Биологическая роль молибдена

Выйти из этого тупика удалось благодаря хромомолибденовой стали. Трубы из нее хорошо протягивались, прекрасно сваривались и, что главное, в топких сечениях не «отпускались» при сварке, а, наоборот, самозакалялись на воздухе. Количество молибдена в стали, из которой их протягивали, было крайне невелико: 0,15...0,30%.

Электричество и радиотехника

Нити накаливания обычных электрических ламп делают из  вольфрама, более тугоплавкого, чем все прочие металлы, и дающего наибольшую светоотдачу. Но если впаять вольфрамовую нить в стеклянный стерженек в центре лампочки, то он вскоре треснет из-за теплового расширения нити.

Когда исследовали физические свойства молибдена, то обнаружили, что у него ничтожно малый коэффициент теплового расширения. При нагреве от 25 до 500°C размеры молибденовой детали увеличатся всего на 0,0000055 первоначальной величины. И даже при нагреве до 1200°C молибден почти не расширяется. Поэтому вольфрамовые нити накаливания стали подвешивать на молибденовых крючках, впаянных в стекло. В дальнейшем молибден сыграл еще большую роль в электровакуумной технике. К вакуумным приборам электрический ток подводится через молибденовые прутки, впаянные в специальное стекло, имеющее одинаковый с молибденом коэффициент теплового расширения (это стекло носит название молибденового).

В 20-е годы нашего века радио стало всеобщим увлечением и потребностью. Началась настоящая радиогорячка.

Радиоприемники тех лет были обычно безламповыми – детекторными. Лучшую слышимость подбирали, пробуя в разных местах контакт между стальным тонким щупом (контактной пружиной) и кристаллом молибденита.

Металлический молибден служит в радиоприемниках и в наше время. Он хорошо прокатывается в тонкие листы толщиной 0,1...0,2 мм, выдерживает сильный нагрев. Поэтому он оказался хорошим материалом для анодов радиоламп.

Жаропрочные сплавы

Техника сверхскоростных и космических полетов ставит перед металлургами задачу получать все более жаростойкие материалы. Прочность при высоких температурах зависит прежде всего от типа кристаллической решетки и, конечно, от химической природы материала. Температурный предел эксплуатации титановых сплавов 550...600°C, молибденовых – 860, а титано-молибденовых – 1500°C!

Чем объяснить столь значительный скачок? Его причина – в строении кристаллической решетки. В объемно-центрированную структуру молибдена внедряются посторонние атомы, на этот раз атомы титана. Получается так называемый твердый раствор внедрения, структуру которого можно представить так. Атомы молибдена, металла-основы, располагаются по углам куба, а атомы добавленного металла, титана, – в центрах этих кубов. Вместо объемно-центрированной кристаллической решетки появляется гранецентрированная, в которой процессы разупрочения под действием температур происходят намного менее интенсивно. В таком целенаправленном изменении кристаллической структуры металлов состоит один из основных принципов легирования.

Другая причина столь резкого увеличения жаропрочности кроется в том, что сплавляются очень непохожие металлы – молибден и титан. Это общее правило: чем больше разница между атомами легирующего металла и металла-основы, тем прочнее образующиеся связи. Металлическая связь как бы дополняется химической.

Легирование, однако, вовсе не последнее слово в решении проблемы жаропрочных сплавов. Уже в наше время обнаружены необычайные свойства нитевидных кристаллов, или «усов». Прочность их по сравнению с металлами, обычно используемыми в технике, поразительно велика. Объясняется это тем, что кристаллическая структура усов практически лишена дефектов, и техника сверхскоростных полетов берет на вооружение усы, создавая с их помощью композиционные жаропрочные материалы. Один из таких материалов – это окись алюминия, армированная молибденовыми усами, другой представляет собой начиненный той же арматурой технический титан. По сравнению с обычным титаном этот материал может работать в жестких условиях в 1000 раз дольше.

Что можно противопоставить огненному смерчу, обрушивающемуся на космический корабль при входе в плотные слои атмосферы? Прежде всего теплозащитную обмазку и охлаждение. Да, охлаждение, подобное в принципе охлаждению автомобильных двигателей с помощью радиаторов. Только работать здесь должны более энергоемкие процессы. Много тепла нужно на испарение веществ, но еще больше на сублимацию – перевод из твердого состояния непосредственно в газообразное. При высоких температурах сублимировать способны молибден, вольфрам, золото. Покрытие носовой части корабля молибденом или другим из перечисленных (более дорогих) металлов в значительной мере ослабит силу огненного смерча, через который надо пройти возвращаемому аппарату космического корабля.

Другие области применения

Сплав из молибдена с вольфрамом в паре с чистым вольфрамом можно использовать для измерения температуры до 2900°C в восстановительной атмосфере. Молибденовая проволока может служить обмоткой в высокотемпературных (до 2200°C) индукционных печах, но опять-таки только не в окислительной среде.

В технике используют и вредное в принципе свойство молибдена окисляться при повышенной температуре. Молибденом пользуются для очистки благородных газов от примеси кислорода. Для этого аргон или неон пропускают над нагретой до 600...900°C молибденовой поверхностью, и она жадно впитывает кислород.

Тугоплавкий, ковкий, не тускнеющий, обладающий приятным цветом молибден получил признание у ювелиров. Им иногда заменяют драгоценную платину.

В химической промышленности молибден и соли молибденовой кислоты применяют как катализаторы. Кожевенники добавляют некоторые соединения молибдена в дубильные растворы, чтобы улучшить качество кожи.

А молибденит, который 200 лет назад не отличали от графита, в наше время иногда применяют вместо графита как высокотемпературную смазку. Ведь по кристаллической структуре он действительно подобен графиту.

И еще молибден так же, как бор, медь марганец, цинк, – жизненно необходимый микроэлемент, обладающий специфическим действием на растительные и животные организмы. Впрочем, это тема самостоятельного рассказа. А доказывать важность и необходимость этого элемента для техники после всего, что уже рассказано, вряд ли нужно. Нельзя считать его бесполезным и для науки XX в., хотя бы потому, что благодаря молибдену был, наконец, открыт первый искусственный элемент – технеций.

Физические свойства молибдена

Внешний вид металлического молибдена зависит от способа его получения. Компактный (в виде слитков, проволоки, листов, пластин) молибден – довольно светлый, но блеклый металл, а молибден, полученный в виде зеркала разложением, например, карбонила – блестящий, но серый. Молибденовый порошок имеет темно-серый цвет. Плотность молибдена 10280 кг/м3. Температура плавления 2623° С, кипения 4639°СОсновные физические свойства молибдена приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные физические свойства молибдена

Известна только одна (при обычном давлении) кристаллическая модификация металла с кубической объемно центрированной решеткой. В совершенно чистом состоянии компактный молибден пластичен, ковок, тягуч, довольно легко подвергается штамповке и прокатке. При высоких температурах (но не в окислительной атмосфере) прочность молибдена превосходит прочность большинства остальных металлов. При загрязнении углеродом, азотом или серой молибден, подобно хрому, становится хрупким, твердым, ломким, что существенно затрудняет его обработку. Водород очень мало растворим в молибдене, поэтому не может, заметно влиять на его свойства. Молибден – хороший проводник электричества, он в этом отношении уступает серебру всего в 3 раза. Электропроводность молибдена больше, чем у платины, никеля, ртути, железа и многих других металлов. В обычных условиях молибден устойчив даже во влажном воздухе. Содержание молибдена в морской воде колеблется от 8,9 до 12,2 мкг/л 1 для разных океанов и акваторий.

Природные соединения молибдена

Из 17 известных минералов Мо наиболее существенное промышленное значение до сих пор имеет молибденит MoS2. Из руд, содержащих молибденит, добывают подавляющую массу молибдена. В зоне окисления молибденовых, медно-молибденовых и вольфрамо - молибденовых месторождений встречаются повеллит, молибдит (ферримолибдит) Fe2Os∙3MoO3∙7H2О молибдошеелит Са(Мо,W)O4, вульфенит РЬМоО4, чиллагит Pb(Mo, W)O4, линдгренит Сu3(МоО4)2(ОН)2 и другие комплексные минералы (с висмутом, мышьяком, оловом и т. д.) Первые три минерала последнее время приобретают некоторое промышленное значение. Это связано с тем, что по мере выработки богатых чисто сульфидных молибденовых и комплексных месторождений начинают разрабатываться месторождения смешанных сульфидно-окисленных руд. В сульфидных месторождениях окисленные минералы встречаются как в виде пленок на молибдените, так и в виде самостоятельных кристаллов вторичного происхождения.

Молибденит – минерал черного цвета, внешне очень похожий на графит. Имеет чешуйчатое строение. Кристаллизуется в гексагональной слоистой решетке. При нормальной температуре химически устойчив. Начинает окисляться на воздухе выше 300 – 400°С. При 500 – 550°С сгорает полностью до МоО3 и частично до МоО2. При более высокой температуре получающийся МоО3 возгоняется и, охлаждаясь, образует друзы бледно зеленоватых игл. Плотность минерала 4,75, Молибденит обладает хорошими смазывающими свойствами. Постоянная примесь в нем – рений.

Повеллит – наиболее распространенный минерал зоны окисления молибденовых месторождений. Серый. Плотность 4,3. Кристаллизуется в бипирамидах тетрагональной системы. При облучении ультрафиолетовым излучением люминесцирует. Это может использоваться в анализе и обогащении руд. Цвет люминесценции желтый. Очень хрупок и поэтому переизмельчается при дроблении.

Молибдо - шеелит – разновидность шеелита, в которой часть атомов W замещена атомами Мо (обычно не выше нескольких процентов). Разности, содержащие до 15% Мо, носят название зейригит. Кристаллы молибдо - шеелита, как и повеллита, - тетрагональные бипирамиды. Плотность 5,8—6,2. Минерал, содержащий более 0,5% W, в ультрафиолетовых лучах люминесцирует желтым цветом.

Молибдит Fe2(MoO4)3∙7H2O, или Fe2O3∙xMoO3∙yH2O, - чешуйчатый, мягкий минерал серо-желтого цвета. Образуется в участках месторождений, содержащих большое количество железных минералов.

Вульфенит РЬМоО4 – минерал тетрагональной сингонии. Образует буро-коричневые или красные бипирамиды.

Другие минералы молибдена встречаются, в частности, в урановых полиметаллических месторождениях, осадочных породах органического происхождения.

Промышленные молибденовые руды делятся по форме рудных тел и минеральному составу на жильные (кварцевые), прожилково-вкрапленные (медно-молибденовые, медные порфировые, с молибденом) и скарновые (молибденовые, волъфрамо - молибденовые, медно-молибденовые). Ранее наибольшее значение имели кварцевые жильные месторождения. Среднее содержание молибдена в них было 0,3 – 0,4% и до 1 %. Они в основном выработаны. Сейчас наибольшее значение имеют молибденовые, медно-молибденовые и медно-порфировые месторождения прожилково-вкрапленного типа, а также скарновые. В первых молибдена 0,05 – 0,15%, а в наиболее крупных (Клаймакс, США) – до 0,4%. Вкрапленность молибдена в них значительно более мелкая, чем в жилах. Сопутствующие рудные минералы – халькопирит, пирит, реже другие сульфиды, арсениды, магнетит. Как из медно-молибденовых, так и из медно-порфировых руд молибден добывают попутно с медью. Это экономически выгодно и в случае очень низкого содержания молибдена.

Скарновые руды – это руды, образовавшиеся на контакте известняков и кислых пород типа гранитов. Сопутствующие рудные минералы в них те же, что и в предыдущих типах руд. Но особенно обычен комплекс с шеелитом и другими вольфрамсодержащими минералами. Из нерудных минералов преобладают кварц, кальцит, флюорит. Оболочки вторичных окисленных образований осложняют обогащение сульфидной руды. Обогащение осложняется также мелкой вкрапленностью сульфидных минералов, большим содержанием кальцита, доломита, флюорита.

Крупные месторождения молибдена известны в США, Мексике, Чили, Канаде, Австралии, Норвегии, России2. Более 7 % от мировых запасов молибдена расположены в Армении3, причем 90% из них сосредоточены в Каджаранском медно-молибденовом месторождении.

Химические свойства молибдена, его оксидов и гидроксидов

Литой и плотно спеченный молибден при комнатной и слегка повышенной температуре стоек против действия воздуха и кислорода. При нагревании до темно-красного каления поверхность металла быстро тускнеет и около 600°С молибден загорается, выделяя белый дым – возгон МоО3. Налет окисла легко разрушается и при длительном нагревании происходит полное сгорание металла до МоО3. Молибденовый порошок окисляется при еще более низкой температуре, а наиболее мелкий порошок способен самовозгораться на воздухе. При нагревании во влажной атмосфере, в среде восстановительного или инертного газа, не очищенных тщательно от кислорода и паров воды, наблюдается постепенное более или менее полное окисление металла по реакции:

При нагревании молибдена в токе SO2 образуется смесь окислов и дисульфида молибдена, в токе НСl – летучие хлориды (МоСІ3) и оксихлориды молибдена.