Молибден – полезные свойства и перспективы металла

МОЛИБДЕН – (Molybdenum), Mo – химический элемент 6 (VIb) группы периодической системы, атомный номер 42, атомная масса 95,94. Известен 31 изотоп молибдена с 83Мо по 113Мо. Из них стабильные: 92Мо, 94Мо – 98Мо. Шесть этих изотопов и 100Мо (Т½ = 1,00·1019 лет) встречаются в природе: 92Мо(14,84%), 94Мо(9,25%), 95Мо(15,92%), 96Мо(16,68%), 97Мо(9,55%), 98Мо(24,13%), 100Мо(9,63%). Самые нестабильные изотопы элемента № 42 имеют периоды полураспада менее 150 нс. Наиболее устойчивая степень окисления +6.

Нахождение в природе

Нахождение в природе свободного молибдена не зафиксировано. Зато выявлено два десятка минералов на его основе. Самые примечательные: молибденит, молибдит, вульфенит.

Молибденит из Австралии

В земной коре элемент распределен равномерно. Также обнаружен в реках, морях, ископаемых органического происхождения (зола растений, уголь, нефть). Однако суммарно массовое содержание металла – сотые доли процента.

Мировые запасы молибдена оцениваются в 11,5 млн. тонн.

Крупными месторождениями располагают Австралия, обе Америки (США, Канада, Мексика, Чили). В Европе – Россия и Норвегия.

Добыча ведется закрытым либо карьерным способом.

Металл обнаружен в космосе. Его концентрации зашкаливают в системах с центральной звездой – красным (сверх)гигантом и нейтронной звездой внутри него.

Добыча

Залежи молибдена и его добыча по странам

Генетические группы и промышленные типы месторождений

1. Контактово-метасоматические (скарновые).

2. Гидротермальные.

А. Высокотемпературные (грейзеновые). Б. Среднетемпературные. а. кварц-молибденитовые. б. кварц-сфалерит-галенит-молибденитовые. в. кварц-халькопирит-молибденитовые (меднопорфировые руды). г. настуран-молибденитовые.

Как был открыт

История открытия элемента начинается со второй половины 18 века.

Блестящий металл серебристо-белого цвета

Она написана тремя учеными:

• Шведский химик Карл Шееле получил оксид.
• Француз Пьер Гьельм выделил металл. Но его чистота была символической.
• Получение металла почти без «грязи» – заслуга патриарха европейских химиков шведа Йенса Берцелиуса. Случилось это на заре 19 века.

Через столетие началась эпоха расцвета металла.

Молибденовая сталь выплавлялась тоннами для нужд армий, воевавших на фронтах Первой мировой войны.

Позже разработали технологию получения металла методом порошковой металлургии.

У названия элемента древнегреческое происхождение: μόλυβδος означает «свинец».

Путаницу породил молибденит. Его получили первым, но блеском вещество копировало свинец.

По той же причине до 18 века молибденом именовали графит.

Достоинства / недостатки

Достоинства:
• имеет высокую точку плавления, а следовательно — жаропрочность;
• т.к. плотность данного металла (10200 кг/м3) почти в два раза меньше плотности вольфрама (19300 кг/м3), то сплавы на основе молибдена обладают значительно большей удельной прочностью (при температурах ниже 1370 °С);
• имеет высокий модуль упругости;
• малый температурный коэффициент расширения;
• обладает хорошей термостойкостью;
• малое сечение захвата тепловых нейтронов;
• для молибдена характерна высокая коррозионная стойкость. Данный металл устойчив в большей части щелочных растворов, а также в серной, соляной и плавиковой кислотах при разных температурах и концентрациях.

Недостатки:
• обладает небольшой окалийностью;
• высокая хрупкость сварных швов;
• малая пластичность при низких температурах;
• упрочнение нагартовкой можно использовать лишь до 700-800 °С, при более высоких температурах происходит разупрочнение из-за возврата.

Физико-химические характеристики

Молибден наделен многими достоинствами:

• Упругость, практически нулевое расширение при нагреве, стойкость к жару, коррозии.
• Электропроводность выше железа.
• Механическая прочность выше только у вольфрама. Но под давлением молибден обрабатывается проще.
• Главное химическое свойство металла – устойчивость перед почти всеми щелочными растворами, агрессивными кислотами независимо от их концентрации и температуры.

Недостатки металла: хрупкость при сварке, незначительная пластичность.

Отрицательные характеристики молибдена проявляются только при сверхнизких температурах или некорректном использовании.

Физические свойства

Использование молибдена зависит от его свойств и характеристик. Присущие физические свойства молибдена приведены ниже:

• тип металла — высокотемпературная плавка;
• молибденовый цвет – свинцовый;
• плотность молибдена — 10,2 г/cм3;
• плавление при температуре — 2615°С;
• закипание при температуре — 4700°С;
• проводимость тепла — 143 Вт/(м·К);
• тепловая емкость — 0,27 кдЖ/(кгК);
• энергия для плавления — 28000 Дж/моль;
• энергия для испарения — 590000 Дж/моль;
• линейное расширение, коэффициент — 6·10-6;
• электрическое сопротивление — 5,70 мкОм·см;
• расчетный объем — 9,4 см3/моль;
• усилие сдвига — 122·10·6 Па;
• твердость — 125 НВ;
• магнитная проницаемость -90·10-6.

Точению данный металл подвергается не часто, но обработка ведется стандартизованным инструментом.

Марки и сплавы

Промышленностью используется молибден как чистый металл, с присадками и сплавы.

Номенклатура марок включает десятки позиций. Самых распространенных несколько:

Добавки Mo (менее процента) к конструкционным сталям кратно увеличивают их вязкость, прочность, противодействие коррозии.

Для повышения твердости металлом снабжают кобальтово-хромовые сплавы.

У сплавов «молибден + никель + кобальт + хром» повышается сопротивляемость кислотам и термовоздействию.

Получение молибдена

Сырье, из которого производится металлический молибден – молибденовые концентраты. В их составе данного элемента содержится около 50%. Также в них содержатся: сера ~ 30%, оксид кремния (до 9%) и около 20% прочих примесей.

Предварительно концентрат обжигают с целью дополнительного окисления. Процесс проводят в печах двух типов: многоподовых или кипящего слоя. Температура обжига 570 °С — 600 °С. В результате чего получается огарок — МоО3 и примеси.

На следующем этапе удаляют примеси для получения чистого оксида молибдена. Применяются два способа:

1. Возгонка при температуре 950 °С — 1100 °С.
2. Химическое выщелачивание. Суть способа в том, что при взаимодействии с аммиачной водой устраняются примеси меди и железа и получается карбид молибдена, который кристаллизуют выпаркой или нейтрализацией. Далее карбид нагревают и выдерживают при температуре до 500°С. На выходе – чистый оксид МоО3, в котором содержание примесей всего 0,05%.

Производство молибдена основано на восстановлении МоО3. Процесс проводят в два этапа:

1. В трубчатой печи при температуре 550°С — 700°С в потоке сухого водорода происходит отделение атомов кислорода.
2. Далее температура поднимается до 900°С — 1000°С и происходит окончательное восстановление. Полученный металл находится в виде порошка.

Для получения монолитного металла пользуются плавлением или спеканием порошка. Плавку используют, когда получают заготовки массой от 500 кг. Процесс производят в дуговых печах с охлаждаемым тигелем, в который подается расходуемый электрод из ранее спеченных штабиков.

Получение молибдена

Порошковое спекание – это прессование в атмосфере водорода при высоких значениях давления (2000-3000 атмосфер) и температуры (1000°С — 1200°С). Полученные штабики, подвергаются спеканию при высоких температурах равных 2200°С — 2400°С. В дальнейшем молибдену придается необходимая форма за счет обработки давлением – ковкой, прокаткой, протяжкой.

Широко в промышленности используется ферромолибден, в котором до 60-70% молибдена, а оставшееся — железо. Его получают путем введения в сталь молибденовых присадок. Сплав получают путем восстановления огарка силикатом железа с добавками стальной стружки и железистой руды.

Где используется

Тугоплавкость, многообразие и легкость обработки металла, другие физические и химические свойства определили сферы использования продуктов из него.

Металлургия

Главный потребитель сырья – металлургия. Ее продукция из молибдена – проволока, прутки, порошок, лист, штабик.

Порошок молибденовый

Это заготовки для ассортимента изделий, производимых почти всеми отраслями промышленности.

Другие отрасли

Львиную долю продукции из молибдена, сплавов металла забирают производители радио- и электрических ламп, радиоэлектроники.

Материала хватает и на другие цели:

• Пресс-формы, детали машин для литья сплавов под давлением.
• Электровакуумное производство (рентгеновские трубки).
• Положительный электрод источников тока на основе лития.
• Оболочки деталей ядерных реакторов.
• Нагреватели электропечей, функционирующих в жестких условиях.
• Внешний слой «носового» сегмента корпуса сверхзвуковых самолетов.
• Электроды для выплавки стекла.
• Катализ химических реакций.
• Лаки, краски для фарфора, текстиля, мехов.

Эта продукция создается на основе природных соединений и сплавов металла.

Новейшее направление применения молибдена – космическая техника.

Ассортимент: узлы ракетных (ионных, плазменных) двигателей; обшивка спускаемых аппаратов; теплообменники. Здесь свойства молибдена корректируют сплавы с ниобием и танталом.

Чистый кристаллический Mo используется как компонент зеркал для лазеров специального назначения.

Микродозы металла добавляют в сельхозудобрения.

Обработка молибдена

Обработка молибдена затруднена в связи с невысокой вязкостью при низких температурах. Также он имеет малую пластичность, поэтому для его обработки применяются следующие методы:

1. горячее деформирование:
   ковка;
2. прокатка;
3. протяжка;

1. термообработка;
2. механическая обработка.

При обработке небольших заготовок используются обжимные машины. Крупные заготовки прокатываются на малых станах или получают форму на протяжных станках.

Внешний вид молибдена

Если возникает необходимость механической обработки резанием, то механическая обработка молибдена ведется инструментом, изготовленным из марок быстрорежущих сталей. Заточка углов инструмента при токарной обработке должна соответствовать углам заточки для обработки чугуна.

Термообработка молибдена характеризуется высокой прокаливаемостью из-за его содержания в сталях. Проведенная закалка повышает твердость и износоустойчивость ответственных деталей.

Значение для человека

Влияние молибдена на живые организмы изучили к середине 20 века.

Выяснилось, что данный микроэлемент:

1. Регулирует синтез аминокислот.
2. Активирует антиоксиданты, включая аскорбиновую кислоту.
3. Входит в состав ферментов, системы тканевого дыхания.

О Mo-дефиците в организме сигнализирует ослабление иммунитета (быстрая утомляемость, частая заболеваемость).

Токсична молибденовая пыль. Ее длительное вдыхание провоцирует заболевания крови, необратимое разрушение легких.

Применение

Ок. 75% про­из­во­ди­мо­го М. ис­поль­зу­ют для ле­ги­ро­ва­ния ста­лей; ос­таль­ное ко­ли­че­ст­во – как ком­по­нент жа­ро­проч­ных и ан­ти­кор­ро­зи­он­ных спла­вов (см. Мо­либ­де­но­вые спла­вы), для из­го­тов­ле­ния де­та­лей элек­тро­ва­ку­ум­ных при­бо­ров и ис­па­ри­тель­ных ус­та­но­вок, на­гре­ва­тель­ных эле­мен­тов вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ных пе­чей, как кон­ст­рукц. ма­те­ри­ал, для мо­либ­де­ни­ро­ва­ния по­верх­но­сти ме­тал­лич. из­де­лий. Со­еди­не­ния М. при­ме­ня­ют в про­из-ве ла­ков и кра­сок, мик­ро­удоб­ре­ний, как ка­та­ли­за­то­ры в хи­мич. и неф­те­хи­мич. пром-сти и пр.; MoS2 – как эф­фек­тив­ный сма­зоч­ный ма­те­ри­ал (об­ласть ис­поль­зо­ва­ния от –40 до 350 °С).

Производство легированных сталей

Чёрная металлургия использует порошок вещества молибден. Где применяется он? Для легирования сталей и чугунов. Добавление этого элемента в состав сплавов значительно улучшает их качества. Повышается упругость, сопротивление износу, устойчивость к ударам. В конструкционные стали добавляют около 0,5% молибдена, от этого их структура становится мелкозернистой и более однородной, снижается хрупкость конечных изделий.

Добавление других веществ позволяет получить особенные составы, широко применяемые в различных отраслях промышленности. Сплавы, в которые входят кобальт и никель (50—60%), а также хром (около 20—28%) легируют, добавляя молибден. Где применяется такой материал? Ответ кроется в его особенных свойствах – высокой жаропрочности. Его используют при изготовлении деталей обшивки самолётов и ракет.

Меры предосторожности

Что касается возможных лекарственных взаимодействий, было обнаружено, что высокие дозы ингибируют метаболизм ацетаинофена у крыс, поэтому не рекомендуется принимать ацетаминофен вместе с этим элементом (4).

Люди, которые испытывают дефицит меди в рационе или имеют нарушения метаболизма меди, которые приводят к их дефициту меди, могут подвергаться повышенному риску развития токсичности молибдена.

Вы не должны принимать добавки этого микроэлемента, если у вас есть камни в желчном пузыре или проблемы с почками.

Если вы беременны или кормите грудью, имеете заболевание или в настоящее время принимаете лекарства, всегда говорите с вашим врачом, прежде чем принимать какие-либо новые добавки.

Заключительные мысли

• Молибден для организма необходим, чтобы включать расщепление макроэлементов, фермент-зависимые процессы, метаболизм железа и детоксикацию от вредных веществ.
• Преимущества молибдена могут включать предотвращение или улучшение некоторых проблем со здоровьем, но до настоящего времени было проведено ограниченное количество исследований, чтобы однозначно подтвердить потребность в добавках, особенно когда дефицит встречается так редко.
• Одним из примеров состояния, которому он может помочь, является рак пищевода, поскольку исследования показали, что его дефицит может играть роль в более высокой частоте возникновения рака пищевода в популяциях, потребляющих пищу, выращенную в почве с низким содержанием этого минерала.
• Здоровые продукты, которые содержат этот элемент, включают чечевицу, сушеный горох, черную фасоль, овес и салат ромэн.
• Лучше и безопаснее всего получать этот микроэлемент с помощью диеты, особенно потому, что дефицит встречается крайне редко.
• Избыточное количество этого микроэлемента с помощью добавок (или промышленного воздействия) может вызвать подагру и / или дефицит меди.

Синтетические аналоги

Его не производят в виде фармпрепаратов. Зато он присутствует в многочисленных БАДах и мультивитаминных комплексах (МультиМакс, Алфавит, Дуовит, Центрум, Витрум, и др.).

Эти препараты используют как общеукрепляющие, иммуностимулирующие средства, в качестве профилактики и вспомогательного лечения болезней ЖКТ, сердца, сосудов, почек, нервной и репродуктивной системы.

В медицине применяют еще один препарат Молибден 99, но не в лечебных, а в диагностических целях. Для диагностики инфаркта, опухолевых процессов, и ряда других заболеваний прибегают к радиоизотопному сканированию.

Здоровый и больной орган неодинаково поглощают радиоизотопы, и эти изменения отчетливо видны в специальном устройстве, гамма-камере.

В качестве радиоизотопа используют Технеций 99. А сырьем для его получения является другой радиоизотоп, Молибден 99, 99Мо. От стабильного молибдена, 98Мо , 99Мо отличается «лишним» нейтроном в атомном ядре. 99Мо получают в ходе ядерных реакций из урана или из его стабильного варианта.

Суточная потребность

Точно не определена, и приведенные цифры носят в большей степени рекомендательный характер.

При тяжелых заболеваниях, физических нагрузках, потребность в Мо может повышаться до 100 мкг. Некоторые полагают, что в экстремальных ситуациях, при патологических состояниях молибдена нужно еще больше – до 300-400 мкг/сут.