Молибден
Молибде́н (химический символ — Mo, от лат. Molybdaenum) — химический элемент 6-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы шестой группы, VIB), пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 42.
Молибден | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
← Ниобий | Технеций → | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Внешний вид простого вещества | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Образцы молибдена | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Свойства атома | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Название, символ, номер | Молибде́н / Molybdaenum (Mo), 42 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Группа, период, блок | 6 (устар. 6), 5, d-элемент | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Атомная масса (молярная масса) | 95,96(2)[1] а. е. м. (г/моль) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Электронная конфигурация | [Kr] 4d55s1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Радиус атома | 139 пм | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Химические свойства | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ковалентный радиус | 130 пм | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Радиус иона | (+6e) 62 (+4e) 70 пм | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Электроотрицательность | 2,16 (шкала Полинга) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Электродный потенциал | −0,2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Степени окисления | +2, +3, +4, +5, +6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Энергия ионизации (первый электрон) | 684,8 (7,10) кДж/моль (эВ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Термодинамические свойства простого вещества | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Плотность (при н. у.) | 10,22 г/см³ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Температура плавления | 2623 °C | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Температура кипения | 4885 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Мол. теплота плавления | 28 кДж/моль | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Мол. теплота испарения | ~590 кДж/моль | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Молярная теплоёмкость | 23,93[2] Дж/(K·моль) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Молярный объём | 9,4 см³/моль | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Кристаллическая решётка простого вещества | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Структура решётки | Кубическая объёмноцентрированая | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Параметры решётки | 3,147 Å | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Температура Дебая | 450 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Прочие характеристики | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Теплопроводность | (300 K) 138 Вт/(м·К) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Номер CAS | 7439-98-7 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Наиболее долгоживущие изотопы | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
42 | Молибден |
4d55s1 |
Простое вещество молибден — мягкий пластичный блестящий переходный металл серебристо-белого цвета.
Главное применение находит в металлургии.
История и происхождение названия
Открыт в 1778 году шведским химиком Карлом Шееле, который, прокаливая молибденовую кислоту, получил МоО3. В металлическом состоянии впервые получен П. Гьельмом в 1781 году восстановлением оксида углём: он получил молибден, загрязнённый углеродом и карбидом молибдена[3]. Чистый молибден в 1817 году получил Й. Берцелиус восстановлением оксида водородом[4].
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».
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[5] 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 Мо6+. 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 СаМоО4 (48 % Мо), молибдит Fe(MoO4)3·nH2O (60 % Mo) и вульфенит PbMoO4.
Месторождения
Крупные месторождения молибдена известны в США, Мексике, Чили, Канаде, Австралии, Норвегии, России.[6] В России молибден выпускают на Сорском ферромолибденовом комбинате (En+). Более 7 % от мировых запасов молибдена расположены в Армении[7], причём 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[8].
Добыча
Страна | Залежи (тыс. т) | 2001 | 2002 | 2003 | 2004 | 2005 | 2006 | 2007 | 2014 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
США | 2700 | 37,6 | 32,3 | 29,9 | 41,5 | 58,0 | 59,8 | 59,4 | 68,2 |
Китай | 3000 | 28,2 | 30,33 | 32,22 | 29,0 | 40,0 | 43,94 | 46,0 | 103,0 |
Чили | 1905 | 33,5 | 29,5 | 33,4 | 41,48 | 47,75 | 43,28 | 41,1 | 48,8 |
Перу | 850 | 8,35 | 8,32 | 9,63 | 9,6 | 17,32 | 17,21 | 17,25 | 17,0 |
Канада | 95 | 8,56 | 7,95 | 8,89 | 5,7 | 7,91 | 7,27 | 8,0 | 9,7 |
Россия | 360 | 3,93 | 4,29 | 3,57 | 3,11 | 3,84 | 3,94 | 4,16 | 4,8 |
Мексика | 135 | 5,52 | 3,43 | 3,52 | 3,7 | 4,25 | 2,52 | 4,0 | 14,4 |
Армения | 635 | 3,4 | 3,6 | 3,5 | 3,0 | 2,75 | 3,0 | 3,0 | 7,1 |
Иран | 120 | 2,6 | 2,4 | 2,4 | 1,5 | 2,0 | 2,0 | 2,5 | 4,0 |
Монголия | 294 | 1,42 | 1,59 | 1,6 | 1,7 | 1,19 | 1,2 | 1,5 | 2,0 |
Узбекистан | 203 | 0,58 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,57 | 0,6 | 0,5 | 0,5 |
Болгария | 10 | 0,4 | 0,4 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,4 | 0,4 | ? |
Казахстан | 130 | 0,09 | 0,05 | 0,05 | 0,23 | 0,23 | 0,25 | 0,4 | — |
Кыргызстан | 100 | 0,25 | 0,25 | 0,25 | 0,25 | 0,25 | 0,25 | 0,25 | ? |
Прочие | 1002 | — | — | — | — | — | — | — | — |
Итого | 11539 | 134,4 | 124,91 | 129,63 | 141,47 | 186,26 | 185,66 | 188,71 |
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.
Физические свойства
Полная электронная конфигурация атома молибдена: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d55s1
Молибден — это мягкий пластичный блестящий переходный 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[9]. 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
Природный молибден состоит из семи изотопов: 92Мо (15,86 % по массе),94Мо (9,12 %), 95Мо (15,70 %), 96Мо (16,50 %), 97Мо (9,45 %), 98Мо (23,75 %) и 100Мо (9,62 %). Шесть из них стабильны, 100Мо слаборадиоактивен (период полураспада 8,5⋅1018 лет, что в миллиард раз больше возраста Вселенной). Из искусственных изотопов самым стабильным является 93Мо, с периодом полураспада 4 тысячи лет, период полураспада остальных изотопов не превышает 3 суток.
Химические свойства
При комнатной температуре на воздухе молибден устойчив. Начинает окисляться при 400 °C. Выше 600 °C быстро окисляется до триоксида МоО3. Этот оксид получают также окислением дисульфида молибдена MoS2 и термолизом молибдата аммония (NH4)6Mo7O24·4H2O.
Молибден образует оксид молибдена(IV) МоО2 и ряд оксидов, промежуточных между МоО3 и МоО2. Коричневый диоксид молибдена образуется при взаимодействии водяного пара с мелкодисперсным молибденом при температуре красного каления или восстановлении оксида молибдена(VI) водородом при 450 °C. Выше 1000°С диспропорционирует на Mo и МоО3.
Молибден хорошо растворим в горячих концентрированных растворах азотной или серной кислот, а также царской водке. Устойчив в щелочных растворах, но в присутствии окислителя растворяются в расплавах щелочей:
С галогенами Moлибден образует ряд соединений в разных степенях окисления. При взаимодействии порошка молибдена или МоО3 с F2 получают гексафторид молибдена MoF6, бесцветную легкокипящую жидкость. Moлибден (+4 и +5) образует твердые галогениды MoHal4 и MoHal5 (Hal = F, Cl, Br). С иодом известен только дийодид молибдена MoI2. Молибден образует оксигалогениды: MoOF4, MoOCl4, MoO2F2, MoO2Cl2, MoO2Br2, MoOBr3 и другие.
В низких степенях окисления молибден содержит связи металл-металл, то есть является кластером, наиболее известны октаэдрические кластеры молибдена, так хлорид молибдена(II) описывается строением [Mo6Cl8]Cl4, внешние лиганды связаны слабее внутренних, например, при действии на дихлорид молибдена спиртового раствора нитрата серебра осаждается только 1/3 атомов хлора. Также связи металл-металл известны в карбоксилатах, например, ацетат молибдена, Mo2(CH3COO)4 — исходный препарат для синтеза биядерных соединений молибдена.
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. При действии аммиака при 800 °C на молибден образуются жаропрочные и высокотвердые нитриды молибдена MoN и Mo2N. Образует октаэдрический и диамагнитный гексакарбонил молибдена Mo(CO)6. Их получают восстановлением галогенидов в присутствии CO:
Особая группа соединений молибдена — молибденовые сини. При действии восстановителей — сернистого газа, цинковой пыли, алюминия или других на слабокислые (рН=4) суспензии оксида молибдена образуются ярко-синие вещества переменного состава: Мо2О5·Н2О, Мо4О11·Н2О и Мо8О23·8Н2О.
Moлибден образует молибдаты, соли не выделенных в свободном состоянии слабых молибденовых кислот, хН2О· уМоО3 (парамолибдат аммония 3(NH4)2O·7MoO3·zH2O; СаМоО4, Fe2(МоО4)3 — встречаются в природе). Молибдаты металлов I и III групп содержат тетраэдрические группировки [МоО4].
При подкислении водных растворов нормальных молибдатов образуются ионы MoO3OH−, затем ионы полимолибдатов: гепта-, (пара-) Мо7О266−, тетра-(мета-) Мо4О132−, окта- Мо8О264− и другие, по аналогии с поливольфраматами, полиоксотехнетатами и полиоксоренатом. Безводные полимолибдаты синтезируют спеканием МоО3 с оксидами металлов.
Существуют двойные молибдаты, в состав которых входят сразу два катиона, например, М+1М+3(МоО4)2, М+15М+3(МоО4)4. Оксидные соединения, содержащие молибден в низших степенях окисления — молибденовые бронзы, например, красная K0,26MoO3 и синяя К0,28МоО3. Эти соединения обладают металлической проводимостью и полупроводниковыми свойствами.
Получение
Промышленное получение молибдена начинается с обогащения руд флотационным методом. Полученный концентрат обжигают до образования оксида МоО3:
который подвергают дополнительной очистке. Далее МоО3 восстанавливают водородом:
Полученные заготовки обрабатывают давлением (ковка, прокатка, протяжка).
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 (T1/2 = 6,95 ч) и 99Mo (T1/2 = 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[10].
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)[11].
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[12].
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[кем?] 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, молибдат аммония используется в производстве микроудобрений, в частности, под ягодные и бобовые культуры[13].
Влияет на размножение (у растений).
Физиологическое действие
Длительное воздействие аэрозолей молибдена и его триоксида может вызывать хроническое воспаление слизистых оболочек дыхательных путей с последующим поражением бронхов и развитием пневмокониоза. Проявлениями хронического отравления молибденом могут быть увеличение содержания молибдена и мочевой кислоты в сыворотке крови, нарушения функции печени; на более поздних стадиях — полиартралгии, артрозы, гипотония и изменения в составе крови: снижение концентрации гемоглобина, числа эритроцитов и лейкоцитов[14].
См. также
- Спинифекс-Ридж — крупнейшее месторождение молибдена в Австралии.
- Каджаранское медно-молибденовое месторождение — самое крупное месторождение молибдена на территории бывшего СССР.
Примечания
Литература
- Емельянов В. С. и др. Молибден в ядерной энергетике / Емельянов В. С., Евстюхин А. И., Шулепов В. И. и др.; Под ред. чл.-кор. АН СССР В. С. Емельянова и засл. деят. науки и техники РСФСР, проф. А. И. Евстюхина. — М.: Атомиздат, 1977. — 160 с.
- Молибден // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
- Молибден // Популярная библиотека химических элементов / Сост. В. В. Станцо, М. Б. Черненко. — М.: Наука, 1983. — Кн. 1. Водород - палладий. — 575 с.