Молибден

Молибден — это химический элемент 6-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы шестой группы) пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 42. Обозначается символом Mo (от лат. Molybdaenum). Простое вещество молибден — это тугоплавкий переходный металл серебристо-серого цвета, обладающий высокой прочностью, твёрдостью и коррозионной стойкостью. Молибден широко используется в металлургии для производства легированных сталей, в электротехнике, а также входит в состав микроудобрений и ферментов живых организмов.

История открытия и происхождение названия

В древности минералы, содержащие молибден (например, молибденит), часто путали с графитом и свинцовым блеском (галенитом). Само название происходит от древнегреческого слова «μόλυβδος» (molybdos), что означает «свинец». Вплоть до XVIII века молибденовый блеск (MoS₂) считали разновидностью свинцовой руды, так как он оставлял на бумаге похожий серый след.

В 1778 году шведский химик Карл Вильгельм Шееле, обработав молибденит азотной кислотой, получил белый порошок — оксид молибдена(VI). Он предположил, что это оксид неизвестного металла. В 1781 году Шееле выделил из этого оксида металлический молибден, прокаливая его с углём, но полученный продукт был загрязнён углеродом и карбидами. Чистый металлический молибден впервые получил в 1817 году шведский химик Йенс Якоб Берцелиус, восстановив оксид молибдена водородом.

Промышленное производство молибдена началось в конце XIX века, когда были разработаны методы легирования стали и открыты его уникальные свойства для повышения прочности при высоких температурах. Первое крупное месторождение молибдена в России было открыто в 1920-х годах в Забайкалье.

Физические и химические свойства

Физические свойства

Молибден — тугоплавкий металл. Его основные физические характеристики:

• Атомная масса: 95,94 а. е. м.
• Температура плавления: 2623 °C (2896 K).
• Температура кипения: 4639 °C (4912 K).
• Плотность: 10,28 г/см³ (при 20 °C).
• Твёрдость по Моосу: 5,5.
• Кристаллическая решётка: объёмно-центрированная кубическая (ОЦК).
• Электропроводность: высокая, около 30% от электропроводности меди.
• Теплопроводность: 138 Вт/(м·К) (при 20 °C).

Металл обладает высокой пластичностью, хорошо поддаётся ковке, прокатке и волочению, особенно в чистом виде. Примеси углерода, кислорода и азота резко снижают его пластичность и делают хрупким.

Химические свойства

При комнатной температуре молибден стоек к воздействию воздуха, воды и многих кислот. Он покрывается тонкой защитной плёнкой оксида. При нагревании выше 600 °C на воздухе активно окисляется до триоксида молибдена (MoO₃) — белого кристаллического порошка, возгоняющегося при температуре около 700 °C.

Молибден реагирует с галогенами (фтором, хлором, бромом) при нагревании, образуя галогениды. С серой при высокой температуре образует дисульфид молибдена (MoS₂). С углеродом, кремнием и бором — карбиды, силициды и бориды, обладающие высокой твёрдостью и тугоплавкостью.

Молибден растворяется в горячей концентрированной серной и азотной кислотах, а также в царской водке. Устойчив к действию соляной и плавиковой кислот, а также к щелочам (кроме расплавов).

Нахождение в природе и месторождения

Содержание молибдена в земной коре составляет около 1,1·10⁻⁴ % по массе. В свободном виде в природе не встречается. Основные минералы:

• Молибденит (MoS₂) — главный промышленный минерал, имеющий вид серых чешуек с металлическим блеском.
• Вульфенит (PbMoO₄) — жёлтый или оранжевый минерал, встречается в зонах окисления.
• Повеллит (CaMoO₄) — белый или желтоватый минерал.

Крупнейшие месторождения молибдена расположены в США (штат Колорадо, шахта «Клаймакс»), Чили, Китае, Перу и Канаде. В России основные запасы сосредоточены в Забайкальском крае (Жирекенское месторождение), Бурятии (Орекитканское), Хакасии (Сорское) и на Кавказе (Тырныаузское). Молибден часто встречается в виде примеси в медных и вольфрамовых рудах, поэтому его извлекают попутно при переработке этих руд.

Получение

Промышленное получение молибдена включает несколько этапов:

1. Обогащение руды. Молибденовую руду дробят, измельчают и обогащают методом флотации, получая концентрат с содержанием MoS₂ до 90–95 %.
2. Обжиг. Концентрат обжигают в печах при температуре 500–600 °C в токе воздуха. Дисульфид молибдена окисляется до триоксида молибдена (MoO₃), который возгоняется и улавливается в виде белого порошка.
3. Очистка. Технический MoO₃ очищают от примесей (меди, железа, вольфрама) методом химического растворения, экстракции или ионного обмена.
4. Восстановление. Чистый MoO₃ восстанавливают водородом в две стадии:

• Первая стадия (600–700 °C): MoO₃ → MoO₂ (диоксид молибдена).
• Вторая стадия (1000–1100 °C): MoO₂ → Mo (металлический порошок).

1. Компактирование. Металлический порошок прессуют в заготовки и спекают в вакууме при 1800–2000 °C. Для получения компактных изделий (прутков, листов, проволоки) применяют методы порошковой металлургии или дуговой плавки.

Применение

Металлургия

Основное применение молибдена (около 80% мирового потребления) — производство легированных сталей и сплавов. Молибден:

• Повышает прочность, твёрдость и ударную вязкость стали.
• Увеличивает прокаливаемость (глубину закалки).
• Повышает жаропрочность (способность сохранять механические свойства при высоких температурах).
• Улучшает коррозионную стойкость, особенно в кислых средах.
• Снижает склонность к отпускной хрупкости.

Молибденовые стали используются для изготовления:

• Инструментов (свёрла, фрезы, штампы, пресс-формы) — так называемые быстрорежущие стали (например, Р6М5).
• Деталей двигателей внутреннего сгорания (поршневые кольца, клапаны).
• Трубопроводов и арматуры для химической и нефтегазовой промышленности.
• Элементов конструкций, работающих при высоких температурах (лопатки турбин, сопла ракет).

Электротехника и электроника

Благодаря высокой температуре плавления и низкому коэффициенту теплового расширения, молибден применяется в:

• Производстве нитей накаливания для ламп (в виде сплавов с вольфрамом).
• Изготовлении электродов для вакуумных приборов и рентгеновских трубок.
• Производстве нагревательных элементов для высокотемпературных печей (до 1600 °C).
• Создании контактов и держателей в полупроводниковых приборах.

Смазочные материалы

Дисульфид молибдена (MoS₂) — эффективный твёрдый смазочный материал, работающий в условиях высоких температур (до 400 °C) и вакуума. Он используется в виде порошка, добавляется в пластичные смазки и масла, а также наносится в виде покрытий на трущиеся детали (например, в подшипниках, направляющих, поршневых кольцах).

Химическая промышленность

Молибден и его соединения применяются:

• В качестве катализаторов в процессах нефтепереработки (гидроочистка, гидрокрекинг) и синтеза органических соединений.
• В производстве пигментов (молибдаты свинца, кадмия) для окрашивания пластмасс, керамики и красок.
• В производстве стекла (молибденовые электроды для плавки стекла).

Биологическая роль

Молибден является микроэлементом, необходимым для жизнедеятельности растений, животных и человека. Он входит в состав ферментов (например, ксантиноксидазы, сульфитоксидазы), участвующих в обмене азота, пуринов и серы. Недостаток молибдена у растений приводит к нарушению азотного обмена и хлорозу. У человека дефицит молибдена встречается редко, но может вызывать нарушения обмена серосодержащих аминокислот. Избыток молибдена токсичен.

Интересные факты

• Молибден — один из немногих металлов, который сохраняет высокую прочность при температуре до 1000 °C, что делает его незаменимым в авиа- и ракетостроении.
• Сплав молибдена с рением (Mo-Re) обладает сверхпроводимостью при температуре около 10 K.
• В 2012 году были открыты нанотрубки из дисульфида молибдена, которые по прочности и электронным свойствам могут конкурировать с углеродными нанотрубками.
• Молибден-99 — радиоактивный изотоп, используемый в ядерной медицине для производства технеция-99m, применяемого в диагностической визуализации (сцинтиграфии).

Источники

1. Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1992. — Т. 3 (Мед-Пол).
2. Популярная библиотека химических элементов. Книга вторая. Серебро — нильсборий и далее. — М.: Наука, 1983.
3. Свойства элементов: Справочник / Под ред. М. Е. Дрица. — М.: Металлургия, 1985.
4. Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов: в 2 т. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
5. Государственный доклад о состоянии и использовании минерально-сырьевых ресурсов Российской Федерации (за соответствующие годы).