Молибден, свойства атома, химические и физические свойства

Молибден

— элемент шестой группы (по старой классификации — побочной подгруппы шестой группы) пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 42. Обозначается символом
Mo
(лат. Molybdaenum). Простое вещество
молибден
— переходный металл светло-серого цвета. Главное применение находит в металлургии.

Содержание

• 1 История и происхождение названия
• 2 Нахождение в природе 2.1 Месторождения
• 2.2 В космосе

внешняя ссылка

• Wikimedia Commons содержит мультимедийную галерею о молибдене
  .
• WebElements.com — молибден
• EnvironmentalChemistry.com — Молибден
• Международная молибденовая ассоциация
• База данных окружающей среды
• Молибден в нанокластерах для контроля содержания серы

• Datos: Q1053
• Multimedia: Molybdenum

История и происхождение названия

Открыт в 1778 году шведским химиком Карлом Шееле, который, прокаливая молибденовую кислоту, получил MoO3. В металлическом состоянии впервые получен П. Гьельмом в 1781 году восстановлением оксида углём: он получил молибден, загрязнённый углеродом и карбидом молибдена. Чистый молибден в 1817 году получил Й. Берцелиус восстановлением оксида водородом.

Название происходит от др.-греч. μόλυβδος, означающего «свинец». Оно дано из-за внешнего сходства молибденита (MoS2), минерала, из которого впервые удалось выделить оксид молибдена, со свинцовым блеском (PbS). Вплоть до XVIII века молибденит не отличали от графита из-за свинцового блеска, эти минералы носили общее название «молибден».

Получение молибдена

Молибден в чистом виде из руд получить очень трудно. Поэтому чаше всего из полиметаллических или молибдено- и вольфрамово-железных руд выделяют ферромолибден — основное сырье для металлургической промышленности.

Анализ молибден содержащие минералы производят в специализированных предприятиях с помощью органического анализа.

Для получения чистых металлов его подвергают обжигу до оксидов или хлоридов и последующему восстановлению.

Чистую трехокись МоО3 получают возгонкой или гидрометаллургическим способом, обрабатывая огарок аммиаком, едким натром или содой.

Трехокись восстанавливают до металла водородом, углеродом, углеродсодержащими газами или металлотермическим восстановлением (алюминием, кремнием).

В промышленном произ-ве применяют в основном восстановление водородом, получая молибденовый порошок, к-рый превращают в компактные заготовки методами порошковой металлургии или плавкой.

Молибден получают также термической диссоциацией дисульфида молибдена, термической диссоциацией и восстановлением галогенидов молибдена, электролизом расплавленных сред и др.

Молибден производят в виде штабиков, проволоки, пластин, лент, фольги, жести и слитков.

Нахождение в природе

Содержание в земной коре — 3⋅10−4 % по массе. В свободном виде молибден не встречается. В земной коре молибден распространён относительно равномерно. Меньше всего содержат молибдена ультраосновные и карбонатные породы (0,4—0,5 г/т). Концентрация молибдена в породах повышается по мере увеличения SiO2. Молибден находится также в морской и речной воде, в золе растений, в углях и нефти. Содержание молибдена в морской воде колеблется от 8,9 до 12,2 мкг/л для разных океанов и акваторий. Общим является то, что воды вблизи берега и верхние слои меньше обогащены молибденом, чем воды на глубине и вдали от берега. Наиболее высокие концентрации молибдена в породах связаны с акцессорными минералами (магнетит, ильменит, сфен), однако основная масса его заключена в полевых шпатах и меньше в кварце. Молибден в породах находится в следующих формах: молибдатной и сульфидной в виде микроскопических и субмикроскопических выделений, изоморфной и рассеянной (в породообразующих минералах). Молибден обладает большим сродством с серой, чем с кислородом, и в рудных телах образуется сульфид четырёхвалентного молибдена — молибденит. Для кристаллизации молибденита наиболее благоприятны восстановительная среда и повышенная кислотность. В поверхностных условиях образуются преимущественно кислородные соединения MO6+. В первичных рудах молибденит встречается в ассоциации с вольфрамитом и висмутином, с минералами меди (медно-порфировые руды), а также с галенитом, сфалеритом и урановой смолкой (в низкотемпературных гидротермальных месторождениях). Хотя молибденит считается устойчивым сульфидом по отношению к кислым и щелочным растворителям, в природных условиях при длительном воздействии воды и кислорода воздуха молибденит окисляется, и молибден может интенсивно мигрировать с образованием вторичных минералов. Этим можно объяснить повышенные концентрации молибдена в осадочных отложениях — углистых и кремнисто-углистых сланцах и углях.

Известно около 20 минералов молибдена. Важнейшие из них: молибденит MoS2 (60 % Mo), повеллит CaMoO4 (48 % Mo), молибдит Fe(MoO4)3·nH2O (60 % Mo) и вульфенит PbMoO4.

Месторождения

Крупные месторождения молибдена известны в США, Мексике, Чили, Канаде, Австралии, Норвегии, России. В России молибден выпускают на Сорском ферромолибденовом заводе. Более 7 % от мировых запасов молибдена расположены в Армении, причем 90 % из них сосредоточены в Каджаранском медно-молибденовом месторождении.

В космосе

Аномально высокое содержание молибдена наблюдается в звёздных образованиях, состоящих из красного гиганта (или сверхгиганта), внутри которого находится нейтронная звезда — объектах Ландау — Торна — Житковой.

Молибден содержащие минералы

Содержание его в земной коре 1,1 · 10-4 %. Известны около 20 минералов молибдена. Из них наиболее часто встречаются в природе: молибденит, повеллит СаМоO4, молибдит Fe2 (МоO4)3 х nН2O, вульфенит РbМoО4, молибдошеелит Са (W, Мо)O4.

Чиллагит Рb(Мо, W)O4, кехлинит Bi2(МоO4)O2, линдгренит Сu (МоO4)2(ОН)2, ильземанит МоO3·SO3·5Н2O, ураномолибдат UO2 · UО3 · 2МоО3, эозит 3РbО х V2O4 · MoO3; белонезит MgMoO4 и патерзит СоМоO4. Пром. значение имеют молибденит, повеллит, молибдит и вульфенит.

Кристаллическая решетка молибдена объемноцентрированная кубическая с периодом а = 3,1466 А. Атомный радиус 1,39 А (для координационного числа 12); ионный радиус Мо+4 составляет 0,68 А, ионный радиус Мо+6 равен 0,62 А.

Добыча

Залежи молибдена и его добыча по странам

Генетические группы и промышленные типы месторождений

1. Контактово-метасоматические (скарновые).

2. Гидротермальные.

А. Высокотемпературные (грейзеновые). Б. Среднетемпературные. а. кварц-молибденитовые. б. кварц-сфалерит-галенит-молибденитовые. в. кварц-халькопирит-молибденитовые (меднопорфировые руды). г. настуран-молибденитовые.

Получение[ | ]

Промышленное получение молибдена начинается с обогащения руд флотационным методом. Полученный концентрат обжигают до образования оксида МоО3:

2 MoS 2 + 7 O 2 ⟶ 2 MoO 3 + 4 SO 2 , {\displaystyle {\ce {2 MoS2 + 7 O2 -> 2 MoO3 + 4 SO2,}}}

который подвергают дополнительной очистке. Далее МоО3 восстанавливают водородом:

MoO 3 + 3 H 2 ⟶ Mo + 3 H 2 O ⋅ {\displaystyle {\ce {MoO3 + 3 H2 -> Mo + 3 H2O.}}}

Полученные заготовки обрабатывают давлением (ковка, прокатка, протяжка).

Физические свойства

Молибден — светло-серый металл с кубической объёмноцентрированной решёткой типа α-Fe (a

= 3,14 Å;
z
= 2; пространственная группа
Im3m
), парамагнитен, шкала Мооса определяет его твёрдость 4,5 баллами. Механические свойства, как и у большинства металлов, определяются чистотой металла и предшествующей механической и термической обработкой (чем чище металл, тем он мягче). Обладает крайне низким коэффициентом теплового расширения. Молибден является тугоплавким металлом с температурой плавления 2620 °C и температурой кипения 4639 °C.

Изотопы

Основная статья: Изотопы молибдена

Природный молибден состоит из семи изотопов: 92Mo (15,86 % по массе),94Mo (9,12 %), 95Mo (15,70 %), 96Mo (16,50 %), 97Mo (9,45 %), 98Mo (23,75 %) и 100Mo (9,62 %). Шесть из них стабильны, 100Mo слаборадиоактивен (период полураспада 8,5⋅1018 лет, что в миллиард раз больше возраста Вселенной). Из искусственных изотопов самым стабильным является 93Mo, с периодом полураспада 4 тысячи лет, период полураспада остальных изотопов не превышает 3 суток.

Примечания[ | ]

1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu.
   Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047—1078. — doi:10.1351/PAC-REP-13-03-02.
2. Химическая энциклопедия: в 5 т / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.). — Москва: Советская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 125. — 639 с. — 50 000 экз. — ISBN 5—85270—039—8.
3. Emsley, John.
   Nature’s Building Blocks: an A–Z guide to the elements (англ.). — Oxford University Press, 2001. — ISBN 978-0-19-850341-5.
4. Berzelius J.
   Gewicht der elementaren Maafstheile u.s.w (нем.) // Journal für Chemie und Physik. — Schrag’schen Buchhnadlung, 1818. — Bd. XXII. — S. 51—53.
5. J. P. Riley, Skirrow G.
   Chemical Oceanography, V. 1, 1965.
6. Результаты деятельности ЗАО «Зангезурский медно-молибденовый комбинат» (Армения) в I квартале 2005 г.
7. Подтверждено существование сверхгиганта с нейтронной звездой внутри.
8. ИнфоМайн исследовательская группа. Объединение независимых экспертов в области минеральных ресурсов, металлургии и химической промышленности. https://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/molybdenum/mcs-2016-molyb.pdf.
9. Поваренных А. С.
   Твердость минералов. — АН УССР, 1963. — С. 197—208. — 304 с.
10. Гуревич Ю. Г.
    Загадка булатного узора. — М.: Знание, 1985. — 192 с. — С. 15—19.
11. Молибден-99 — текущее состояние дел. Доклад из США.
12. Молибден // Энциклопедический словарь юного химика. 2-е изд. / Сост. В. А. Крицман, В. В. Станцо. — М.: Педагогика, 1990. — С. 147—148. — ISBN 5-7155-0292-6.
13. Биржевые цены на молибден — Металл Торг.Ру.
14. Лопина О. Д., Воробьёва Р. С., Овдиенко Н. И.
    Молибден // Большая медицинская энциклопедия : в 30 т. / гл. ред. Б. В. Петровский. — 3 изд. — Москва : Советская энциклопедия, 1981. — Т. 15. Меланома — Мудров. — 576 с. — 150 600 экз.

Химические свойства

При комнатной температуре на воздухе молибден устойчив. Начинает окисляться при 400 °C. Выше 600 °C быстро окисляется до триоксида MoO3. Этот оксид получают также окислением дисульфида молибдена MoS2 и термолизом молибдата аммония (NH4)6Mo7O24·4H2O.

Mo образует оксид молибдена (IV) MoO2 и ряд оксидов, промежуточных между MoO3 и MoO2.

С галогенами Mo образует ряд соединений в разных степенях окисления. При взаимодействии порошка молибдена или MoO3 с F2 получают гексафторид молибдена MoF6, бесцветную легкокипящую жидкость. Mo (+4 и +5) образует твердые галогениды MoHal4 и MoHal5 (Hal = F, Cl, Br). С йодом известен только дийодид молибдена MoI2. Молибден образует оксигалогениды: MoOF4, MoOCl4, MoO2F2, MoO2Cl2, MoO2Br2, MoOBr3 и другие.

При нагревании молибдена с серой образуется дисульфид молибдена MoS2, с селеном — диселенид молибдена состава MoSe2. Известны карбиды молибдена Mo2C и MoC — кристаллические высокоплавкие вещества и силицид молибдена MoSi2.

Особая группа соединений молибдена — молибденовые сини. При действии восстановителей — сернистого газа, цинковой пыли, алюминия или других на слабокислые (pH=4) суспензии оксида молибдена образуются ярко-синие вещества переменного состава: Mo2O5·H2O, Mo4O11·H2O и Mo8O23·8H2O.

Mo образует молибдаты, соли не выделенных в свободном состоянии слабых молибденовых кислот, xH2O· MoO3 (парамолибдат аммония 3(NH4)2O·7MoO3·zH2O; CaMoO4, Fe2(MoO4)3 — встречаются в природе). Молибдаты металлов I и III групп содержат тетраэдрические группировки [MoO4].

При подкислении водных растворов нормальных молибдатов образуются ионы MoO3OH−, затем ионы полимолибдатов: гепта-, (пара-) Mo7O266−, тетра-(мета-) Mo4O132−, окта- Mo8O264− и другие. Безводные полимолибдаты синтезируют спеканием MoO3 с оксидами металлов.

Существуют двойные молибдаты, в состав которых входят сразу два катиона, например, M+1M+3(MoO4)2, M+15M+3(MoO4)4. Оксидные соединения, содержащие молибден в низших степенях окисления — молибденовые бронзы, например, красная K0,26MoO3 и синяя K0,28MoO3. Эти соединения обладают металлической проводимостью и полупроводниковыми свойствами.

Окисление молибдена кислотами щелочами

Соляная и серная к-ты в холодном состоянии не действуют на молибден, реакция начинается при т-ре 110° С. Азотная к-та и «царская водка» действуют уже в холодном состоянии, быстро — при нагревании.

Гидроокиси натрия и калия в холодном состоянии не реагируют с молибденом, в расплавленном состоянии растворяют его на воздухе медленно, при наличии окислителей — быстро.

В большинстве пром. месторождений молибдена содержание молибденита не превышает 1%. Руды молибдена обогащают главным образом флотацией, доводя Содержание MoS2 до 85—90%.

Разложение молибденовых концентратов может быть осуществлено окислением кислородом под давлением в щелочном растворе, азотной кислотой, растворами гипохлорита натрия, хлорированием и др.

Основной промышленный способ— окислительный обжиг. Огарок, содержащий МоО3, служит исходным материалом для выплавки ферромолибдене.

Молибден реагирует с кислотами: растворяется в «царской водке», горячих концентрированных соляной, серной и азотной, а также в окислительно -щелочных расплавах (например, в смеси NaOH И КОН).

Вода медленно окисляет порошкообразный молибден в сложную смесь гидратированных оксидов — «молибденовая синь»

С неметаллами молибден и реагирует при значительном нагревании, образуя прочные карбиды, силициды, сульфиды, галогениды и целый ряд оксидов , самыми устойчивыми из которых являются высшие МоО3 .

Им соответствуют соль Na2MoО4 молибденовой кислоты . В кислой среде анионы этих солей способны к конденсации, и образуется ряд полимолибденовых кислот. Состав растворов молибдатов и вольфраматов сильно зависит от pH среды .

Применение

Молибден используется для легирования сталей как компонент жаропрочных и коррозионностойких сплавов. Молибденовая проволока (лента) служит для изготовления высокотемпературных печей, вводов электрического тока в лампах накаливания. Соединения молибдена — сульфид, оксиды, молибдаты — являются катализаторами химических реакций, пигментами красителей, компонентами глазурей. Гексафторид молибдена применяется при нанесении металлического Mo на различные материалы, MoS2 используется как твёрдая высокотемпературная смазка. Mo входит в состав микроудобрений. Радиоактивные изотопы 93Mo (T

1/2 = 6,95 ч) и 99Mo (
T
1/2 = 66 ч) — изотопные индикаторы.

Молибден — один из немногих легирующих элементов, способных одновременно повысить прочностные, вязкие свойства стали и коррозионную стойкость. Обычно при легировании одновременно с увеличением твёрдости растёт и хрупкость металла. Известны случаи использования молибдена при изготовлении в Японии холодного оружия в XI—XIII веках.

Молибден-99 используется для получения технеция-99, который используется в медицине при диагностике онкологических и некоторых других заболеваний. Общее мировое производство молибдена-99 составляет около 12 000 кюри в неделю (из расчёта активности на шестой день), стоимость молибдена-99 — 46 млн долларов за 1 грамм (470 долларов за 1 Ки).

В 2005 году мировые поставки молибдена (в пересчёте на чистый молибден) составили, по данным «Sojitz Alloy Division», 172,2 тыс. тонн (в 2003 году — 144,2 тыс. тонн). Чистый монокристаллический молибден используется для производства зеркал для мощных газодинамических лазеров. Теллурид молибдена является очень хорошим термоэлектрическим материалом для производства термоэлектрогенераторов (термо-ЭДС 780 мкВ/К). Трёхокись молибдена (молибденовый ангидрид) широко применяется в качестве положительного электрода в литиевых источниках тока.

Молибден применяется в высокотемпературных вакуумных печах сопротивления в качестве нагревательных элементов и теплоизоляции. Дисилицид молибдена применяется в качестве нагревателей в печах с окислительной атмосферой, работающих до 1800 °C.

Из молибдена изготовляются крючки-держатели тела накала ламп накаливания, в том числе ламп накаливания общего назначения.

Молибденовая проволока диаметром 0,05—0,2 мм используется в проволочных электроэрозионных станках для резки металлов с очень высокой точностью (до 0,01 мм), в том числе и заготовок большой толщины (до 500 мм). В отличие от медной и латунной проволоки, которые используются однократно в подобных станках, молибденовая — многоразовая (~300—500 метров хватает на 30—80 часов непрерывной работы), что несколько уменьшает точность обработки, но повышает её скорость и снижает её стоимость.

Биологическая роль

Физиологическое значение молибдена для организма животных и человека было впервые показано в 1953 году, с открытием влияния этого элемента на активность фермента ксантиноксидазы. Молибден промотирует (делает более эффективной) работу антиокислителей, в том числе витамина С. Важный компонент системы тканевого дыхания. Усиливает синтез аминокислот, улучшает накопление азота. Молибден входит в состав ряда ферментов (альдегидоксидаза, сульфитоксидаза, ксантиноксидаза и др.), выполняющих важные физиологические функции, в частности, регуляцию обмена мочевой кислоты. Молибденоэнзимы катализируют гидроксилирование различных субстратов. Альдегидоксидаза окисляет и нейтрализует различные пиримидины, пурины, птеридины. Ксантиноксидаза катализирует преобразование гипоксантинов в ксантины, а ксантины — в мочевую кислоту. Сульфитоксидаза катализирует преобразование сульфита в сульфат.

Недостаток молибдена в организме сопровождается уменьшением содержания в тканях ксантиноксидазы. При недостатке молибдена страдают анаболические процессы, наблюдается ослабление иммунной системы. Тиомолибдат аммония (растворимая соль молибдена), является антагонистом меди и нарушает её утилизацию в организме.

Круговорот азота

Молибден входит в состав активного центра нитрогеназы — фермента для связывания атмосферного азота (распространён у бактерий и архей).

Микроэлемент

Микроколичества молибдена необходимы для нормального развития организмов, используется в составе микроэлементной подкормки, в частности, под ягодные культуры.

Влияет на размножение (у растений).