Mo · Элемент 42 · Переходный металл
Тугоплавкая рабочая лошадка: молибден сохраняет прочность при температурах, размягчающих почти всё остальное.
Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение молибден среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 139 pm — это 0,139 нм, поэтому около 3,6 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Молибден находится в жидком состоянии в диапазоне 2016 K — от 2896 K до 4912 K.
Положение
История
Тугоплавкая рабочая лошадка: молибден сохраняет прочность при температурах, размягчающих почти всё остальное.
История открытия молибдена начинается с многовековой путаницы вокруг таинственного чёрного минерала, который средневековые шахтёры называли «molybdena». Это мягкое, похожее на графит вещество находили в свинцовых рудниках по всей Европе, но никто не понимал, чем оно было на самом деле.
Более 1,000 лет шахтёры и металлурги путали молибденит (MoS2) с графитом и галенитом (сульфидом свинца). Все три минерала выглядят похожими — тёмные, мягкие и с металлическим блеском, — что приводило к постоянной неверной идентификации. Название «molybdena» происходит от греческого слова «molybdos», означающего «свинец», что отражает эту давнюю путаницу.
Шведский химик Carl Wilhelm Scheele, уже известный открытием хлора и кислорода, занялся загадкой молибдены в 1778 году. Работая в своей аптечной лаборатории в Köping, Sweden, Scheele предположил, что молибдена не является просто формой свинца или графита.
Scheele нагревал молибдену с азотной кислотой и заметил нечто удивительное: вместо свойств, характерных для свинца или графита, минерал образовывал белый кислый порошок. Дальнейшие эксперименты показали, что этот порошок обладал уникальными свойствами, не свойственными ни одному известному веществу.
С помощью тщательного химического анализа Scheele доказал, что молибдена содержит новую «землю» (оксид) неизвестного металла. Он назвал этот белый порошок «acidum molybdenae» и правильно предсказал, что он содержит новый элемент, хотя не смог выделить чистый металл с помощью технологий XVIII века.
Три года спустя коллега Scheele Peter Jacob Hjelm успешно выделил первый металлический молибден. Hjelm нагревал acidum molybdenae Scheele с древесным углём в закрытом тигле, используя углерод для восстановления оксида и получения небольших металлических гранул.
Исходный образец молибдена Hjelm был далёк от чистоты по современным стандартам, но он определённо был металлическим и обладал свойствами, нехарактерными для любого известного металла. Образец был твёрдым, имел высокую температуру плавления и отличался замечательной устойчивостью к кислотам — свойствами, которые позднее сделали молибден незаменимым в промышленности.
В течение более века после открытия молибден оставался лабораторной диковинкой без практического применения. Чрезвычайно высокая температура плавления металла (2,623°C) делала его практически невозможным для обработки с использованием технологий XIX века.
Промышленный прорыв молибдена произошёл во время Первой мировой войны, когда металлурги обнаружили, что небольшие добавки к стали значительно повышают её прочность и вязкость. Немецкие производители артиллерии тайно использовали молибденовую сталь для стволов орудий, получив значительное военное преимущество.
Развитие электродуговых печей и методов порошковой металлургии в начале XX века наконец позволило производить высокочистый молибден. К 1930-м годам молибден стал необходим для высокотемпературных применений — от нитей накаливания до сопел ракет.
Тщательный химический анализ Scheele и успешное выделение элемента Hjelm стали одним из первых триумфов химии в систематическом открытии элементов. Их работа заложила методы идентификации и выделения новых элементов, которые влияли на химические исследования последующих поколений.
Применение
Молибден — незаменимая добавка к стали, превращающая обычную сталь в высокоэффективные сплавы, способные выдерживать экстремальные условия. Более 80% мирового производства молибдена используется в изготовлении стали, где даже небольшие количества (0.1-0.5%) значительно повышают прочность, твёрдость и коррозионную стойкость.
Инструменты из быстрорежущей стали, содержащие 5-10% молибдена, могут резать металл на скоростях, при которых обычные стальные инструменты расплавились бы. Эти «сверхпрочные стали» сохраняют режущую кромку при температурах выше 600°C, преобразуя производство — от автомобилестроения до прецизионной обработки.
Мировая энергетическая отрасль зависит от молибдена в самых сложных операциях. Нефтеперерабатывающие заводы используют катализаторы на основе дисульфида молибдена для удаления серы из сырой нефти, производя чисто сгорающее топливо для современного транспорта.
Морские буровые платформы, работающие на глубинах более 3,000 метров, используют бурильные трубы и обсадные колонны, усиленные молибденом. Эти компоненты должны выдерживать сокрушающее давление океана, коррозионное воздействие солёной воды и механические нагрузки при бурении горных пород на многие мили ниже морского дна.
Двигатели военных самолётов содержат суперсплавы молибдена, работающие при 85% температуры плавления и вращающиеся со скоростью 15,000 об/мин. Истребитель F-35 Lightning II использует молибденовые компоненты в двигателе Pratt & Whitney F135 — самом мощном из когда-либо созданных двигателей для истребителей.
Марсоходы NASA используют молибденовые теплозащитные экраны и конструкционные компоненты, чтобы пережить марсианские зимы с температурой -80°C. Зеркала космического телескопа James Webb покрыты молибденом для отражения инфракрасного света от самых далёких галактик Вселенной.
Молибден играет важную роль в производстве ядерной энергии — от компонентов реакторов до производства медицинских изотопов. Высокая температура плавления металла (2,623°C) и низкое поглощение нейтронов делают его идеальным для ядерных применений.
Молибден-99 является родительским изотопом технеция-99m, используемого в 85% процедур ядерной медицины во всём мире. Более 40 миллионов медицинских сканирований ежегодно зависят от изотопов, полученных из молибдена, для выявления рака, визуализации сердца и исследования костей.
Молибден — важный микроэлемент для азотфиксирующих бактерий в корнях растений. Удобрения на основе молибдена позволяют бобовым культурам превращать атмосферный азот в соединения, доступные растениям, снижая потребность в синтетических азотных удобрениях и поддерживая устойчивое сельское хозяйство.
Ваш автомобиль содержит молибден во множестве важных компонентов, хотя вы никогда его не увидите. Блоки двигателя, шестерни трансмиссии и выхлопные системы получают преимущества от упрочняющих свойств молибдена. В высокопроизводительных автомобилях используются усиленные молибденом тормозные диски, устойчивые к деформации при экстремальном нагреве.
Профессиональные мастерские и заводы используют инструменты с добавлением молибдена для тяжёлых работ. Режущие инструменты, свёрла и пильные полотна, содержащие молибден, дольше сохраняют остроту и работают быстрее обычных аналогов.
Дисульфид молибдена (MoS2) — самое скользкое твёрдое вещество в природе, используемое во множестве случаев, когда обычные масла не справляются. Эта «молибденовая» смазка работает при температурах от -180°C до +400°C, что делает её незаменимой в экстремальных условиях.
Генераторы молибдена-99 в больницах по всему миру производят технеций-99m для медицинской визуализации. Эти «технециевые коровы» обеспечивают стабильные поставки наиболее широко используемого медицинского радиоизотопа, позволяя ежегодно проводить миллионы диагностических процедур.
Современные небоскрёбы, мосты и промышленные объекты используют молибденовую сталь, отличающуюся высокой прочностью и долговечностью. В Willis Tower (бывшая Sears Tower) в Чикаго применяются балки из молибденовой стали, которые на 25% прочнее обычных стальных балок при том же весе.
Откуда он происходит
1,2 мг/кг земной коры · более распространён, чем 51% элементов
Молибден занимает 54-е место по распространённости среди элементов Земли; его средняя концентрация в земной коре составляет 1.2 части на миллион. Несмотря на относительную редкость, месторождения молибдена встречаются на всех континентах и часто связаны с рудами меди и вольфрама.
Китай лидирует в мировом производстве с примерно 40% мирового объёма, за ним следуют Чили (20%) и США (15%). Рудник Climax в Колорадо исторически был крупнейшим в мире производителем молибдена; он работал с 1918 по 1987 год.
Большая часть промышленного молибдена получается из молибденита (MoS2) — мягкого тёмно-серого минерала с металлическим блеском. Месторождения молибденита формируются в высокотемпературных условиях, где обогащённые молибденом флюиды взаимодействуют с серосодержащими породами глубоко в земной коре.
Большая часть молибдена извлекается как побочный продукт добычи меди из крупных порфировых месторождений. Эти массивные геологические образования содержат минералы меди и молибдена, рассеянные по всей породе, что требует масштабной открытой разработки.
Месторождения молибдена формируются в результате сложных гидротермальных процессов, происходящих глубоко в земной коре. Когда гранитная магма медленно остывает под землёй, она выделяет богатые металлами флюиды, которые поднимаются вверх и откладывают минералы молибдена в трещинах и контактных зонах.
Некоторые месторождения молибдена образуются, когда горячие гранитные интрузии соприкасаются с известняком или другими карбонатными породами. Тепло и химическое взаимодействие создают уникальные метаморфические породы, называемые скарнами, которые могут содержать высокие концентрации минералов молибдена.
В океанах Земли содержится примерно 10 миллиардов тонн растворённого молибдена, его концентрация составляет 10 частей на миллиард. Хотя этот ресурс слишком разбавлен для промышленного извлечения, он представляет собой крупнейший запас молибдена на нашей планете.
Древние океанические осадки, богатые органическим веществом и известные как чёрные сланцы, часто содержат повышенные концентрации молибдена. Эти образования, встречающиеся по всему миру, служат геологическими архивами химического состава древних океанов и потенциальными источниками молибдена в будущем.
Молибден образуется в ядрах массивных звёзд в результате процессов медленного захвата нейтронов. Когда эти звёзды взрываются как сверхновые, они рассеивают молибден по галактике. Запас молибдена в нашей Солнечной системе был унаследован от нескольких поколений звёздных взрывов, происходивших в течение миллиардов лет.
Изотопный анализ метеоритов показывает, что земной молибден происходит как минимум из двух различных звёздных источников, раскрывая сведения о формировании ранней Солнечной системы и космических событиях, определивших состав нашей планеты.
Обращение
В отличие от некоторых переходных металлов, молибден представляет умеренный риск для здоровья и требует соблюдения правил обращения. Хотя он не обладает острой токсичностью, хроническое воздействие соединений молибдена может вызывать проблемы со здоровьем, особенно поражая дыхательную систему и суставы.
Риски вдыхания пыли: Длительное воздействие молибденовой пыли может вызвать «молибденовый пневмокониоз» — заболевание лёгких, похожее на силикоз. Работники предприятий по переработке молибдена должны использовать надлежащую защиту органов дыхания и регулярно проходить медицинский контроль.
Горючесть: Молибденовый порошок может воспламеняться на воздухе, особенно в мелкодисперсном состоянии. При горении молибдена образуются токсичные пары триоксида молибдена, требующие немедленной эвакуации и вентиляции.
Экологическая токсичность: Высокие концентрации молибдена в почве могут вызвать дефицит меди у пасущихся животных, приводя к заболеванию крупного рогатого скота и овец, называемому «молибденозом». При добыче необходимо контролировать загрязнение почвы и воды молибденом.
Нормы для питьевой воды: Максимально допустимый уровень загрязнителя по EPA составляет 40 частей на миллиард. Природные концентрации молибдена в грунтовых водах рядом с местами добычи следует регулярно контролировать.
Краткие ответы
Молибден (символ Mo) — элемент 42 в периодической таблице, представитель семейства Переходный металл в 5 периоде, 6 группе. Тугоплавкая рабочая лошадка: молибден сохраняет прочность при температурах, размягчающих почти всё остальное. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Kr] 4d⁵ 5s¹; она включает 5 занятых электронных оболочек с распределением 2, 8, 18, 13, 1.Молибден плавится при 2896 K (2622.9 °C) и кипит при 4912 K (4638.9 °C). Это относит его к самым тугоплавким элементам — он остаётся твёрдым при температурах, при которых большинство металлов испаряется.
Стандартная атомная масса Молибден составляет 95.95 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Молибден составляет 10.28 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Молибден примерно в 10.3× тяжелее.
Электроотрицательность Молибден по шкале Полинга составляет 2.16. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Молибден был открыт в 1781 году Peter Jacob Hjelm. Назван в честь греческое molybdos, «свинец».
На долю Молибден приходится около 1.2 мг/кг земной коры — он встречается нечасто, но не является редким.