорок вторым элементом используются в авиации, ракетной и атомной технике, химическом машиностроении. В чистом виде металл используется при изготовлении деталей электронных ламп и ламп накаливания (аноды, сетки, катоды, держатели нитей накаливания и пр.), молибденовую проволоку и ленту используют в качестве нагревателей для высокотемпературных печей. Широкое применение нашли и некоторые соединения сорок второго элемента. Так молибденовый ангидрид широко применяется в качестве положительного электрода в литиевых источниках тока, MoS2 - смазочный материал для трущихся частей механизмов, некоторые оксиды молибдена - катализаторы в химической и нефтяной промышленности.
Учеными было установлено, что молибден в организме растений, животных и человека постоянно присутствует как микроэлемент, участвующий преимущественно в азотном обмене. Сорок второй элемент необходим для активности ряда окислительно-восстановительных ферментов, необходимых для обменных процессов у растений и животных.
Биологические свойства
Сорок второй элемент - один из важнейших микроэлементов в питании человека, животных и растений, он необходим для нормального развития и роста организмов, влияет на размножение у растений. Содержание молибдена в зеленой массе растений около 1 мг на килограмм сухого вещества. Этот элемент необходим для активности ряда окислительно-восстановительных ферментов (флавопротеидов), катализирующих восстановление нитратов и азотфиксацию у растений (много молибдена в клубеньках бобовых, распространен у бактерий и архей). Кроме того, в растениях сорок второй элемент стимулирует биосинтез нуклеиновых кислот и белков, повышает содержание хлорофилла и витаминов.
При недостатке молибдена томаты, бобовые, овес, салат и другие растения заболевают особым видом пятнистости, не плодоносят и погибают. По этой причине необходимо в небольших количествах вводить растворимые молибдаты в состав микроудобрений. Так, в одном из опытных хозяйств Новой Зеландии установили, что при введении в почву малых доз молибденовых солей увеличивает урожайность клевера и люцерны примерно на треть. Дальнейшие сельскохозяйственные исследования показали, что микроколичества молибдена усиливают активность клубеньковых бактерий, вследствие чего, растения лучше усваивают азот. Также было установлено, что лучше всего молибден усваивается на кислых почвах, а на красноземах и буроземах богатых железом, эффективность молибдена минимальна.
Физиологическое влияние молибдена на организмы животных и человека было впервые установлено в 1953 году, с открытием воздействия этого элемента на активность фермента ксантиноксидазы. Молибден делает более эффективной работу антиокислителей, в том числе витамина C, а также он является важным компонентом системы тканевого дыхания, усиливает синтез аминокислот, улучшает накопление азота. Сорок второй элемент является составной частью ряда ферментов (ксантиноксидаза, альдегидоксидаза, сульфитоксидаза и др.), выполняющих важные физиологические функции, в частности, регуляцию обмена мочевой кислоты. Недостаток молибдена в организме сопровождается уменьшением содержания в тканях ксантиноксидазы, от чего «страдают» анаболические процессы, наблюдается ослабление иммунной системы.
Абсолютно точно не установлено, но предполагается, что молибден играет важную роль в процессе включения фтора в зубную эмаль, а также в стимуляции гемопоэза. При недостатке в организме животных молибдена нарушается способность окисления ксантина до мочевой кислоты, уменьшается экскреция мочевой кислоты и неорганических сульфатов, снижается скорость роста. У животных образуются ксантиновые камни в почках. Дефицит молибдена может привести к снижению расщепления целлюлозы и избыточному накоплению меди в организме, вплоть до медной интоксикации. Все эти явления могут быть устранены при добавлении в рацион молибдена. У людей дефицит молибдена проявляется в виде гипоурикемии, гиперметионинемии, гипероксипуринемии, гипоурикозурии и гипосульфатурии, прогрессирующих умственных расстройств (вплоть до комы).
Установлено, что соединения сорок второго элемента попадают в организм с пищей. За сутки в организм взрослого человека поступает вместе с пищей 75-250 мкг молибдена, что является необходимой дневной нормой потребления этого микроэлемента. Поступивший с пищей молибден в виде растворимых комплексов легко абсорбируется - в ЖКТ человека всасывается 25-80 % поступающего с пищей элемента. Далее, примерно 80 % поступившего в кровь молибдена, связывается с белками (в первую очередь, с альбуминами) и транспортируется по всему организму. Концентраторами сорок второго элемента являются печень и почки. Выводится молибден в основном с мочой и желчью. Накопления молибдена в организме млекопитающих не происходит. Основные поставщики молибдена в организм - высушенные бобы, молоко и молочные продукты, мясные субпродукты, крестоцветные, крыжовник, черная смородина, хлебные злаки и выпечка. Несмотря на то, что молибден является малораспространенным элементом, случаи его дефицита в организме человека редки.
Избыток молибдена в организме приводит к нарушению обмена веществ, задержки роста костей. Ксантиноксидаза ускоряет азотистый обмен в организме, в частности пуриновый обмен. В результате распада пуринов образуется мочевая кислота. Если этой кислоты слишком много, то почки не успевают выводить ее из организма, в суставах и мышечных сухожилиях скапливаются растворенные в этой кислоте соли. Суставы начинают болеть, развивается подагра. Избыток же молибдена в корме жвачных животных приводит к хроническим молибденовым токсикозам, сопровождающимся поносом, истощением, нарушением обмена меди и фосфора. Для снижения токсического действия молибдена на организм необходимо снизить поступление богатых молибденом продуктов, проводить симптоматическое лечение, использовать те препараты и БАДы к пище, которые содержат медь, а также серу (метионин, унитиол, тиосульфат натрия и др.).
Оказывается, что молибден способен влиять на организм не только напрямую - как важный микроэлемент, но и косвенно - в качестве компонента почвы. Так, на севере Китая есть местечко Лин Ксиан (Lin Xian), расположено оно в провинции Хонан (Honan). Известно это место как область с наиболее высоким процентом заболеваемости раком пищевода среди местного населения. Какова же причина такой аномалии? Ответ дали тщательные исследования почвы. Оказалось, что земли Лин Ксиан бедны сорок вторым элементом, наличие которого необходимо для нормального функционирования азотфиксирующих бактерий. Дело в том, что восстановление вносимых в почву нитратов осуществляется ими с помощью молибден-зависимого фермента нитратредуктазы. Недостаток молибдена снижает активность фермента, которой хватает лишь на то, чтобы восстановить нитрат не до аммиака, а до нитрозаминов, которые обладают, как известно, высокой канцерогенной активностью. Внесение в почву молибденовых удобрений значительно уменьшило процент заболеваемости населения. Подобные эндемические заболевания зафиксированы и в ЮАР.
Интересно, что молибденовый рудник, разрабатывавшийся в 30х годах XX века и расположенный на одном из отрогов хребта Тахтарвумчорр (Кольский полуостров) в наше время является часто посещаемым туристическим маршрутом. В руднике всего один горизонт, имеющий три входа на высоте 600 метров над уровнем моря. Немного ниже входа в штольню стоит паровая машина, которая некогда по трубам подводила пар к отбойным молоткам шахтеров. Кстати, и паровая машина, и подводящие трубы - всё сохранилось. Маршрут небольшой, примерно три километра штреков, причем часть рудника затоплена.
Загадочные спирали из вольфрама, молибдена и меди - спорный и окончательно не объяснённый современной наукой феномен в виде мелких (от 3 мкм до 3 мм) объектов, обнаруженных на Приполярном Урале. Впервые такие находки появились в 1991 году, во время геологоразведки, которая проводилась в районе реки Народа в образцах песка, исследовавшихся на наличие золота. Позже схожие находки неоднократно находили на Приполярном Урале в районе рек Народа, Кожим и Балбанъю, а также в Таджикистане и на Чукотке. Необычность находок - их возраст. Датировка объектов сильно затруднена из-за того, что большинство из них были обнаружены в аллювиальных отложениях.
Исключение - две находки сделанные в 1995 году в стенке карьера в районе нижнего течения реки Балбанъю. Экспертизы пород, в которых были найдены молибденовые пружинки, дали расплывчатый результат - от 20 000 до 318 000 лет! Выдвинуто немало гипотез по поводу данных находок: спирали имеют инопланетное происхождение и могут быть продуктом внеземной нанотехнологии, завезенной на Землю несколько тысяч лет назад; загадочные пружинки - искусственные объекты, но не древние, а современные, попавшие в породы с поверхности земли. Общепринятая теория - мнение доктора геолого-минералогических наук, заслуженного геолога России Николая Румянцева о естественном происхождение «пружинок» - формы самородного вольфрама.
Молибден не является монетным металлом, однако, подобие «монет» (на них отсутствует номинал) или медальонов продает фирма «Metallium», существуют и другие медали-жетоны, продаваемые компаниями-производителями (они же и добывают металл) молибдена.
Еще одна фантастическая гипотеза, косвенно связанная с молибденом - версия внеземного происхождения жизни на Земле. Один из доводов данной теории: «присутствие крайне редких элементов в земных организмах означает, что они имеют внеземное происхождение». Молибден содержится в земной коре в незначительном количестве, а его роль в обмене веществ (метаболизме) земных организмов значительна. Одновременно отмечается, что известны так называемые «молибденовые звезды» с высоким содержанием молибдена, которые и являются исходными «плантациями» микроорганизмов, занесенных на Землю!
Однако такое явление объясняется с позиции эволюционной биохимии, так, например, в земной коре содержится очень мало фосфора, а фосфор - обязательная составная часть нуклеиновых кислот, которые наряду с белками имеют важнейшее значение для жизни; кроме того, высшая нервная деятельность также очень тесно связана с фосфором. Кроме того, японский ученый Егани определил, что суммарное содержание молибдена на Земле действительно низкое, однако его процентное содержание в морской воде вдвое выше, чем хрома. По этому поводу Егани пишет: «Относительное обилие этого элемента в морской воде подтверждает широко принятую точку зрения о происхождении жизни на Земле в первичном океане».
История
Еще древние греки заметили, что некоторые минералы способны оставлять на бумаге серый след. Исходя из данного факта, они объединили ряд совершенно несхожих по свойствам веществ под одним названием - «Molybdaena», что в переводе с греческого языка означает - свинец, который и сам вполне способен писать по бумаге. Виновато в этой путанице и сходство свинцово-серого молибденита с галенитом и графитом. Мягкость этих минералов позволяла использовать их в качестве грифелей для карандашей, хотя если присмотреться, то молибденовый блеск оставляет на бумаге зеленовато-серый цвет в отличие от серого цвета графита или свинцового блеска. Данные факторы, плюс сходство греческих названий свинца «ó» и галенита «o», стали причиной того, что заблуждение о схожести трех минералов (PbS – галенита, MoS2 - молибденита и графита) из древних времен плавно перекочевало в средние века. Такая ситуация сохранялась вплоть до XVIII века.
Первым, кто захотел разорвать «порочный круг» был известнейший шведский химик и минералог Аксель Фредерик Кронштедт (Axel Fredrik Cronstedt 1722-1765). В 1758 году он высказал предположение о том, что на самом деле графит, молибденит (MoS2 - молибденовый блеск) и галенит (PbS - свинцовый блеск) - три совершенно самостоятельных вещества. Однако на этом предположении продвижение к истине было закончено.
Лишь только двадцать лет спустя - в 1778 году - химическим составом молибденита вновь заинтересовались. И вновь это был шведский химик - Карл Вильгельм Шееле. Первое, что сделал Шееле, это кипячение молибденового блеска в концентрированной азотной кислоте, в результате которого химик получил белый осадок «особой белой земли» (Wasserbleyerde). Эту землю он назвал молибденовой кислотой (Acidum Molybdaenae). Во времена Карла Вильгельма «землями» называли ангидриды, то есть соединение элемента с кислородом, проще говоря - «кислота минус вода». Отсутствие данного знания не помешало ученому предположить, что металл из «земли» можно будет получить путем прокаливания последней с чистым углем. Однако, не имея необходимого оборудования (у Шееле не было подходящей печи) самостоятельно провести опыт ученый не смог.
Преданный лишь науке, Шееле без какого-либо чувства зависти в 1782 году отправляет образец молибденовой кислоты другому шведскому химику Петеру Якобу Гьельму (Peter Jacob Hjelm). В свою очередь тому наконец-таки удаётся восстановить ее углем и получить королек металла (выплавленный металл, полученный в результате сплавления минерала или руды с содой или другими флюсами). Однако это был всего лишь сильно загрязненный карбид молибдена. Дело в том, что при прокаливании с углем трехокиси молибдена МоО3 невозможно получить чистый молибден, потому что он реагирует с углем, образуя карбид. Тем не менее, ученые ликовали. Шееле поздравлял коллегу: «Радуюсь, что мы теперь обладаем металлом - молибденом». Таким образом, в 1790 году новый металл получил чужое имя, потому что латинское molibdaena происходит от древнегреческого названия свинца - μολνβδος. В этом заключается известный парадокс - ведь трудно найти металлы, более несхожие, чем молибден и свинец.
Относительно чистый металл удалось получить лишь в 1817 году - после смерти обоих первооткрывателей. Честь такого открытия принадлежит еще одному известному шведскому химику Йенсу Якобу Берцелиусу. Он восстановил молибденовый ангидрид не углем, а водородом и получил действительно чистый молибден, установил его атомный вес и подробно исследовал его свойства.
Молибден промышленной чистоты был получен лишь в начале XX века.
Нахождение в природе
По разным данным содержание молибдена в земной коре составляет от 1,1∙10-4 % до 3∙10-4 % по массе. В свободном виде молибден не встречается, вообще сорок второй элемент слабо распространен в природе. По классификации советского геохимика В. В. Щербины, редкими считаются элементы, которых в земной коре меньше 0,001 %, следовательно, молибден - типичный редкий элемент. Однако распространен сорок второй элемент относительно равномерно. В природе известно около двадцати минералов молибдена, большая часть их (различные молибдаты) образуется в биосфере. Меньше всего содержат молибдена ультраосновные и карбонатные породы (0,4 - 0,5 г/т).
Отмечено, что концентрация молибдена в породах повышается по мере увеличения SiO2, ведь в магматических процессах молибден связан преимущественно с кислой магмой и с гранитоидами. Накопление молибдена связано с глубинными горячими водами, из которых он осаждается в форме молибденита MoS2, образуя гидротермальные месторождения. Важнейшим осадителем сорок второго элемента из вод служит H2S. Молибден обнаружен в морской и речной воде, в золе растений, углях и нефти. Причем содержание в морской воде сорок второго элемента колеблется от 8,9 до 12,2 мкг/л - в зависимости от океана и акватории. Общим явлением можно считать лишь то, что воды вблизи берега и поверхностных слоях гораздо беднее молибденом, чем глубинные слои океана. Воды океанов и морей содержат сорок второго элемента больше, чем речные акватории. Дело в том, что, поступая с речными стоками, молибден частично накапливается в морской воде, а частично осаждается, концентрируясь в глинистых илах.
Наиболее важными минералами молибдена считаются молибденит (MoS2), повелит (CaMoO4), молибдо-шеелит (Ca(Mo,W)O4), молибдит (xFe2O3 yMoO3 zH2O) и вульфенит (PbMoO4). Молибденит или молибденовый блеск - минерал из класса сульфидов (MoS2), он содержит 60 % молибдена и 40 % серы. Обнаруживается и небольшое количество рения - до 0,33 %. Чаще всего этот минерал встречается в грейзеновых, реже пегматитовых месторождениях, в которых он ассоциируется с вольфрамитом, касситеритом, топазом, флюоритом, пиритом, халькопиритом и другими минералами. Важнейшие скопления молибденита связаны с гидротермальными образованиями, особенно широко распространены в кварцевых жилах и окварцованных породах.
Среднее содержание молибдена в рудах крупных месторождений 0,06-0,3 %, мелких - 0,5-1 %. В качестве попутного компонента сорок второй элемент извлекается из других руд при содержании в них молибдена от 0,005 % и выше. Кроме того, молибденовые руды различают по минеральному составу и форме рудных тел. По последнему критерию они подразделяются на скарновые (молибденовые, воьфрамо-молибденовые и медно-молибденовые), жильные (кварцевые, кварц-серицитовые и кварц-молибденит-вольфрамитовые) и прожилково-вкрапленные (медно-молибденовые, кварц-молибденит-серицитовые, медные порфировые с молибденом). Ранее первостепенное промышленное значение имели кварцевые жильные месторождения, однако в современное время они почти все выработаны. Поэтому первостепенное значение приобрели прожилково-вкрапленные и скарновые месторождения.
Совсем недавно мировым лидером по запасам и добыче молибденовых руд по праву считались Соединенные Штаты Америки, где добыча молибденсодержащих руд ведется в Колорадо, Нью-Мексико, Айдахо и ряде других штатов. Однако последние открытия новых богатых месторождений в лидеры вывели Китай, где в добыче заняты семь крупных провинций. Хотя США по-прежнему остаются лидерами в добыче молибдена, бурно развивающаяся экономика Китая, в ближайшее время может вывести эту страну на первое место по добыче сорок второго элемента. К другим странам, обладающими большими запасами молибденовых руд можно отнести: Чили, Канаду (территория Британской Колумбии), Россию (семь разрабатываемых месторождений), Мексику (месторождение La Caridad), Перу (рудник Tokepala), многие страны СНГ и др.
Применение
Основной потребитель молибдена (до 85 %) - металлургия, где львиная доля добываемого сорок второго элемента расходуется на получение особых конструкционных сталей. Молибден значительно улучшает свойства легируемых металлов. Присадка этого элемента (0,15-0,8 %) существенно повышает прокаливаемость, улучшает прочность, вязкость и коррозионную стойкость конструкционных сталей, которые используются при изготовлении самых ответственных деталей и изделий.
Молибден и его сплавы относятся к тугоплавким материалам, а это качество просто необходимо при изготовлении обшивки головных частей ракет и самолетов. Причем использование таких сплавов возможно как в качестве вспомогательного материала - тепловые экраны, отделяемые от основного материала теплоизоляцией, так и в качестве основного конструкционного материала. Молибден хоть и уступает вольфраму и его сплавам по прочностным характеристикам, однако по удельной прочности при температурах ниже 1 350-1 450 °C молибден и его сплавы занимают первое место, а титано-молибденовые сплавы имеют температурный предел эксплуатации в 1500 °C!
Именно из-за этого наибольшее распространение при изготовлении обшивки и элементов каркаса ракет и сверхзвуковых самолетов получают молибден и ниобий, а также их сплавы, обладающие большей удельной прочностью до 1 370 °C по сравнению с танталом, вольфрамом и сплавами на их основе. Из жаропрочных сталей, легированных сорок вторым элементом изготовляют оболочки возвращающихся на землю ракет и капсул, сотовые панели космических летательных аппаратов, тепловые экраны, теплообменники, обшивку кромок крыльев и стабилизаторы в сверхзвуковых самолетах. Кроме того, молибден используют в сталях, предназначенных для некоторых деталей прямоточных ракетных и турбореактивных двигателей (заслонки форсунок, лопатки турбин, хвостовые юбки, сопла ракетных двигателей, поверхности управления в ракетах с твердым топливом). От материалов, работающих в таких условиях, требуется не только высокое сопротивление окислению и газовой эрозии, но и высокая длительная прочность и сопротивление удару. Всем этим показателям при температурах ниже 1 370 °С отвечает молибден и его сплавы.
Молибден и его сплавы используются в деталях, длительно работающих в вакууме, как конструкционный материал в энергетических ядерных реакторах, для изготовления оборудования, работающего в агрессивных средах (серной, соляной и фосфорной кислот). Для повышения твердости молибден вводят в сплавы кобальта и хрома (стеллиты), которые применяют для наплавки кромок деталей из обычной стали, работающих на износ (истирание). Так как молибден и его сплавы устойчивы в расплавленном стекле, то его широко используют в стекольной промышленности, например, для изготовления электродов для плавки стекла. В настоящее время из молибденовых сплавов изготовляют пресс-формы и стержни машин для литья под давлением алюминиевых, цинковых и медных сплавов. Сплав из молибдена с вольфрамом в паре с чистым вольфрамом используется для измерения температуры до 2 900 °C в восстановительной атмосфере.
В чистом виде молибден применяют в виде ленты или проволоки, в качестве нагревательных элементов в высокотемпературных (до 2 200 °C) индукционных печах. Молибденовая жесть и проволока широко используются в радиоэлектронной промышленности (в качестве материала для анодов радиоламп) и рентгенотехнике для изготовления различных деталей электронных ламп, рентгеновских трубок и других вакуумных приборов.
Широкое применение нашли и многочисленные соединения сорок второго элемента. Дисульфид MoS2 и диселенид МоSе2 молибдена используют в качестве смазочных материалов для трущихся деталей, работающих при температурах от -45 до +400 °С. Кроме того, дисульфид молибдена добавляется в моторное масло, где он образует на металлических поверхностях слои, уменьшающие трение. Гексафторид молибдена применяется при нанесении металлического молибдена на различные материалы. Дисилицид МоSi2 молибдена применяют при изготовлении нагревателей для высокотемпературных печей, Na2MoO4 используется в производстве красок и лаков. Теллурид молибдена является очень хорошим термоэлектрическим материалом для производства термоэлектрогенераторов. Многие соединения сорок второго элемента (сульфиды, оксиды, молибдаты) - хорошие катализаторы химических реакций, а также входят в состав пигментных красителей и глазурей.
Производство
Первоначально молибденовые руды подвергаются обогащению, для чего применяется флотационный метод, основанный на различной поверхностной смачиваемости минералов водой. Тонкоизмельченную руду обрабатывают водой с добавлением небольшого количества флотационного реагента, который усиливает различие в смачиваемости частиц рудного минерала и пустой породы. Сквозь образующуюся смесь интенсивно продувают воздух; при этом его пузырьки пристают к зернам тех минералов, которые хуже смачиваются. Эти минералы выносятся вместе с пузырьками воздуха на поверхность и таким образом отделяются от пустой породы.
Обогащенный подобным образом молибденовый концентрат содержит 47-50 % самого молибдена, 28-32 % серы, 1-9 % SiO2, кроме того, присутствуют примеси прочих элементов: железо, медь, кальций и другие. Концентрат подвергается окислительному обжигу при температуре 560-600 °С в многоподовых печах или печах кипящего слоя. При наличии в концентрате рения во время обжига образуется летучий оксид Re2O7, который удаляют вместе с печными газами. Продуктом обжига является так называемый «огарок» - загрязненный примесями МоО3.
Чистый МоО3, необходимый для производства металлического молибдена, получают из огарка двумя способами. Первый - возгонка при температуре около 1000° С, второй способ - химический, по которому огарок выщелачивают аммиачной водой. При этом молибден переходит в раствор (молибдат аммония). Раствор очищают от примесей меди, железа и прочих элементов, затем нейтрализацией или выпариванием и последующей кристаллизацией выделяют полимолибдаты аммония - в основном парамолибдат (NH4)6Mo7O24 4H2O. Уже после чего прокаливанием парамолибдата аммония при 450-500 °С получают чистый МоО3, содержащий не более 0,05 % примесей.
Бывает, что вместо обжига молибденовый концентрат разлагают азотной кислотой, при этом осаждают, получившуюся молибденовую кислоту МоО3∙Н2О, которую растворяют в аммиачной воде и получают парамолибдат аммония. Определенная доля сорок второго элемента остаётся в первичном растворе, из которого молибден извлекают ионным обменом или экстракцией. При переработке низкосортных концентратов, которые содержат 10-20 % молибдена, огарки выщелачивают Na2CO3, из полученных растворов Na2MoO4 осаждают СаМоО4, используемый в черной металлургии. Иным методом - с помощью ионного обмена или жидкостной экстракции раствор Na2MoO4 переводят в раствор (NH4)2MoO4, из которого затем выделяют парамолибдат аммония.
Восстанавливая чистый МоО3 в токе сухого водорода, получают металлический молибден (в виде порошка). Процесс проводится в трубчатых печах в два этапа: первый при температуре 550-700 °С, второй при 900-1 000 °С.
Компактный молибден получают главным образом методом порошковой металлургии либо методом плавки. Метод порошковой металлургии заключается в прессовании порошка в заготовку и спекания заготовки. Молибденовый порошок прессуют в стальных пресс-формах под давлением 0,2-0,3 МПа (2000-3000 кгс/см2), затем спекают сначала при 1 000-1 200 °С в атмосфере водорода - предварительное спекание, цель которого повысить прочность и электропроводность штабиков, а затем при 2 200-2 400 °С - высокотемпературное спекание. В результате получают сравнительно небольшие заготовки (сечением 2-9 см2 при длине 450-600 мм). Полученные заготовки (спеченные штабики) обрабатывают давлением (ковка, протяжка, прокатка). Для получения более крупных заготовок применяют дуговую плавку, позволяющую получать слитки массой до двух тонн. Плавку в дуговых печах ведут в вакууме. Между катодом (упаковка спеченных штабиков из молибдена) и анодом (охлаждаемый медный тигель) зажигают дугу. Металл катода плавится и собирается в тигле. Вследствие высокой теплопроводности меди и быстрого отвода теплоты молибден затвердевает.
Для получения особо чистого молибдена применяется плавка в электронном пучке (электронно-лучевая плавка). Нагревание металла электронным пучком основано на превращении в теплоту большей части кинетической энергии электронов при их столкновении с поверхностью металла. Плавку ведут в высоком вакууме, что обеспечивает удаление примесей, испаряющихся при температуре плавки (O, N, P, As, Fe, Cu, Ni и другие). После такой плавки чистота металла превышает 99,9 %.
Перспективен способ производства молибдена алюминотермическим восстановлением МоО3, получаемые этим способом слитки рафинируют вакуумной плавкой в дуговых печах. Кроме того, молибден получают восстановлением MoF6 или МоСl5 водородом, а также электролитически в солевых расплавах. Для производства ферромолибдена (сплав из 55-70 % Мо, остальное Fe), служащего для введения присадок сорок второго элемента в сталь, применяют восстановление обожженного молибденитового концентрата (огарка) ферросилицием в присутствии железной руды и стальной стружки.
Физические свойства
Молибден - светло-серый металл. Однако его внешний вид во многом зависит от способа получения. Компактированный (спеченный) молибден без обработки (в виде штабика и заготовок под прокатку молибдена) - довольно темный металл, допускаются следы окисления. Компактный прокатный (в виде слитков, проволоки или листов) металл после обработки бывает различных цветов: от темного, почти черного, до серебристо-блеклого (зеркального). Цвет зависит от способа обработки: точения, шлифования, химической очистки (травления) и электрополировки. Молибден, полученный в виде зеркала (разложением) - блестящий, но серый. Порошкообразный сорок второй элемент имеет темно-серый цвет.
Молибден кристаллизируется в кубической объёмно-центрированной решётке с периодом a = 0,314 нм, z = 2. Атомный радиус 1,4 А, ионные радиусы Мо4+ 0,68 А, Мо6+ 0,62 А. Сорок второй элемент относится к тугоплавким металлам с температурой плавления 2620° C и температурой кипения - 4 639 °C. Более высокие точки плавления имеют только вольфрам (около 3400° C), рений (около 3190° C) и тантал (3000° C). Плотность молибдена 10,2 г/см3, что сравнимо с плотностью серебра (10,5 г/см3), шкала Мооса определяет его твердость 5,5 баллами. Удельная теплоемкость молибдена при 20-100 °С составляет 0,272 Кдж/(кг К), то есть 0,065 кал/(г град). Теплопроводность при 20 °С у сорок второго элемента 146,65 вт/(м К), то есть 0,35 кал/(см сек град). Термический коэффициент линейного расширения (5,8-6,2) 10-6 при 25-700 °С. Исследовав физические свойства сорок второго элемента, ученые обнаружили, что у металла ничтожно малый коэффициент теплового расширения (примерно 30 % от коэффициента расширения меди). При нагреве от 25 до 500 °C размеры молибденовой детали увеличатся всего на 0,0000055 первоначальной величины. Даже при нагреве свыше 1 200 °C молибден почти не расширяется. Данное свойство сыграло большую роль в электровакуумной технике.
Молибден парамагнитен, его атомная магнитная восприимчивость приблизительно равна 90 10-6 (при 20 °С). Удельное электрическое сопротивление 5,2 10-8 Ом м, то есть 5,2 10-6 Ом см; работа выхода электронов 4,37 эв. Температура перехода в сверхпроводящее состояние 0,916 К. Молибден - хороший проводник электричества, в этом параметре он уступает серебру всего в три раза. Однако его электропроводность выше, чем у железа, никеля, платины и многих других металлов.
Молибден ковкий и пластичный металл, является переходным элементом. Как и у ряда других металлов, механические свойства определяются чистотой металла и предшествующей механической и термической обработкой (чем чище металл, тем он мягче). Наличие примесей увеличивает твердость и хрупкость металла. Так, при загрязнении азотом, углеродом или серой молибден, подобно хрому, становится хрупким, твердым, ломким, что существенно затрудняет его обработку. В совершенно чистом состоянии компактный молибден пластичен, тягуч и ковок, довольно легко подвергается штамповке и прокатке. Прочностные характеристики молибдена при высоких температурах (только не в окислительной среде) превосходят прочность большинства остальных металлов. Для спеченного молибденового штабика твердость по Бринеллю составляет 1500-1600 Мн/м2, то есть 150-160 кгс/мм2. Для кованого прутка - 2000-2300 Мн/м2; для отожженной проволоки - 1400-1850 Мн/м2. По прочности молибден несколько уступает вольфраму, однако он более пластичен, легче поддается как механической обработке, так и обработке давлением. Кроме того, рекристаллизующий отжиг не приводит к хрупкости металла. Металл, как и его сплавы, характеризуется высоким модулем упругости (285-300 ГПа), малым сечением захвата тепловых нейтронов (что делает возможным его применение в качестве конструкционного материала в ядерных реакторах), хорошей термостойкостью и малым температурным коэффициентом расширения.
Несмотря на множество достоинств сорок второго элемента, связанных с его физическими и механическими свойствами, он имеет и ряд недостатков. К таковым можно отнести небольшую окалийность молибдена; высокую хрупкость его соединений; малую пластичность при низких температурах. Кроме того, наличие примесей углерода, азота или серы делает металл твердым, хрупким и ломким, что значительно усложняет его обработку.
Химические свойства
На воздухе при комнатной температуре молибден устойчив к окислению. Вялотекущая реакция с кислородом начинается при 400° C (появляются так называемые цвета побежалости), при 600 °C металл начинает активно окисляться с образованием триоксида МоО3 (белые кристаллы с зеленоватым оттенком, tпл 795 °С, tкип 1 155 °С), который возможно также получить окислением дисульфида молибдена MoS2 и термолизом парамолибдата аммония (NH4)6Mo7O24 4H2O.
При температуре выше 700 °С сорок второй элемент интенсивно взаимодействует с водяными парами, образуя при этом диоксид МоО2 (темно-коричневого цвета). Кроме двух вышеперечисленных окислов молибден образует и ряд оксидов, промежуточных между МоО3 и МоО2, которые соответствуют по составу гомологическому ряду МоnO3n-1 (Мо9О26, Мо8О23, Мо4О11), однако все они термически неустойчивы и выше 700 °С разлагаются с образованием МоО3 и МоО2. Оксид МоО3 образует простые (нормальные) кислоты молибдена - дигидрат Н2МоО4 Н2О, моногидрат Н2МоО4 и изополикислоты - H6Mo7O24, HМo6O24, H4Мo8O26 и другие.
С водородом молибден химически не взаимодействует вплоть до плавления. Однако при нагревании металла в водороде происходит некоторое поглощение газа (при 1000° C поглощается 0,5 см3 водорода в ста граммах молибдена) с образованием твёрдого раствора. С азотом молибден выше 1 500 °C образует нитрид, вероятный состав которого Mo2N. Твердый углерод и углеводороды, а также оксид углерода СО (II) при 1 100-1 200 °C взаимодействуют с металлом с образованием карбида Мо2С, который плавится с разложением при 2 400 °C примерно.
Молибден реагирует с кремнием, образуя дисилицид MoSi2 (темно-серые кристаллы не растворяются в воде, соляной кислоте, H2SO4, разлагаются в смеси HNO3 с фтористоводородной кислотой), обладающий высокой устойчивостью на воздухе вплоть до 1500-1600 °C (его микротвердость 14 100 Мн/м2). При взаимодействии сорок второго элемента с парами селена или H2Se получается диселенид молибдена состава MoSe2 (темно-серое вещество со слоистой структурой) разлагается в вакууме при температуре 900 °C, не растворяется в воде, окисляется HNO3. При действии паров серы и сероводорода соответственно выше 440 и 800 °C образуется графитоподобный дисульфид MoS2 (практически нерастворим в воде, соляной кислоте, разбавленной H2SO4). MoS2 распадается выше 1 200 °C с образованием Mo2S3.
Кроме него с серой молибден образует еще три соединения, получаемые лишь искусственно: МоS3, Мо2S5 и Mo2S3. Полуторный сульфид Мо2S3 (игольчатые кристаллы серого цвета) образуется при быстром нагревании дисульфида до 1700...1800° C. Пента- (Мо2S5) и трисульфид (MoS3) молибдена - аморфные вещества темно-коричневого цвета. Кроме MoS2, практически применяют лишь MoS3. С галогенами сорок второй элемент образует ряд соединений в разных степенях окисления. Фтор действует на молибден при обычной температуре, хлор при 250° C, образуя MoF6 и МоСl6 соответственно. С йодом известен только дийодид молибдена MoI2. Молибден образует оксигалогениды: MoOF4, MoOCl4, MoO2F2, MoO2Cl2, MoO2Br2, MoOBr3 и другие.
В серной и соляной кислотах молибден немного растворим лишь при 80-100° С. Азотная кислота, царская водка и пероксид водорода медленно растворяют металл на холоде, быстро - при нагревании. Хорошо растворяет молибден смесь азотной и серной кислот. Металл растворяется в перекиси водорода с образованием пероксо кислот Н2МоО6 и Н2МоО11. В плавиковой кислоте молибден устойчив, но в смеси ее с азотной кислотой быстро растворяется. В холодных растворах щелочей молибден стоек, но несколько разъедается горячими растворами. Металл интенсивно окисляется расплавленными щелочами, особенно в присутствии окислителей, образуя соли молибденовой кислоты.
