モリブデンとは何ですか?
モリブデン(記号Mo)は周期表の元素42で、5周期、6族の遷移金属です。 耐火性材料の主力です。モリブデンは、ほかのほとんどすべての物質を軟化させる温度でも強度を保ちます。 室温では固体です。
構造
リング上の点の図ではありません — 占有されている各副殻の実際の確率密度|ψ|²をモンテカルロ法でサンプリングしたものです。ドラッグして回転できます。青と紫は波動関数の反対の符号を示しており、それによって結合が可能になります。
測定値
各バーは、その性質についてモリブデンが118元素全体の中でどの位置にあるかを示しています。
出典:IUPAC 2021標準原子量・CRC化学・物理学ハンドブック・NIST。~が付いた値は測定値ではなく予測値です。
大きさ、実寸比
半径139 pmです。これは0.139 nmなので、約3.6百万個を横に並べると1ミリメートルになります。
熱範囲
モリブデンは、2896 Kから4912 Kまでの2016 Kの範囲で液体です。
物語
耐火性材料の主力です。モリブデンは、ほかのほとんどすべての物質を軟化させる温度でも強度を保ちます。
モリブデンの発見の物語は、中世の鉱夫が「モリブデナ」と呼んだ謎の黒い鉱物をめぐる、何世紀にもわたる混乱から始まります。この軟らかく黒鉛に似た物質はヨーロッパ各地の鉛鉱山で見つかりましたが、それが実際には何であるかを理解している人はいませんでした。
1,000年以上にわたり、鉱夫や冶金学者は輝水鉛鉱(MoS2)を黒鉛や方鉛鉱(硫化鉛)と混同していました。3つの鉱物はすべて、暗色で軟らかく金属光沢があるという似た外観を示すため、誤同定が長く続きました。「モリブデナ」という名前は鉛を意味するギリシャ語の「molybdos」に由来し、この長年の混乱を反映しています。
塩素と酸素の発見ですでに有名だったスウェーデンの化学者Carl Wilhelm Scheeleは、1778年にモリブデナの謎に取り組みました。スウェーデンのKöpingにある自分の薬局のラボで研究していたScheeleは、モリブデナが単なる鉛や黒鉛の一形態ではないと考えました。
Scheeleはモリブデナを硝酸とともに加熱し、驚くべき現象を観察しました。鉛や黒鉛のように振る舞う代わりに、その鉱物は白色の酸性粉末を生じたのです。さらに実験を重ねると、この粉末には既知の物質とは異なる独特の性質があることがわかりました。
綿密な化学分析によって、Scheeleはモリブデナに未知の金属の新しい「土」(酸化物)が含まれていることを証明しました。彼はこの白色粉末を「acidum molybdenae」と名付け、それが新しい元素を含むと正しく予測しましたが、18世紀の技術では純粋な金属を単離できませんでした。
3年後、Scheeleの同僚Peter Jacob Hjelmは、初めて金属モリブデンを単離することに成功しました。HjelmはScheeleのacidum molybdenaeを密閉るつぼの中で木炭とともに加熱し、炭素を使って酸化物を還元し、小さな金属粒を作りました。
Hjelmが得た最初のモリブデン試料は、現代の基準では純粋とはほど遠いものでしたが、確かに金属であり、既知のどの金属とも異なる性質をもっていました。その試料は硬く、融点が高く、酸に対して著しい耐性を示しました。これらは後にモリブデンを産業用途で非常に価値あるものにする性質でした。
発見後1世紀以上にわたり、モリブデンは実用的な用途のないラボの珍しい物質にとどまっていました。モリブデンは融点が極めて高く(2,623°C)、19世紀の技術ではほとんど加工できなかったためです。
モリブデンの産業上の突破口は第一次世界大戦中に訪れました。冶金学者が、鋼に少量を加えると強度と靭性が大幅に向上することを発見したのです。ドイツの砲兵製造業者は秘密裏にモリブデン鋼を砲身に使用し、大きな軍事的優位を得ました。
20世紀初頭に電気アーク炉と粉末冶金技術が発展し、ようやく高純度モリブデンの製造が可能になりました。1930年代までには、モリブデンは電球のフィラメントからロケットノズルまで、高温用途に不可欠なものとなりました。
Scheeleの綿密な化学分析とHjelmによる単離の成功は、体系的な元素発見における化学初期の偉業の一つです。彼らの研究は、新元素の同定と単離の方法を確立し、その後何世代にもわたって化学研究に影響を与えました。
用途
モリブデンは究極の鋼強化元素であり、普通鋼を極限条件に耐えられる高性能合金へと変えます。世界のモリブデン生産量の80%以上は鉄鋼製造に使われ、わずか0.1~0.5%の添加でも強度、硬度、耐食性が大幅に向上します。
モリブデンを5~10%含む高速度鋼工具は、従来の鋼工具なら溶けてしまう速度で金属を切削できます。これらの「超鋼」は600°Cを超える温度でも切れ味を維持し、自動車生産から精密加工まで製造業に革新をもたらしました。
世界のエネルギー産業は、最も困難な作業にモリブデンを利用しています。石油精製所では二硫化モリブデン触媒を使って原油から硫黄を除去し、現代の交通機関を動かす、燃焼時にクリーンな燃料を製造しています。
水深3,000mを超える海域で稼働する海上掘削プラットフォームは、モリブデン強化ドリルパイプとケーシングに依存しています。これらの部品は、海洋の圧壊するような水圧、腐食性の海水、海底から数マイル下の岩層を掘削する際の機械的応力に耐えなければなりません。
軍用航空機のエンジンには、融点の85%にあたる温度で作動しながら15,000 RPMで回転するモリブデン超合金が使われています。F-35 Lightning II戦闘機は、これまでに製造された中で最も強力な戦闘機エンジンであるPratt & Whitney F135エンジンにモリブデン部品を使用しています。
NASAの火星探査車は、-80°Cの火星の冬を生き延びるためにモリブデン製の熱シールドと構造部品を使用しています。James Webb Space Telescopeの鏡はモリブデンでコーティングされ、宇宙で最も遠い銀河からの赤外線を反射します。
モリブデンは、原子炉部品から医療用同位体の製造まで、原子力発電で重要な役割を果たしています。モリブデンは融点が高く(2,623°C)、中性子の吸収が少ないため、原子力用途に適しています。
モリブデン99はテクネチウム99mの親同位体であり、世界の核医学処置の85%で使われています。年間4,000万件を超える医療スキャンが、がんの検出、心臓画像診断、骨スキャンに用いられるモリブデン由来の同位体に依存しています。
モリブデンは、植物の根に生息する窒素固定細菌にとって不可欠な微量栄養素です。モリブデン系肥料は、マメ科作物が大気中の窒素を植物が利用できる化合物へ変換するのを可能にし、合成窒素肥料の必要量を減らして持続可能な農業を支えます。
あなたの車には、決して目にすることはなくても、多くの重要部品にモリブデンが含まれています。エンジンブロック、トランスミッションギア、排気システムはいずれも、モリブデンの強化特性の恩恵を受けています。高性能車では、極端な高温下での変形に耐えるモリブデン強化ブレーキローターが使われています。
専門の作業場や工場では、重作業用途のためにモリブデン強化工具を利用しています。モリブデンを含む切削工具、ドリルビット、鋸刃は、従来の代替品より長く切れ味を保ち、より速く作業できます。
二硫化モリブデン(MoS2)は自然界で最も滑りやすい固体であり、従来の油が機能しない数多くの用途で使われています。この「モリブデン」潤滑剤は-180°Cから+400°Cの温度で機能するため、極限環境用途に不可欠です。
世界中の病院にあるモリブデン99ジェネレーターは、医療画像診断用のテクネチウム99mを製造しています。これらの「テクネチウム牛」は、最も広く使われている医療用放射性同位体を安定供給し、毎年数百万件の診断処置を可能にしています。
現代の超高層ビル、橋、工業施設には、優れた強度と耐久性を得るためにモリブデン鋼が組み込まれています。シカゴのWillis Tower(旧Sears Tower)では、同じ重量で従来の鋼より25%強いモリブデン鋼の梁が使われています。
起源
地殻に1.2 mg/kg存在し、51%の元素より存在度が高い
モリブデンは地球の元素の存在度で54番目に位置し、地殻中の平均濃度は100万分の1.2です。比較的希少であるにもかかわらず、モリブデン鉱床はすべての大陸で見つかり、銅鉱石やタングステン鉱石に伴って産出することが多いです。
中国が世界の生産をリードしており、世界生産量の約40%を占め、続いてチリ(20%)、米国(15%)となっています。コロラド州のClimax鉱山は歴史的に世界最大のモリブデン生産鉱山で、1918年から1987年まで操業していました。
商業用モリブデンの大部分は、金属光沢をもつ軟らかく暗灰色の鉱物、輝水鉛鉱(MoS2)から得られます。輝水鉛鉱の鉱床は、モリブデンに富む流体が地殻深部の硫黄を含む岩石と相互作用する高温環境で形成されます。
モリブデンの大部分は、大規模な斑岩鉱床での銅採掘の副産物として回収されます。これらの巨大な地質形成体には、岩石全体に銅鉱物とモリブデン鉱物が分散して含まれており、大規模な露天掘りが必要です。
モリブデン鉱床は、地球の地殻深部で起こる複雑な熱水過程によって形成されます。花崗岩質マグマが地下でゆっくり冷えると、金属に富む流体を放出し、その流体が上昇して割れ目や接触帯にモリブデン鉱物を沈殿させます。
一部のモリブデン鉱床は、高温の花崗岩貫入岩体が石灰岩などの炭酸塩岩に接触したときに形成されます。熱と化学的相互作用によってスカルンと呼ばれる独特の変成岩が形成され、そこには高濃度のモリブデン鉱物が含まれることがあります。
地球の海洋には約100億トンの溶存モリブデンが含まれており、濃度は10 ppbです。商業的な抽出には薄すぎますが、この海洋貯蔵庫は地球上で最大のモリブデン蓄積量を占めています。
黒色頁岩として知られる有機物に富む古代の海洋堆積物には、モリブデン濃度が高いことがよくあります。世界各地で見られるこれらの地層は、古代の海洋化学の地質学的記録であると同時に、将来のモリブデン資源となる可能性があります。
モリブデンは、遅い中性子捕獲過程によって大質量星の中心部で形成されます。これらの星が超新星として爆発すると、モリブデンが銀河全体にまき散らされます。太陽系のモリブデン蓄積量は、数十億年にわたる複数世代の恒星爆発から受け継がれたものです。
隕石の同位体分析から、地球のモリブデンは少なくとも2つの異なる恒星資源に由来することが明らかになっています。これは、初期太陽系の形成と、地球の組成を形作った宇宙現象についての手がかりを与えます。
取り扱い
一部の遷移金属とは異なり、モリブデンは適切な取り扱い手順を必要とする中程度の健康リスクをもたらします。急性毒性はありませんが、モリブデン化合物への慢性的な曝露は、特に呼吸器系や関節に健康問題を引き起こす可能性があります。
粉じん吸入のリスク:モリブデン粉じんに長期間さらされると、珪肺に似た肺疾患である「モリブデン肺じん症」を引き起こす可能性があります。モリブデン処理施設の作業員は、適切な呼吸用保護具を使用し、定期的な健康 monitoringを受けなければなりません。
可燃性:モリブデン粉末は、特に微細な状態では空気中で発火する可能性があります。モリブデンが燃焼すると有毒な三酸化モリブデンの煙が発生するため、直ちに避難と換気が必要です。
環境毒性:土壌中のモリブデン濃度が高いと、放牧動物に銅欠乏を引き起こし、牛や羊に「モリブデン中毒」と呼ばれる状態を生じさせる可能性があります。採掘事業では、土壌と水のモリブデン汚染を監視しなければなりません。
飲料水基準:EPAの最大汚染物質濃度は40 ppbです。採掘現場付近の地下水に含まれる天然のモリブデン濃度は、定期的に監視する必要があります。
簡単な回答
モリブデン(記号Mo)は周期表の元素42で、5周期、6族の遷移金属です。 耐火性材料の主力です。モリブデンは、ほかのほとんどすべての物質を軟化させる温度でも強度を保ちます。 室温では固体です。
[Kr] 4d⁵ 5s¹で、2, 8, 18, 13, 1という分布の電子殻が5個あります。モリブデンの融点は2896 K(2622.9 °C)、沸点は4912 K(4638.9 °C)です。 そのため、最も融点の高い元素の一つに分類されます。ほとんどの金属が気化する温度でも固体のままです。
モリブデンの標準原子量は95.95 uです。これは天然に存在する同位体の加重平均であるため、整数になることはほとんどありません。
モリブデンの密度は10.28 g/cm³です。水は1.0 g/cm³なので、モリブデンの塊は約10.3倍重いです。
モリブデンのポーリング電気陰性度は2.16です。この尺度は、電子を最も引きつけにくいフランシウムの0.70から、最も引きつけやすいフッ素の3.98までです。 この中間の範囲の値では、強いイオン結合よりも共有結合を形成する傾向があります。
モリブデンは1781年にPeter Jacob Hjelmによって発見されました。 ギリシャ語のmolybdos、「鉛」にちなんで名付けられました。
地球の地殻におけるモリブデンの割合は約1.2 mg/kgで、珍しいものの希少ではありません。