Молибден

Распространение в природе

Физические свойства

Химические свойства

Получение

Применение

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 ⁹⁸Мо (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 МоО₃ 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 MoS₂ (главный промышленный минерал Молибдена), образуя гидротермальные месторождения. Важнейшим осадителем Молибдена из вод служит H₂S.

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 H₂S.

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 Мо⁴⁺ 0,68А, Мо⁶+ 0,62А. Плотность 10,2 г/см³ (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^-6ом·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/м², то есть 150-160 кгс/мм²(для спеченного штабика), 2000-2300 Мн/м² (для кованого прутка) и 1400-1850 Мн/м² (для отожженной проволоки); предел прочности для отожженной проволоки при растяжении 800-1200 Мн/м². Модуль упругости Молибден 285-300 Гн/м². 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 МоО₃. Пары воды при температурах выше 700 °С интенсивно окисляют Молибден до МоО₂. С водородом Молибден химически не реагирует вплоть до плавления. Фтор действует на Молибден при обычной температуре, хлор при 250 °С, образуя MoF₆ и МоСl₆. При действии паров серы и сероводорода соответственно выше 440 и 800 °С образуется дисульфид MoS₂. С азотом Молибден выше 1500 °С образует нитрид (вероятно, Mo₂N). Твердый углерод и углеводороды, а также оксид углерода (II) при 1100-1200 °С взаимодействуют с металлом с образованием карбида Мо₂С (плавится с разложением при 2400 °С). Выше 1200 °С Молибден реагирует с кремнием, образуя силицид MoSi₂, обладающий высокой устойчивостью на воздухе вплоть до 1500-1600 °С (его микротвердость 14 100 Мн/м²).

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 4d⁵5s¹, наиболее характерная валентность 6. Известны также соединения 5-, 4-, 3- и 2-валентного Молибдена.

Молибден образует два устойчивых оксида - МоО₃ (белые кристаллы с зеленоватым оттенком, t_пл 795 °С, t_кип 1155 °С) и МоО₂ (темно-коричневого цвета). Кроме того, известны промежуточные оксиды, соответствующие по составу гомологическому ряду Мо_nO_3n-1 (Мо₉О₂₆, Мо₈О₂₃, Мо₄О₁₁); все они термически неустойчивы и выше 700 °С разлагаются с образованием МоО₃ и МоО₂. Оксид МоО₃ образует простые (или нормальные) кислоты Молибдена - моногидрат Н₂МоО₄, дигидрат Н₂МоО₄·Н₂О и изополикислоты - H₆Mo₇O₂₄, HМo₆O₂₄, H₄Мo₈O₂₆ и другие. Соли нормальной кислоты называется нормальными молибдатами, а поликислот - полимолибдатами. Кроме названных выше, известно несколько надкислот Молибдена - Н₂МоО_Х (х - от 5 до 8) и комплексных гетерополисоединений с фосфорной, мышьяковой и борной кислотами. Одна из распространенных солей гетерополикислот - фосфоромолибдат аммония (NH₄)₃[Р(Мо₃О₁₀)₄]·6Н₂О. Из галогенидов и оксигалогенидов Молибдена наибольшее значение имеют фторид MoF₆ (t_пл 17,5 °С, t_кип 35 °С) и хлорид МоCl₅(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 - МоS₃, MoS₂ и Mo₂S₃. Практическое значение имеют первые два. Дисульфид MoS₂ встречается в природе в виде минерала молибденита; может быть получен действием серы на Молибден или при сплавлении МоО₃ с содой и серой. Дисульфид практически нерастворим в воде, НCl, разбавленной H₂SO₄. Распадается выше 1200 °С с образованием Mo₂S₃.

При пропускании сероводорода в нагретые подкисленные растворы молибдатов осаждается MoS₃.

Получение Молибдена. Основным сырьем для производства Молибдена, его сплавов и соединений служат стандартные молибденитовые концентраты, содержащие 47-50% Мо, 28-32% S, 1-9% SiO₂ и примеси других элементов. Концентрат подвергают окислительному обжигу при 570-600 °С в многоподовых печах или печах кипящего слоя. Продукт обжига - огарок содержит МоО₃, загрязненную примесями. Чистую МоО₃, 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(NH₄)₂O·7МоО₃·nН₂О) методом нейтрализации или выпарки с последующей кристаллизацией; прокаливанием парамолибдата при 450-500 °С получают чистую МоО₃, содержащую не более 0,05% примесей.

Металлический Молибден получают (сначала в виде порошка) восстановлением МоО₃ 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 см² при длине 450-600 мм). Порошок Молибдена прессуют в стальных пресс-формах под давлением 200-300 Мн/м² (2000-3000 кгс/см²). 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, MoS₂ - смазочный материал для трущихся частей механизмов; дисилицид Молибдена применяют при изготовлении нагревателей для высокотемпературных печей; Na₂MoO₄ - 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.