Плотность молибдена, его физические и механические свойства, соединения, применение

Своим названием металл молибден обязан внешнему сходству дисульфида молибдена со свинцовой рудой - галенитом (греческое название свинца - molybdos).

История открытия элемента

В Средние века в Европе молибденом называли три разных по составу, но почти схожих по цвету и структуре минерала - галенит (Pbs), молибденит (MoS₂) и графит (C). Кстати, минерал "молибденовый блеск" (еще одно название молибденита) использовали в качестве грифеля для карандашей, оставлявших на листе зеленовато-серый след.

Родиной металлического молибдена, 42 элемента периодической системы Менделеева, по праву считается Швеция. В 1758 году химик и минеролог из этой страны, первооткрыватель никеля Аксель Кронстедт предположил, что вышеперечисленные минералы имеют совершенно разную природу. Спустя два десятка лет его земляк химик-фармацевт из Чёпинга Карл Шееле получил молибденовую кислоту в виде белого осадка ("белой земли"), прокипятив молибденит в концентрированной азотной кислоте. Ученый интуитивно понимал, что если прокалить молибденовую кислоту с углем, то можно выделить металл. Не имея подходящей печи, он переслал образцы Петеру Гьельму, который и выделил в 1782 году новый металл с большим количеством примесей карбидов. Коллеги назвали элемент "молибден" (формула в периодической таблице - Mo).

Сравнительно чистый металл был получен только в 1817 году президентом Шведской академии наук Йенсом Берцелиусом.

Характеристика простого вещества

Способ получения оказывает большое влияние на физические свойства молибдена и его внешний вид. Порошковый металл, заготовки и штабики до спекания - темно-серого цвета. Палитра обработанного проката гораздо насыщеннее - от почти черного до светло-серебристого. Плотность молибдена - 10,28 т/м³. Металл плавится при температуре 2623˚С, а при 4639˚С - закипает. Совершенно чистый молибден обладает замечательной ковкостью и пластичностью, что гарантирует легкую прокатку и штамповку. Заготовку диаметром до 12 мм даже в условиях комнатной температуры можно свободно завязать двойным узлом или раскатать до тонкой фольги. Металл обладает хорошей электропроводностью. Присутствие примесей повышает твердость и хрупкость и во многом определяет механические свойства молибдена.

Важнейшие соединения

В составе сложных веществ элемент проявляет различную степень окисления от +2 до высшей (последние соединения наиболее устойчивы), что и определяет химические свойства молибдена. Для этого металла характерны соединения с кислородом и галогенами (MoO₃, MoCl5) и молибдаты (соли молибденовой кислоты). Реакции окисления возможны только при высоких температурах (от 600˚С). Дальнейшее повышение заставит молибден взаимодействовать с углеродом, фосфором, серой. Хорошо растворяется в азотной или нагретой серной кислоте.

Фосфорная, мышьяковая, борная и кремниевая кислоты образуют с молибденом комплексные соединения. Наиболее известна и распространена соль фосформолибдат аммония. Вещества, содержащие молибден, отличаются широкой цветовой палитрой и разнообразными оттенками.

Технология обогащения молибденовых руд

Промышленная выработка абсолютно чистого молибдена была освоена только в XX веке. Химической переработке молибденовой руды предшествует ее обогащение: после измельчения в дробилках и шаровых мельницах основным методом выступает пяти- или шестикратная флотация. В результате достигается высокая концентрация (до 95 %) дисульфида молибдена в сырье.

Следующий и важнейший этап - обжиг. Здесь удаляются нежелательные примеси воды, серы, остатки реагентов флотации и дисульфид молибдена окисляется до триоксида. Дальнейшая очистка возможна несколькими способами, но наибольшей популярностью пользуются следующие:

• аммиачный метод, при котором соединения молибдена полностью растворяются, а примеси удаляются;
• возгонка при температуре от 900 до 1100 ˚С. Результат - концентрация MoO₃ повышается до 90-95 %.

Промышленное производство металлического молибдена

Пропуская через очищенный триоксид молибдена водород (в лабораториях для восстановления нередко применяют углерод или углеродосодержащие газы, алюминий, кремний) получают порошковый металл. Процесс идет в специальных трубчатых печах с постепенным повышением температуры от 500 до 1000 ˚С.

Технологическая цепочка производства компактного металлического молибдена включает в себя:

• Прессование. Процесс протекает в стальных пресс-формах под давлением до 300 МПа. Связующим компонентом выступает спиртовой раствор глицерина. Максимальное сечение заготовок (штабиков) при этом не превышает 16 см², а длина - 600 см. Для более крупных используют резиновые или полимерные формы. Прессование происходит в рабочих камерах, куда под высоким давлением нагнетается жидкость.
• Спекание. Происходит в два этапа. Первый - низкотемпературный, продолжительностью 30-180 минут (в зависимости от размера заготовки), осуществляется в муфельных печах в водородной атмосфере при температуре 1200 ˚С. На втором этапе (сварке) заготовку нагревают до температуры, близкой к точке плавления (2400-2500 ˚С). В результате уменьшается пористость и увеличивается плотность молибдена.

Крупные заготовки весом до 3 тонн спекают в индукционных, электроннолучевых или дуговых печах. Завершается процесс механической обработкой спеченных изделий.

Богатейшие месторождения

Молибден - достаточно редкий элемент в земной коре и во Вселенной в целом. Из двух десятков минералов, существующих в природе, существенное промышленное значение принадлежит пока только молибдениту (MoS₂). Ресурсы его не бесконечны и уже разработаны технологии извлечения металла из повеллитов, молибдатов. В зависимости от минерального состава и формы рудных тел, месторождения разделяют на жильные, прожилково-вкрапленные и скарновые.

Общемировые разведанные запасы элемента составляют 19 млн тонн, причем почти половина приходится на Китай. Крупнейшим месторождением молибдена с 1924 года считается рудник Клаймакс (США, штат Колорадо) со средним содержанием до 0,4 %. Нередко извлечение молибденовых руд ведется попутно с добычей меди и вольфрама.

В России запасы молибдена составляют 360 тыс. тонн. Из 10 разведанных месторождений промышленно освоены только 7:

• Сорское и Агаскырское (Хакассия);
• Бугдаинское и Жирекенское (Восточное Забайкалье);
• Орекитканское (Бурятия);
• Лабаш (Карелия);
• Тырныаузское (Северный Кавказ).

Добыча производится и открытым, и закрытым способом.

Тайна самурайских мечей

На протяжении нескольких столетий европейские оружейники и ученые бились над загадкой остроты и прочности древних японских мечей начала второго тысячелетия, безуспешно пытаясь изготовить такое же качественное холодное оружие. Только в конце XΙX века, обнаружив в японской стали примеси молибдена, удалось разрешить эту загадку.

Впервые промышленное применение молибдена в качестве легирующей добавки для улучшения качества стали (придания ей твердости и вязкости) освоила в 1891 году компания Schneider & Co из Франции.

Существенным стимулом для развития молибденовой металлургии послужила Первая мировая война. Показательно, что толщину лобовой брони англо-французских танков, запросто пробиваемую немецкими снарядами такого же калибра, удалось уменьшить с 75 мм до 25 мм, добавив в сталь броневых листов 1,5-2 % молибдена. При этом значительно повысилась прочность машины.

Применение молибдена

Более 80 % всего используемого в промышленности молибдена приходится на черную металлургию. Без него немыслимо производство жаростойкого чугуна, конструкционных и инструментальных сталей. Одна весовая часть элемента улучшает качество стали эквивалентно двум весовым частям вольфрама. Так как плотность молибдена в два раза меньше, его сплавы значительно превосходят по качеству вольфрамовые при эксплуатационных температурах ниже 1370 ˚С. Молибденовые стали лучше поддаются цементации.

Молибден востребован в радиоэлектронной, химической и лакокрасочной отраслях. В машиностроении используется как жаропрочный материал. В сельском хозяйстве слабые растворы соединений элемента значительно улучшают усвояемость растениями питательных веществ. Следует учитывать, что в больших дозах молибден оказывает токсическое воздействие на живые и растительные организмы, негативно влияет на окружающую среду.

Биологическое значение

В рационе питания человека и животных молибден - один из важнейших микроэлементов. В виде активной биологической формы - молибденовом коферменте - (Moco) он необходим для осуществления в живых тканях катаболических процессов.

Очень перспективными выглядят исследования в области антираковой активности молибдена. Высокий процент заболеваемости раком пищеварительного тракта среди населения местечка Лин Ксиан (провинция Хонан, КНР) удалось значительно снизить после внесения в почву минеральных удобрений с содержанием молибдена.

В редких случаях дефицита элемента в человеческом организме возможно развитие дезориентации в пространстве, пороков мозга, умственных отклонений и прочих тяжелых нервных заболеваний. Суточная доза молибдена для взрослого человека составляет от 100 до 300 мкг. При увеличении ее до 5-15 мг неизбежно токсическое отравление, до 50 мг - летальный исход. Наиболее богаты молибденом листовые овощи, зерновые, бобовые и ягодные (черная смородина, крыжовник) культуры, молочная продукция, яйца, печень и почки животных.

Экологические аспекты

Биологические характеристики молибдена предъявляют повышенные требования к утилизации отходов переработки рудного материала, строгому соблюдению технологического процесса на предприятиях для предотвращения негативного влияния на здоровье работающего персонала и природу.

Следует предусмотреть все меры, исключающие попадание продуктов переработки в грунтовые воды. Необходимо учитывать, что растения обладают свойством усваивать и накапливать молибден, поэтому его содержание в побегах и листьях может превышать допустимые концентрации. Эта зеленая масса может быть опасна для животных. Для предотвращения распространения ветрами использованной породы отвалы укрывают слоем земли.

Тенденции мирового рынка молибдена

С началом глобального мирового финансового кризиса общемировое потребление молибдена снизилось на 9 %. Исключение составил Китай, где наблюдается рост до 5 %. Реакцией на резкое снижение потребительского спроса в 2009 году стало снижение объемов производства. К прежнему уровню выпуска удалось приблизиться лишь через четыре года, а в 2014 году установить новый максимум в 245 тыс. тонн. Основным потребителем и производителем молибдена и его продуктов по-прежнему остается Китай.

Плотность молибдена и его удивительные свойства сделали его незаменимым для стали и сплавов в конструкциях, где требуется сочетание небольшого веса, высокой прочности и коррозийной стойкости материалов. Прогнозируемый рост числа атомных электростанций, других энергетических и промышленных объектов, разработка новых месторождений нефти и газа в суровых условиях Крайнего Севера и Заполярья неизбежно приведут к росту спроса на молибден и его производные.