استخراج مولیبدن از مولیبدنیت — سرب لغزنده ای که فولاد را تقویت می کند

مولیبدن (Mo، عنصر 42) یک فلز انتقالی سفید نقره‌ای، سخت با چگالی 10.28 گرم/سانتی‌متر³، نقطه ذوب 2623 درجه سلسیوس (ششم بالاترین میان تمام عناصر)، و سختی موهس 5.5 است. این عنصر در گروه 6 در کنار کروم و تنگستن قرار دارد و بسیاری از خصوصیات تنگستن را دارا است: نقطه ذوب بالا، مقاومت بالا در دماهای مرتفع، و مقاومت فوق‌العاده در برابر تنش‌های حرارتی و مکانیکی.

مهم‌ترین کاربرد مولیبدن در فولادهای با مقاومت بالا و آلیاژ کم (HSLA) است. افزودن تنها 0.25–1 درصد مولیبدن به فولاد، سختی‌پذیری، مقاومت در دماهای بالا و مقاومت به خوردگی آن را به‌طور درخشان افزایش می‌دهد. فولادهای حاوی مولیبدن در ظروف فشاری، خطوط لوله نفت و گاز، قطعات خودرویی و کاربردهای سازه‌ای استفاده می‌شوند. تقریباً 80 درصد تمام مولیبدن تولیدی در فولاد و آلیاژهای آهن بکار می‌رود.

مولیبدن از لحاظ بیولوژیکی نیز ضروری است — این سنگین‌ترین عنصری است که برای بیشتر ارگانیسم‌های زنده ضروری شناخته شده است. آنزیم نیتروژناز، که نیتروژن جوی را به آمونیاک در گره‌های ریشه‌ای گیاهان حبوبی تثبیت می‌کند، از یک کوفاکتور مولیبدن-آهن (FeMo-co) در سایت فعال خود استفاده می‌کند. بدون مولیبدن، تثبیت نیتروژن بیولوژیکی — و در نتیجه بیشتر تغذیه طبیعی گیاهان — کار نمی‌کند. مولیبدن یک عنصر کمیاب در خاک‌ها است و کمبود مولیبدن باعث شکست محصول در خاک‌های산性ی خاص در سراسر جهان می‌شود.

مولیبدنیت (MoS₂) به صورت تخت‌های نرم، انعطاف‌پذیر، فلزی خاکستری و صفحات با درخشندگی متمایزی آبی‌نقره‌ای شکل می‌گیرد — کمی بیش‌تر نقره‌ای‌آبی از خاکستری‌سیاه گرافیت. ویژگی‌های کلیدی شناسایی: سختی موهس 1–1.5 (بسیار نرم — نرم‌تر از ناخن)، وزن مخصوص 4.7–4.8 (به‌طور قابل‌توجهی سنگین‌تر از گرافیت با 2.1–2.3)، شکافت پایه‌ای بی‌نقص تولید تخت‌های نازک و انعطاف‌پذیر، و خط خاکستری‌سبز روی کاغذ (خط گرافیت بیش‌تر خاکستری‌سیاه خالص است).

تفاوت تراکم مطمئن‌ترین تمایز میدانی بین مولیبدنیت و گرافیت است. یک نمونه از هر یک را برداشته‌ و احساس کنید — مولیبدنیت به طور نمایانی برای اندازه خود سنگین‌تر است. رنگ آبی درخشندگی مولیبدنیت (در مقایسه با خاکستری بیش‌تر خنثی گرافیت) ظریف است اما با تمرین قابل‌مشاهده است. زیر عدسی دستی، تخت‌های مولیبدنیت اغلب کیفیت فلزی و منعکس‌کننده‌تری نسبت به گرافیت نشان می‌دهند.

مولیبدنیت در رگه‌های هیدروترمالی دمای بالا و ذخایر پورفیری رخ می‌دهد، معمولاً همراه با معدنی‌سازی مس، تنگستن و قلع. ذخایر اصلی شامل Climax و Henderson (کلرادو، USA — از بزرگ‌ترین ذخایر مولیبدن روی زمین)، Endako (بریتیش کلمبیا، کانادا)، و بسیاری از ذخایر مس-مولیبدنیت پورفیری در شیلی است. بسیاری از معادن مس بزرگ جهان مولیبدنیت را به عنوان محصول فرعی تولید می‌کنند.

مولیبدنیت بسیار نرم است (موس 1-1.5) و تقریباً نیاز به خردایش ندارد — با فشار انگشت از هم جدا می‌شود. تکه‌های مولیبدنیت را از سنگ میزبان (معمولاً کوارتز یا گرانیت) با شکستن ملایم نمونه‌ها و جدا کردن تکه‌های خاکستری و فلزی جدا کنید. مولیبدنیت اغلب به صورت جیب‌های متمرکز یا رگه‌هایی از MoS₂ تقریباً خالص در داخل کوارتز ظاهر می‌شود — این‌ها می‌توانند به صورت تمیز استخراج شوند.

تکه‌های را در یک پشته جمع‌آوری کنید و وزن کنید. شما به 200-400 گرم مولیبدنیت نسبتاً خالص نیاز دارید. مواد باید عمدتاً تکه‌های خاکستری و فلزی با آلودگی کوارتز حداقل باشند. از آنجایی که مولیبدنیت آب‌گریز است (دفع‌کننده آب) — خصوصیتی که در شناور‌سازی کف صنعتی استفاده می‌شود — تمایل دارد به سطوح مرطوب چسبیده نشود، که می‌تواند در طول مرتب‌سازی از آن استفاده شود.

در حین رسیدگی دستکش بپوشید. مولیبدنیت به طور حاد سمی نیست، اما تکه‌های ریز آن هر چیزی را که لمس می‌کنند با یک فیلم خاکستری فلزی می‌پوشانند، و غبار نباید استنشاق شود. احساس لغزنده و چرب مولیبدنیت روی انگشتان دستکش‌پوش شما با گرافیت یکسان است — این همان خصوصیتی است که سدها سال اشتباه بین این دو کانی را به وجود آورد.

OUTDOORS ONLY — گاز دی اکسید گوگرد سمی تولید می‌کند. برشت کردن مولیبدنیت را به مولیبدنوم تری اکسید تبدیل می‌کند: 2MoS₂ + 7O₂ → 2MoO₃ + 4SO₂↑. واکنش به شدت گرمازا است — پس از شروع، تا حدی خود را حفظ می‌کند. دی اکسید گوگرد (SO₂) به مقدار قابل توجهی آزاد می‌شود و یک گاز سمی، خفه‌کننده و تند است. همیشه در فاصله زیادی در بالای باد بایستید.

فلوس مولیبدنیت را در یک لایه نازک (کمتر از 1 سانتی‌متر) در یک ظرف مقاوم آتش پخش کنید. در آتش ذغال سنگ تا 500–600 °C گرم کنید. مولیبدنیت شروع به اکسید شدن می‌کند و فلوس خاکستری فلزی به تدریج به یک پودر سفیدی مایل به زرد تبدیل می‌شود — این مولیبدنوم تری اکسید (MoO₃) است. با یک میله فولادی بلند مکرراً بجنبانید تا سطوح تازه‌ای در معرض هوا قرار گیرند.

MoO₃ در 795 °C تصعید می‌شود، بنابراین بالای 750 °C گرم نکنید وگرنه اکسید به‌عنوان بخار از دست می‌رود. این یک نقطه کنترل دمای بحرانی است — اگر آتش بیش از حد داغ باشد، بخار MoO₃ به‌عنوان دودهای سفید ریز فرار می‌کند. دما را در محدوده 500–700 °C نگه دارید و برای اکسیدش کامل زمان کافی (1–2 ساعت) اختصاص دهید. برشت کردن وقتی کامل می‌شود که کل محتوا یک پودر سفیدی مایل به زرد باشد و هیچ فلوس خاکستری فلزی باقی نماند.

پودر MoO₃ برشته‌شده را با زغال فعال ریز‌پودر شده با نسبت وزنی تقریبی 1:0.3 مخلوط کنید. واکنش کاهش به شرح زیر است: MoO₃ + 3C → Mo + 3CO (ساده‌شده؛ اکسیدهای میانی MoO₂ و Mo₂O₃ در طی کاهش مرحله‌ای تشکیل می‌شوند). مخلوط را به‌طور محکم در یک کروزه سفالی یا گرافیتی قرار دهید.

کروزه را در کوره زغال فعال با جریان هوا قرار دهید و تا حداکثر دمای قابل دستیابی گرم کنید. کاهش MoO₃ توسط کربن در دمای تقریبی 900 درجه سلسیوس شروع می‌شود و بالاتر از 1100 درجه سلسیوس سریع‌تر پیش می‌رود. مولیبدن نقطه ذوب 2623 درجه سلسیوس دارد — مانند تنگستن، نمی‌تواند در کوره زغال فعال ذوب شود. محصول به شکل پودر فلزی خاکستری یا جرم متخلخل تشکیل می‌شود، نه دکمه مذاب.

حداکثر دما را به مدت 2–3 ساعت حفظ کنید. مونوکسید کربن تولید می‌شود — گازی بی‌رنگ و کشنده — بنابراین عملیات در فضای باز با تهویه خوب ضروری است. کروزه باید خوب‌بسته شود (درب یا کروزه برعکس) تا فضای کاهنده درون آن حفظ شود، که از صعود MoO₃ قبل از اینکه بتواند با کربن واکنش دهد جلوگیری کند.

بگذارید پودینگ کامل طور خنک شود، سپس آن را باز کنید. محصول باید یک پودر فلزی خاکستری تیره یا جرم تا حدی سینتر شده باشد. پودر فلز مولیبدن رنگ نقره ای-خاکستری تیره است، تیره تر از پودر تنگستن. چگالی آن 10.28 گرم/سانتی متر مکعب است — قابل توجه تر از آهن (7.87) اما کم تر از تنگستن (19.25).

مولیبدن پارامغناطیسی است — جذب مغناطیس نمی شود. این موضوع آن را از آلودگی آهن یا نیکل متمایز می کند. تحت عدسی دستی، ذرات مولیبدن خوب کاهش یافته درخشندگی فلزی را بر روی سطوح دانه های منفرد نشان می دهند.

آزمایش تایید شیمیایی: مقدار کمی از پودر خاکستری را در اسید نیتریک متمرکز و داغ حل کنید. مولیبدن حل می شود و محلول بی رنگ یا زرد فاخت را تولید می کند. افزودن آمونیاک اضافی (NH₃) و سپس فسفات آمونیوم ((NH₄)₂HPO₄) رسوب روشن زرد طوطی از فسفومولیبدات آمونیوم ((NH₄)₃PMo₁₂O₄₀) را تولید می کند — آزمایش کلاسیک کیفی برای مولیبدن که خاص و بسیار حساس است. این رسوب زرد چشمگیر به اشتباه نگرفته نمی شود.

کاربرد عملی مستقیم مولیبدنیت به عنوان یک روغن کار جامد است. MoS₂ یکی از کمترین ضرایب اصطکاک از هر ماده ای دارد — 0.03 تا 0.06، در مقایسه با 0.10–0.15 برای گرافیت. ساختار بلوری لایه ای آن، با اتم های گوگرد در سطوح بیرونی هر لایه، صفحات لغزشی طبیعی لغزنده ایجاد می کند. برخلاف گرافیت (که برای روغن کاری موثر نیاز به رطوبت دارد)، MoS₂ در خلاء و محیط های خشک به خوبی روغن کاری می کند، که آن را برای کاربردهای فضایی ضروری می سازد — NASA از روغن کار های MoS₂ به طور گسترده ای در یاتاقان های ماهواره و مکانیسم ها استفاده می کند.

برای نمایش خصوصیات روغن کاری، یک قطعه مولیبدنیت خام را بر روی یک سطح فلزی تمیز (یک صفحه فولادی یا تیغه چاقو) مالش دهید. MoS₂ خاکستری به صورت یک فیلم نازک و چسبان منتقل می شود. مالش دادن دو سطح تیمار شده با یکدیگر لغزندگی فوق العاده را نشان می دهد — کاهش اصطکاک در مقایسه با فلز خام بلافاصله آشکار است. این همان اصل در روغن های MoS₂ محور، اسپری روغن کاری، و پوشش های فیلم خشک روغن کاری برای کاربردهای صنعتی استفاده می شود.

خاصیت روغن کاری از ساختار بلوری ناشی می شود: هر اتم مولیبدن به شش اتم گوگرد در یک آرایش منشوری مثلثی پیوند می خورد و ورق های MoS₂ سفت تشکیل می دهد. بین ورق ها، تنها نیروهای ضعیف ون درواالس عمل می کنند (از طریق تماس S—S). این پیوندهای درون لایه ضعیف اجازه می دهند ورق ها بر روی یکدیگر با مقاومت حداقل لغزش کنند — همان مکانیزمی که گرافیت را لغزنده می کند، اما موثرتر است زیرا برهم کنش های گوگرد-گوگرد ضعیف تر از برهم کنش های کربن-کربن در گرافیت هستند.

تکه های مولیبدنیت و گرد و غبار MoO3 باید با پارچه های مرطوب تمیز شوند. MoO3 یک محرک خفیف برای غشاهای مخاطی است اما برای انسان بسیار سمی نیست - خطر اصلی برای دام های نشخوارکننده (گاو و گوسفند) است که به طور غیرعادی نسبت به مولیبدن حساس هستند زیرا در متابولیسم مس آنها اختلال ایجاد می کند و باعث وضعیتی به نام مولیبدنوز می شود. MoO3 را در مناطق مرتعی رها نکنید. باقیمانده ها را مسئولانه دور بیندازید.

پودر فلز مولیبدن باید در یک ویال شیشه ای مهر و موم شده نگهداری شود. در دمای اتاق در هوا پایدار است اما با حرارت دادن اکسید می شود. استفاده از مواد با دستکش خطرناک نیست.

آزمایش کامل را مستند کنید: وزن مولیبدنیت، دما و زمان برشته کردن، بازده MoO3، نسبت زغال چوب، دما و زمان کاهش، و بازده نهایی پودر فلز. از 400 گرم مولیبدنیت خالص (MoS2، 60% مو)، بازده مولیبدن نظری 240 گرم است. تلفات بو دادن (تصعید MoO3 اگر دما از 750 درجه سانتیگراد فراتر رفت) و کاهش ناقص میانگین عملکرد عملی به طور قابل توجهی کمتر خواهد بود. حتی مقدار کمی پودر فلزی خاکستری که تست‌های چگالی و فسفومولیبدات را پشت سر می‌گذارد، نشان‌دهنده تکرار موفقیت‌آمیز آزمایش هجلم در سال 1781 است - جداسازی عنصری که فولادسازان بعداً آن را ضروری می‌نامند.