42 Mo 钼 95.95
过渡金属 d区 第5周期 第6族

钼

Mo · 元素42 · 过渡金属

耐火材料中的主力:钼在几乎所有其他物质变软的温度下仍能保持强度。

20°C时的状态 固态
原子量 95.95 u
电子排布[Kr] 4d⁵ 5s¹

结构

钼原子

这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

属性表

每个条形图显示钼在全部118种元素中该属性所处的位置。

物理

密度 10.28 g/cm³ 66%
熔点 2896 K 95%
沸点 4912 K 93%
比热容 0.251 J/g·K
热导率 138 W/m·K 86%

原子

原子半径 139 pm 30%
共价半径 154 pm
范德华半径 209 pm

电子

电负性 2.16 75%
电离能 685 kJ/mol 49%
电子亲和能 72.4 kJ/mol 57%

存在情况

地壳中的丰度 1.2 mg/kg 51%

身份

符号Mo
原子序数42
原子量95.95 u
类别过渡金属
区d
晶体结构体心立方
氧化态-4, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6, +7
发现1781
发现者Peter Jacob Hjelm

来源:IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值,而非测量值。

尺寸,按比例显示

钼的原子有多大?

半径139 pm——即0.139 nm,因此大约3.6百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。

温度范围

固态、液态、气态——以及转变时机

钼在2016 K的范围内呈液态,温度从2896 K到4912 K。

所在位置

在表中的位置

钼位于第5周期、第6族。 第6族中的所有元素具有相同的最外层电子数,因此它们的性质非常相似。

其他过渡金属

所有过渡金属

背后的故事

钼是什么,以及我们如何发现它

耐火材料中的主力:钼在几乎所有其他物质变软的温度下仍能保持强度。

钼的发现

神秘矿物

钼的发现故事始于几个世纪以来人们对一种神秘黑色矿物的混淆,中世纪矿工称其为“molybdena”。这种柔软、类似石墨的物质在欧洲各地的铅矿中被发现,但没人知道它究竟是什么。

古代混淆

一千多年来,矿工和冶金学家一直将辉钼矿(MoS2)与石墨和方铅矿(硫化铅)混淆。这三种矿物外观相似——颜色深、质地软且具有金属光泽,导致了持续的误认。“molybdena”这个名称来自希腊语“molybdos”,意为铅,反映了这种长期存在的混淆。

Carl Wilhelm Scheele:突破(1778年)

已经因发现氯和氧而闻名的瑞典化学家Carl Wilhelm Scheele于1778年着手研究molybdena之谜。在瑞典Köping的药房实验室工作时,Scheele怀疑molybdena并不只是铅或石墨的一种形式。

化学侦探工作

Scheele将molybdena与硝酸一起加热,并观察到非同寻常的现象:这种矿物没有表现得像铅或石墨,而是生成了一种白色酸性粉末。进一步实验表明,这种粉末具有不同于任何已知物质的独特性质。

通过细致的化学分析,Scheele证明molybdena含有一种未知金属的新“土”(氧化物)。他将这种白色粉末命名为“acidum molybdenae”,并正确预测其中含有一种新元素,尽管凭借18世纪的技术他无法分离出纯金属。

Peter Jacob Hjelm:首次分离(1781年)

三年后,Scheele的同事Peter Jacob Hjelm成功分离出了第一批金属钼。Hjelm在密闭坩埚中用木炭加热Scheele的acidum molybdenae,利用碳还原氧化物,生成了微小的金属颗粒。

第一批纯钼

按照现代标准,Hjelm最初的钼样品远非纯净,但它确实是金属,并且具有不同于任何已知金属的性质。该样品质地坚硬、熔点高,并表现出非凡的耐酸性——这些性质后来使钼成为工业应用中不可或缺的材料。

工业发展

在发现后的一个多世纪里,钼一直只是没有实际用途的实验室新奇材料。钼极高的熔点(2,623°C)使得19世纪的技术几乎无法加工这种金属。

第一次世界大战期间的突破

钼的工业突破发生在第一次世界大战期间,当时冶金学家发现,向钢中添加少量钼能显著提高其强度和韧性。德国火炮制造商秘密使用钼钢制造炮管,从而获得了显著的军事优势。

现代认识

20世纪初电弧炉和粉末冶金技术的发展,终于使高纯度钼的生产成为可能。到20世纪30年代,钼已经成为高温应用的必需材料,应用范围从灯泡灯丝到火箭喷嘴。

科学认可

Scheele细致的化学分析和Hjelm成功的分离,是化学发展早期系统发现元素的成就之一。他们的工作确立了识别和分离新元素的方法,并影响了之后几代人的化学研究。

用途

钼的用途

钢铁工业的主导材料

钼是终极钢材增强剂,能将普通钢转变为可承受极端条件的高性能合金。全球超过80%的钼产量用于钢铁制造,即使仅添加少量钼(0.1-0.5%),也能显著提高强度、硬度和耐腐蚀性。

工具钢革命

含5-10%钼的高速钢工具能够以足以使普通钢制工具熔化的速度切削金属。这些“超级钢”在超过600°C的温度下仍能保持切削刃口,推动了从汽车生产到精密加工的制造业革新。

石油工业应用

全球能源工业依靠钼完成最具挑战性的作业。炼油厂使用二硫化钼催化剂从原油中去除硫,生产为现代交通工具提供动力的清洁燃烧燃料。

深海石油钻井

在超过3,000米深度作业的海上钻井平台依靠钼增强钻杆和套管。这些部件必须承受巨大的海水压力、腐蚀性盐水,以及钻穿海床下数英里岩层时产生的机械应力。

航空航天与国防

军用飞机发动机含有钼基高温合金,这些合金能在达到其熔点85%的温度下运行,同时以15,000 RPM的速度旋转。F-35 Lightning II战斗机使用Pratt & Whitney F135发动机中的钼部件;这是有史以来制造的最强战斗机发动机。

太空探索

NASA的火星车使用钼隔热板和结构部件,以在-80°C的火星冬季中存活。James Webb Space Telescope的镜面镀有钼,用于反射来自宇宙中最遥远星系的红外光。

核能

钼在核能发电中发挥关键作用,应用范围从反应堆部件到医用同位素生产。钼的高熔点(2,623°C)和低中子吸收率使其非常适合核能应用。

医用同位素生产

钼-99是锝-99m的母体同位素,后者用于全球85%的核医学操作。每年超过4,000万次医学扫描依赖钼衍生同位素进行癌症检测、心脏成像和骨骼扫描。

农业化学

钼是植物根部固氮细菌必需的微量营养元素。钼基肥料使豆科作物能够将大气中的氮转化为植物可利用的化合物,减少对合成氮肥的需求,并支持可持续农业。

汽车应用

你的汽车中有许多关键部件含有钼,尽管你永远看不到它。发动机缸体、变速箱齿轮和排气系统都受益于钼的强化性能。高性能汽车使用钼增强制动盘,可在极端高温下抵抗变形。

发动机部件

  • 活塞环:钼涂层可减少摩擦并延长发动机寿命
  • 气门弹簧:钼钢弹簧在高温下仍能保持张力
  • 曲轴:钼合金提供高转速运行所需的强度

工业工具和机械

专业工场和工厂依靠钼增强工具完成重载作业。含钼的切削工具、钻头和锯片比普通替代品保持锋利的时间更长,工作速度也更快。

制造设备

  • CNC机床:钼工具钢支持精密制造
  • 工业炉:钼加热元件可在1,700°C下运行
  • 玻璃制造:用于熔化特种玻璃的钼电极

润滑剂和涂层

二硫化钼(MoS2)是自然界中最滑的固态物质,用于传统油类无法胜任的无数应用。这种“钼”润滑剂可在-180°C至+400°C的温度范围内工作,因此对于极端环境应用至关重要。

消费应用

  • 自行车链条:钼润滑脂可减少磨损和维护需求
  • 锁具机构:干式钼喷剂可防止冻结和腐蚀
  • 汽车润滑脂:适用于高温轴承

医疗与保健

全球各地医院中的钼-99发生器会产生用于医学成像的锝-99m。这些“锝牛”持续供应使用最广泛的医用放射性同位素,每年支持数百万次诊断操作。

建筑与基础设施

现代摩天大楼、桥梁和工业设施采用钼钢,以获得更高的强度和耐久性。芝加哥的Willis Tower(原名Sears Tower)使用钼钢梁,其强度比普通钢高25%,而重量相同。

专业建筑

  • 海上平台:耐腐蚀钼钢
  • 发电厂锅炉:耐高温钼合金
  • 化工厂设备:耐腐蚀容器和管道

来源

自然存在

地壳中含量为1.2 mg/kg · 比51%的元素更丰富

全球分布

钼在地球元素的丰度中排名第54位,地壳平均含量为1.2 ppm。尽管相对稀少,钼矿床却遍布各大洲,通常与铜矿和钨矿伴生。

主要产区

中国引领全球生产,约占世界产量的40%,其次是智利(20%)和美国(15%)。科罗拉多州的Climax矿曾是世界最大的钼生产矿,运营时间为1918年至1987年。

主要矿物来源

辉钼矿:主要矿石

大多数商业钼来自辉钼矿(MoS2),这是一种柔软的深灰色矿物,具有金属光泽。辉钼矿矿床形成于高温环境中,富钼流体在地壳深处与含硫岩石发生相互作用。

斑岩铜矿床

大部分钼是在大型斑岩矿床中作为铜矿开采的副产品回收的。这些巨大的地质构造中,铜矿物和钼矿物分散在岩石各处,需要进行大规模露天开采。

地质形成

钼矿床通过发生在地壳深处的复杂热液过程形成。当花岗岩岩浆在地下缓慢冷却时,会释放富含金属的流体,这些流体向上迁移,并在裂缝和接触带中沉积钼矿物。

矽卡岩和接触变质作用

一些钼矿床形成于高温花岗岩侵入体与石灰岩或其他碳酸盐岩接触时。热量和化学相互作用会形成称为矽卡岩的独特变质岩,其中可能含有高浓度的钼矿物。

海水和海洋来源

地球海洋中含有约100亿吨溶解态钼,浓度为10 ppb。虽然浓度太低,无法进行商业提取,但这一海洋储库代表了地球上最大的钼储量。

黑色页岩

富含有机质的古代海洋沉积物称为黑色页岩,通常含有较高浓度的钼。这些遍布世界各地的地层既是古代海洋化学的地质档案,也可能成为未来的钼资源。

恒星起源

钼通过慢中子俘获过程形成于大质量恒星的核心。当这些恒星以超新星形式爆炸时,会将钼散布到整个星系。数十亿年来,我们太阳系中的钼储量继承自多代恒星爆炸。

陨石证据

对陨石的同位素分析表明,地球上的钼至少来自两个不同的恒星来源,这为早期太阳系的形成以及塑造地球成分的宇宙事件提供了线索。

处理

安全

中度毒性风险

与某些过渡金属不同,钼会带来需要采取适当处理措施的中度健康风险。钼虽无急性毒性,但长期接触钼化合物可能导致健康问题,尤其会影响呼吸系统和关节。

呼吸健康

吸入粉尘风险:长期接触钼粉尘可能导致“钼尘肺”,这是一种类似矽肺的肺部疾病。钼加工设施的工作人员必须使用适当的呼吸防护设备,并定期接受健康监测。

工业安全规程

工作场所接触限值

  • OSHA PEL:5 mg/m³(8小时时间加权平均值)
  • NIOSH REL:5 mg/m³(不溶性化合物),1 mg/m³(可溶性化合物)
  • 工程控制:研磨、焊接和粉末处理必须使用局部排风通风

个人防护装备

  • 呼吸防护:常规处理时使用NIOSH批准的防尘口罩,高暴露作业时使用供气式呼吸器
  • 皮肤防护:处理可溶性化合物时佩戴耐化学品手套
  • 眼部防护:佩戴安全眼镜或护目镜,尤其是在机加工操作期间

火灾和化学危害

可燃性:钼粉末可在空气中点燃,尤其是在高度分散的情况下。钼燃烧会产生有毒的三氧化钼烟雾,需要立即疏散并通风。

化学反应性

  • 强氧化剂:避免在高温下与富氧化合物接触
  • 卤素:与氟气和氯气发生剧烈反应
  • 储存:远离强酸和强碱,存放在干燥、通风良好的区域

环境影响

环境毒性:土壤中的高浓度钼会导致放牧动物缺铜,使牛和羊患上称为“钼中毒”的疾病。采矿作业必须监测土壤和水中的钼污染。

水质

饮用水标准:EPA规定的最大污染物浓度为40 ppb。应定期监测采矿点附近地下水中的天然钼浓度。

应急响应

  • 皮肤接触:立即用肥皂和水清洗;钼化合物可能引起轻微皮肤刺激
  • 眼睛接触:用清水冲洗15分钟;如果刺激持续存在,应就医
  • 吸入:立即转移到空气新鲜处;持续咳嗽或呼吸困难时应就医
  • 摄入:不要催吐;用水漱口并立即就医

快速解答

钼:常见问题

钼是什么?

钼(符号Mo)是元素周期表中的第42号元素,属于5周期6族的过渡金属。 耐火材料中的主力:钼在几乎所有其他物质变软的温度下仍能保持强度。 在室温下为固态。

钼的电子排布是什么?

钼的基态电子排布为[Kr] 4d⁵ 5s¹,共有5个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 18, 13, 1。

钼的熔点和沸点是多少?

钼在2896 K(2622.9 °C)熔化,在4912 K(4638.9 °C)沸腾。 因此它属于最耐高温的元素之列——在能使大多数金属汽化的温度下,它仍保持固态。

钼的原子量是多少?

钼的标准原子量为95.95 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值,因此通常不是整数。

钼的密度是多少?

钼的密度为10.28 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此钼块约重10.3倍。

钼的电负性是多少?

钼的鲍林电负性为2.16。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 处于这一中间范围的数值通常对应共价键,而不是强离子键。

谁发现了钼,是在什么时候?

钼由Peter Jacob Hjelm于1781年发现。 它以希腊语 molybdos,“铅”命名。

钼在地球上有多常见?

钼约占地壳的1.2 mg/kg——不常见,但并不稀有。