การสกัดโมลิบดีนัมจากโมลิบดีนัม - ตะกั่วลื่นที่เสริมความแข็งแกร่งให้กับเหล็ก

โมลิบดีนัม (Mo ธาตุ 42) เป็นโลหะทรานซิชันแข็งสีขาวเงิน มีความหนาแน่น 10.28 g/cm³ มีจุดหลอมเหลว 2,623 °C (สูงเป็นอันดับ 6 ของธาตุทั้งหมด) และความแข็ง Mohs อยู่ที่ 5.5 อยู่ในกลุ่ม 6 ควบคู่ไปกับโครเมียมและทังสเตน และมีคุณสมบัติหลายอย่างร่วมกับทังสเตน ได้แก่ จุดหลอมเหลวสูง ความแข็งแรงสูงที่อุณหภูมิสูง และทนทานต่อความเค้นทางความร้อนและทางกลได้ดีเยี่ยม

การใช้งานที่สำคัญที่สุดของโมลิบดีนัมคือในเหล็กกล้าโลหะผสมต่ำที่มีความแข็งแรงสูง (HSLA) การเติมโมลิบดีนัมเพียง 0.25–1% ลงในเหล็กจะช่วยเพิ่มความสามารถในการชุบแข็ง ความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง และความต้านทานการกัดกร่อนได้อย่างมาก เหล็กแบริ่งโมลิบดีนัมใช้ในภาชนะรับความดัน ท่อส่งน้ำมันและก๊าซ ชิ้นส่วนยานยนต์ และการใช้งานด้านโครงสร้าง ประมาณ 80% ของโมลิบดีนัมที่ผลิตทั้งหมดไปนำไปใช้ในเหล็กและโลหะผสมของเหล็ก

โมลิบดีนัมยังมีความจำเป็นทางชีวภาพ เนื่องจากเป็นธาตุที่หนักที่สุดที่สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ต้องการ เอนไซม์ไนโตรเจนซึ่งตรึงไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศให้เป็นแอมโมเนียในก้อนรากพืชตระกูลถั่ว ใช้โคแฟกเตอร์ของโมลิบดีนัม-เหล็ก (FeMo-co) ที่บริเวณที่ทำงาน หากไม่มีโมลิบดีนัม การตรึงไนโตรเจนทางชีวภาพและธาตุอาหารพืชตามธรรมชาติส่วนใหญ่จะไม่ทำงาน โมลิบดีนัมเป็นสารอาหารรองในดิน และการขาดโมลิบดีนัมทำให้พืชผลล้มเหลวในดินที่เป็นกรดบางชนิดทั่วโลก

โมลิบดีไนต์ (MoS₂) ก่อตัวเป็นเกล็ดและแผ่นสีเทาเมทัลลิคที่อ่อนนุ่ม ยืดหยุ่น และมีความแวววาวสีน้ำเงิน-เงินที่โดดเด่น — น้ำเงิน-เงินมากกว่าสีเทา-ดำของกราไฟท์เล็กน้อย คุณลักษณะการระบุที่สำคัญ: ความแข็ง Mohs 1–1.5 (อ่อนมาก — นุ่มกว่าเล็บมือ), ความถ่วงจำเพาะ 4.7–4.8 (หนักกว่ากราไฟท์อย่างมากที่ 2.1–2.3), รอยแตกที่ฐานสมบูรณ์แบบทำให้เกิดสะเก็ดบางและยืดหยุ่นได้ และมีริ้วสีเทาแกมเขียวบนกระดาษ (ริ้วของกราไฟท์มีสีเทาดำล้วนมากกว่า)

ความแตกต่างของความหนาแน่นเป็นสนามที่น่าเชื่อถือที่สุด ความแตกต่างระหว่างโมลิบดีไนต์และกราไฟท์ หยิบตัวอย่างโมลิบดีไนต์แต่ละชิ้นขึ้นมา ให้ความรู้สึกหนักกว่าอย่างเห็นได้ชัดเมื่อพิจารณาจากขนาดของมัน สีฟ้าของความแวววาวของโมลิบดีไนต์ (เมื่อเทียบกับสีเทาที่เป็นกลางมากกว่าของกราไฟท์) มีความละเอียดอ่อน แต่มองเห็นได้ด้วยการฝึกฝน ใต้เลนส์ของมือ สะเก็ดโมลิบดีไนต์มักจะแสดงคุณสมบัติที่เป็นโลหะและสะท้อนแสงได้ดีกว่ากราไฟต์

โมลิบดีไนต์เกิดขึ้นในหลอดเลือดดำไฮโดรเทอร์มอลที่มีอุณหภูมิสูงและการสะสมตัวของพอร์ฟีรี ซึ่งโดยทั่วไปจะเกี่ยวข้องกับทองแดง ทังสเตน และแร่ดีบุก แหล่งสะสมที่สำคัญ ได้แก่ จุดไคลแม็กซ์และเฮนเดอร์สัน (โคโลราโด สหรัฐอเมริกา - หนึ่งในแหล่งสะสมโมลิบดีนัมที่ใหญ่ที่สุดในโลก), เอนดาโก (บริติชโคลัมเบีย แคนาดา) และแหล่งพอร์ฟีรี คอปเปอร์-โมลิบดีนัมจำนวนมากในชิลี เหมืองทองแดงขนาดใหญ่หลายแห่งในโลกผลิตโมลิบดีไนต์เป็นผลพลอยได้

โมลิบดีไนต์มีความอ่อนมาก (Mohs 1–1.5) จนแทบไม่ต้องบด — แตกเป็นชิ้นตามแรงกดนิ้ว แยกสะเก็ดโมลิบดีไนต์ออกจากหินหลัก (โดยทั่วไปคือควอตซ์หรือหินแกรนิต) โดยค่อยๆ ทำลายชิ้นงานทดสอบและลอกสะเก็ดโลหะสีเทาออก โมลิบดีไนต์มักเกิดขึ้นเป็นกระจุกหรือเส้นเลือดที่มีความเข้มข้นของ MoS₂ ที่เกือบบริสุทธิ์ภายในควอตซ์ ซึ่งสิ่งเหล่านี้สามารถสกัดออกมาได้อย่างหมดจด

รวบรวมสะเก็ดเป็นกองแล้วชั่งน้ำหนัก คุณต้องการโมลิบดีไนต์ที่ค่อนข้างบริสุทธิ์ 200–400 กรัม วัสดุควรเป็นสะเก็ดโลหะสีเทาเป็นส่วนใหญ่ โดยมีการปนเปื้อนของควอตซ์น้อยที่สุด เนื่องจากโมลิบดีไนต์ไม่ชอบน้ำ (กันน้ำ) ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ใช้ในการลอยฟองในอุตสาหกรรม จึงมีแนวโน้มที่จะไม่เกาะติดกับพื้นผิวที่เปียก ซึ่งสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ในระหว่างการคัดแยก

สวมถุงมือระหว่างหยิบจับ โมลิบดีไนต์ไม่เป็นพิษเฉียบพลัน แต่เกล็ดละเอียดจะเคลือบทุกสิ่งที่สัมผัสด้วยฟิล์มโลหะสีเทา และไม่ควรสูดดมฝุ่นเข้าไป ความรู้สึกลื่นและมันของโมลิบดีไนต์บนนิ้วที่สวมถุงมือของคุณนั้นเหมือนกับกราไฟท์ ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ทำให้เกิดความสับสนระหว่างแร่ธาตุทั้งสองมานานนับศตวรรษ

ภายนอกเท่านั้น — ก่อให้เกิดก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ที่เป็นพิษ การคั่วจะเปลี่ยนโมลิบดีนัมเป็นโมลิบดีนัมไตรออกไซด์: 2MoS₂ + 7O₂ → 2MoO₃ + 4SO₂↑ ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อนอย่างรุนแรง เมื่อเริ่มต้นแล้ว ปฏิกิริยาจะคงอยู่ต่อไปบางส่วน ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO₂) ถูกปล่อยออกมาในปริมาณมากและเป็นก๊าซพิษ ฉุนเฉียว และฉุนเฉียว ยืนได้ดีเหนือลมตลอดเวลา

โรยเกล็ดโมลิบดีไนต์เป็นชั้นบางๆ (ไม่เกิน 1 ซม.) ในจานทนไฟ นำไปตั้งไฟด้วยถ่านที่อุณหภูมิ 500–600 °C โมลิบดีไนต์เริ่มออกซิไดซ์ และสะเก็ดโลหะสีเทาค่อยๆ เปลี่ยนเป็นผงสีขาวอมเหลืองอ่อน ซึ่งก็คือโมลิบดีนัมไตรออกไซด์ (MoO₃) ใช้แท่งเหล็กยาวคนบ่อยๆ เพื่อให้พื้นผิวใหม่สัมผัสกับอากาศ

MoO₃ ระเหิดได้ที่ 795 °C ดังนั้นอย่าให้ความร้อนสูงกว่า 750 °C มิฉะนั้นออกไซด์จะสูญหายไปเป็นไอ นี่คือจุดควบคุมอุณหภูมิวิกฤต หากไฟร้อนเกินไป ไอของ MoO₃ จะออกมาเป็นควันสีขาวละเอียด รักษาอุณหภูมิให้อยู่ในช่วง 500–700 °C และเผื่อเวลาไว้มาก (1–2 ชั่วโมง) เพื่อให้เกิดออกซิเดชันโดยสมบูรณ์ การคั่วจะเสร็จสมบูรณ์เมื่อประจุทั้งหมดเป็นผงสีเหลือง-ขาวซีดโดยไม่มีเกล็ดโลหะสีเทาเหลืออยู่

ผสมผง MoO₃ คั่วกับถ่านผงละเอียดในอัตราส่วนประมาณ 1:0.3 โดยน้ำหนัก ปฏิกิริยารีดักชันคือ: MoO₃ + 3C → Mo + 3CO (แบบง่าย; ซับออกไซด์ระดับกลาง MoO₂ และ Mo₂O₃ ก่อตัวขึ้นในระหว่างการรีดักชันแบบขั้นตอน) บรรจุส่วนผสมให้แน่นในดินเหนียวหรือเบ้าหลอมกราไฟท์

วางเบ้าหลอมในเตาถ่านแบบใช้ลมและให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิสูงสุดที่ทำได้ การลดลงของ MoO₃ ด้วยคาร์บอนเริ่มต้นที่ประมาณ 900 °C และดำเนินไปอย่างรวดเร็วยิ่งขึ้นเมื่อสูงกว่า 1100 °C โมลิบดีนัมมีจุดหลอมเหลว 2,623 °C เช่นเดียวกับทังสเตน มันไม่สามารถละลายในเตาถ่านได้ ผลิตภัณฑ์ก่อตัวเป็นผงโลหะสีเทาหรือมวลซินเทอร์ ไม่ใช่ปุ่มหลอมเหลว

รักษาอุณหภูมิสูงสุดไว้เป็นเวลา 2–3 ชั่วโมง ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ถูกสร้างขึ้น ซึ่งเป็นก๊าซที่ไม่มีกลิ่นและอันตรายถึงชีวิต ดังนั้นการทำงานกลางแจ้งที่มีการระบายอากาศที่ดีจึงเป็นสิ่งจำเป็น ถ้วยใส่ตัวอย่างควรปิดผนึกอย่างดี (ฝาหรือถ้วยใส่ตัวอย่างแบบกลับด้าน) เพื่อรักษาบรรยากาศภายในที่ลดลง เพื่อป้องกันไม่ให้ MoO₃ ระเหิดออกไปก่อนที่จะทำปฏิกิริยากับคาร์บอน

ปล่อยให้ถ้วยใส่ตัวอย่างเย็นสนิท จากนั้นจึงเปิดออก ผลิตภัณฑ์ควรเป็นผงโลหะสีเทาเข้มหรือมวลซินเตอร์บางส่วน ผงโลหะโมลิบดีนัมเป็นสีเทาเงินเข้มเข้มกว่าผงทังสเตน มีความหนาแน่น 10.28 g/cm³ — หนาแน่นกว่าเหล็กอย่างเห็นได้ชัด (7.87) แต่มีความหนาแน่นน้อยกว่าทังสเตน (19.25)

โมลิบดีนัมเป็นพาราแมกเนติก — ไม่ดึงดูดแม่เหล็ก สิ่งนี้แตกต่างจากการปนเปื้อนของเหล็กหรือนิกเกิล ภายใต้เลนส์ของมือ อนุภาคโมลิบดีนัมที่ลดลงอย่างดีจะแสดงความแวววาวของโลหะบนพื้นผิวเกรนแต่ละชิ้น

การทดสอบเพื่อยืนยันทางเคมี: ละลายผงสีเทาจำนวนเล็กน้อยในกรดไนตริกเข้มข้นที่ร้อน โมลิบดีนัมละลายจนได้สารละลายไม่มีสีหรือสีเหลืองอ่อน การเติมแอมโมเนียส่วนเกิน (NH₃) จากนั้นจึงเติมแอมโมเนียมฟอสเฟต ((NH₄)₂HPO₄) ทำให้เกิดตะกอนสีเหลืองเหลืองสดใสของแอมโมเนียม ฟอสโฟโมลิบเดต ((NH₄)₃PMo₁₂O₄₀) — การทดสอบเชิงคุณภาพแบบคลาสสิกสำหรับโมลิบดีนัมที่มีความเฉพาะเจาะจงและมีความไวสูง การตกตะกอนสีเหลืองอันน่าทึ่งนี้เป็นสิ่งที่ไม่ผิดเพี้ยน

การใช้งานจริงของโมลิบดีไนต์โดยตรงที่สุดคือการใช้เป็นสารหล่อลื่นที่เป็นของแข็ง MoS₂ มีค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำที่สุดของวัสดุใดๆ คือ 0.03 ถึง 0.06 เทียบกับ 0.10–0.15 สำหรับกราไฟท์ โครงสร้างผลึกแบบหลายชั้นซึ่งมีอะตอมซัลเฟอร์อยู่บนพื้นผิวด้านนอกของแต่ละชั้น ทำให้เกิดระนาบเลื่อนที่ลื่นตามธรรมชาติ ต่างจากกราไฟท์ (ซึ่งต้องใช้ความชื้นในการหล่อลื่นอย่างมีประสิทธิภาพ) MoS₂ หล่อลื่นได้ดีในสภาพแวดล้อมสุญญากาศและแห้ง ทำให้จำเป็นสำหรับการใช้งานในอวกาศ NASA ใช้น้ำมันหล่อลื่น MoS₂ อย่างกว้างขวางในตลับลูกปืนและกลไกแซทเทิลไลท์

เพื่อแสดงคุณสมบัติของสารหล่อลื่น ให้ถูชิ้นส่วนของโมลิบดีไนต์ดิบบนพื้นผิวโลหะที่สะอาด (แผ่นเหล็กหรือใบมีด) MoS₂ สีเทาถ่ายโอนเป็นฟิล์มบางและยึดเกาะ การถูพื้นผิวทั้งสองที่ผ่านการบำบัดดังกล่าวเข้าด้วยกันแสดงให้เห็นถึงความลื่นที่น่าทึ่ง — การลดแรงเสียดทานเมื่อเปรียบเทียบกับโลหะเปลือยจะเห็นได้ชัดทันที หลักการเดียวกันนี้ใช้ในจาระบีที่ใช้ MoS₂ สารหล่อลื่นแบบสเปรย์ และสารเคลือบสารหล่อลื่นแบบฟิล์มแห้งสำหรับการใช้งานทางอุตสาหกรรม

คุณสมบัติของสารหล่อลื่นเกิดขึ้นจากโครงสร้างผลึก: อะตอมของโมลิบดีนัมแต่ละอะตอมจะถูกพันธะกับอะตอมของกำมะถัน 6 อะตอมในการจัดเรียงปริซึมแบบสามเหลี่ยมสามเหลี่ยม ทำให้เกิดเป็นแผ่น MoS₂ ที่แข็ง ระหว่างแผ่นงาน มีเพียงกองกำลังฟานเดอร์วาลส์ที่อ่อนแอเท่านั้นที่ปฏิบัติการ (ผ่านหน้าสัมผัส S—S) พันธะระหว่างชั้นที่อ่อนแอเหล่านี้ช่วยให้แผ่นเลื่อนทับกันโดยมีความต้านทานน้อยที่สุด ซึ่งเป็นกลไกเดียวกับที่ทำให้กราไฟท์ลื่น แต่มีประสิทธิภาพมากกว่า เนื่องจากปฏิกิริยาระหว่างกำมะถันกับกำมะถันอ่อนกว่าปฏิกิริยาระหว่างคาร์บอนกับคาร์บอนในกราไฟท์

เกล็ดโมลิบดีไนต์และฝุ่น MoO₃ ควรทำความสะอาดด้วยผ้าชุบน้ำหมาด MoO₃ เป็นสารระคายเคืองเล็กน้อยต่อเยื่อเมือก แต่ไม่เป็นพิษสูงต่อมนุษย์ ความเสี่ยงหลักคือต่อปศุสัตว์เคี้ยวเอื้อง (วัวและแกะ) ซึ่งมีความไวต่อโมลิบดีนัมผิดปกติเนื่องจากรบกวนการเผาผลาญทองแดง ทำให้เกิดภาวะที่เรียกว่าโมลิบดีนัม อย่าปล่อย MoO₃ ลงในพื้นที่ทุ่งหญ้า กำจัดสิ่งตกค้างด้วยความรับผิดชอบ

ควรเก็บผงโลหะโมลิบดีนัมไว้ในขวดแก้วที่ปิดสนิท มีความเสถียรในอากาศที่อุณหภูมิห้อง แต่จะออกซิไดซ์เมื่อถูกความร้อน วัสดุไม่เป็นอันตรายต่อการใช้งานเมื่อใช้ถุงมือ

บันทึกการทดลองที่สมบูรณ์: น้ำหนักโมลิบดีไนต์ อุณหภูมิและเวลาในการคั่ว ปริมาณ MoO₃ อัตราส่วนถ่าน อุณหภูมิและเวลาลดลง และผลผลิตผงโลหะขั้นสุดท้าย จากโมลิบดีนัมบริสุทธิ์ 400 กรัม (MoS₂, 60% Mo) ผลผลิตโมลิบดีนัมตามทฤษฎีจะอยู่ที่ 240 กรัม การสูญเสียการคั่ว (การระเหิด MoO₃ หากอุณหภูมิสูงกว่า 750 °C) และการลดลงที่ไม่สมบูรณ์หมายความว่าผลผลิตในทางปฏิบัติจะลดลงอย่างมาก แม้แต่ผงโลหะสีเทาจำนวนเล็กน้อยที่ผ่านการทดสอบความหนาแน่นและฟอสโฟโมลิบเดตยังแสดงถึงการจำลองการทดลองของ Hjelm ในปี 1781 ที่ประสบความสำเร็จ ซึ่งเป็นการแยกองค์ประกอบที่ผู้ผลิตเหล็กจะเรียกว่าขาดไม่ได้ในภายหลัง