Ekstrakcja molibdenu z molibdenytu — Śliska substancja, która wzmacnia stal

Molibden (Mo, pierwiastek 42) jest silvery-white, twardym metalem przejściowym o gęstości 10,28 g/cm³, temperaturze topnienia 2623 °C (szósta najwyższa ze wszystkich pierwiastków) i twardości Mohsa 5,5. Znajduje się w grupie 6 obok chromu i wolframu i ma wiele wspólnych właściwości z wolframem: wysoka temperatura topnienia, wysoka wytrzymałość w podwyższonych temperaturach i wyjątkowa odporność na naprężenia termiczne i mechaniczne.

Najważniejszym zastosowaniem molibdenu jest wysokowytrzymałe stale niskowęglowe (HSLA). Dodanie zaledwie 0,25–1% molibdenu do stali dramatycznie zwiększa jej hartowność, wytrzymałość w wysokiej temperaturze i odporność na korozję. Stale zawierające molibden są używane w zbiornikach ciśnieniowych, rurociągach naftowych i gazowych, komponentach motoryzacyjnych i zastosowaniach konstrukcyjnych. Approximately 80% całej wytwarzanej molibdenu trafia do stali i stopów żelaza.

Molibden jest również niezbędny biologicznie — jest to najcięższy znany pierwiastek wymagany przez większość organizmów żywych. Enzym nitrogenaza, która wiąże atmosferyczny azot w amoniak w brodawkach korzeniowych roślin strączkowych, wykorzystuje kofaktor molibdenowo-żelazowy (FeMo-co) w swoim centrum aktywnym. Bez molibdenu biologiczne wiązanie azotu — a zatem większość naturalnego odżywiania roślin — nie by się odbywać. Molibden jest pierwiastkiem śladowym w glebach, a niedobór molibdenu powoduje niepowodzenie upraw w niektórych kwaśnych glebach na całym świecie.

Molibdenit (MoS₂) tworzy miękkie, elastyczne, metalicznie szare płatki i płytki z charakterystycznym błękitno-srebrnym połyskiem — nieco bardziej srebrzysty-niebieski niż szaro-czarny grafit. Kluczowe cechy identyfikacyjne: twardość w skali Mohsa 1–1,5 (niezwykle miękki — miększy niż paznokieć), ciężar właściwy 4,7–4,8 (znacznie cięższy od grafitu o wartości 2,1–2,3), doskonałe spajanie bazalne tworzące cienkie, elastyczne płatki oraz zielonkawo-szary zarys na papierze (zarys grafitu jest bardziej czysty czarno-szary).

Różnica gęstości jest najbardziej niezawodnym polowym rozróżnieniem między molibdenitem a grafitem. Weź próbkę każdego z nich — molibdenit czuje się zauważalnie cięższy w stosunku do wielkości. Błękitny odcień połysku molibdenitu (w porównaniu z bardziej neutralnym szarym kolorem grafitu) jest subtelny, ale widoczny po przećwiczeniu. Pod lupą, płatki molibdenitu często wykazują bardziej metaliczny, odbijający jakość niż grafit.

Molibdenit występuje w żyłach hydrotermalnych o wysokiej temperaturze i złożach porfirowych, zwykle powiązany z mineralizacją miedzi, wolframu i cyny. Główne złoża obejmują Climax i Henderson (Kolorado, USA — jedno z największych złóż molibdenu na Ziemi), Endako (Kolumbia Brytyjska, Kanada) i liczne złoża porfirowo-miedziano-molibdenowe w Chile. Wiele dużych kopalni miedzi na świecie produkuje molibdenit jako produkt uboczny.

Molibdenit jest tak miękki (twardość Mohsa 1–1,5), że wymaga prawie żadnego kruszenia — rozpada się na płatki pod naciskiem palca. Oddziel płatki molibdenitu od породy macierzystej (zwykle kwarcu lub granitu), delikatnie łamiąc próbki i oddzielając szare, metaliczne płatki. Molibdenit często występuje w postaci skoncentrowanych kieszeni lub żył prawie czystego MoS₂ w kwarcu — można je wydobyć czysto.

Zbierz płatki w stos i zważ. Potrzebujesz 200–400 gramów stosunkowo czystego molibdenitu. Materiał powinien składać się głównie z szarych, metalicznych płatków z minimalnym zanieczyszczeniem kwarcowym. Ponieważ molibdenit jest hydrofobowy (odpychający wodę) — właściwość wykorzystywana w przemysłowej flotacji pianowej — ma tendencję do nieprzylegania do mokrych powierzchni, co można wykorzystać podczas sortowania.

Noś rękawiczki podczas manipulacji. Molibdenit nie jest ostro toksyczny, ale drobne płatki pokrywają wszystko, czego dotykają, szarą metaliczną warstwą, a pył nie powinien być wdychany. Ślizgawa, tłusta konsystencja molibdenitu na rękawiczkach jest identyczna z grafitem — to właściwość, która przez wieki powodowała zamieszanie między tymi dwoma minerałami.

OUTDOORS ONLY — wytwarza toksyczny dwutlenek siarki. Prażenie konwertuje molibdenit na trioksyd molibdenu: 2MoS₂ + 7O₂ → 2MoO₃ + 4SO₂↑. Reakcja jest silnie egzotermiczna — po rozpoczęciu częściowo się sama utrzymuje. Dwutlenek siarki (SO₂) jest uwalniany w znacznych ilościach i jest toksycznym, duszącym, kąśliwym gazem. Zawsze stój dobrze pod wiatr.

Rozłóż płatki molibdenu w cienką warstwę (poniżej 1 cm) w naczyniu ogniotrwałym. Nagrzewaj w ogniu drzewnym do 500–600 °C. Molibdenit zaczyna się utleniać, a szare metaliczne płatki stopniowo przemieniają się w jasny żółtobiały proszek — to jest trioksyd molibdenu (MoO₃). Często mieszaj długim prętem stalowym, aby odsłonić świeże powierzchnie powietrzu.

MoO₃ sublimuje się w 795 °C, dlatego nie nagrzewaj powyżej 750 °C lub tlenek zostanie stracony w postaci pary. To krytyczny punkt kontroli temperatury — jeśli ogień jest za gorący, para MoO₃ ucieka jako drobne białe opary. Utrzymuj temperaturę w zakresie 500–700 °C i pozwól na wystarczająco dużo czasu (1–2 godzin) na pełne utlenienie. Prażenie jest zakończone, gdy cały ładunek to jasny żółtobiały proszek bez pozostałych szarych metalicznych płatków.

Wymieszaj spieczoną MoO₃ w proszku z finely rozdrobnionym węglem drzewnym w stosunku w przybliżeniu 1:0,3 wagowo. Reakcja redukcji to: MoO₃ + 3C → Mo + 3CO (uproszczona; pośrednie sublenki MoO₂ i Mo₂O₃ tworzą się podczas stopniowej redukcji). Załóż mieszaninę szczelnie w tygiel gliniasty lub grafikowy.

Umieść tygiel w piecu węglowym z wymuszonym przepływem powietrza i ogrzej do maksymalnie osiągalnej temperatury. Redukcja MoO₃ węglem rozpoczyna się w przybliżeniu na 900 °C i przebiega szybciej powyżej 1100 °C. Molibden ma temperaturę topnienia 2623 °C — jak wolfram, nie można go stopić w piecu węglowym. Produkt powstaje jako szary proszek metaliczny lub masa spieczona, a nie button stopionych materiałów.

Utrzymuj maksymalną temperaturę przez 2–3 godziny. Tlenek węgla jest wytwarzany — bezwonny, śmiertelny gaz — dlatego konieczne jest działanie na świeżym powietrzu z dobrą wentylacją. Tygiel powinien być dobrze uszczelniony (pokrywa lub odwrócony tygiel), aby utrzymać atmosferę redukującą wewnątrz, zapobiegając sublimacji MoO₃ przed jego reaction z węglem.

Pozwól tyglowi całkowicie ostygnąć, a następnie otwórz go. Produkt powinien być ciemnoszarym metalicznym proszkiem lub częściowo spiekaną masą. Proszek metaliczny molibdenu ma ciemnoszary kolor, ciemniejszy niż proszek wolframu. Ma gęstość 10,28 g/cm³ — zauważalnie gęstszy niż żelazo (7,87), ale mniej gęsty niż wolfram (19,25).

Molibden jest paramagnetyczny — nie przyciągany przez magnesy. To odróżnia go od zanieczyszczenia żelazem lub niklem. Pod lupą, dobrze zredukowane cząstki molibdenu wykazują metaliczny połysk na poszczególnych powierzchniach ziaren.

Chemiczny test potwierdzający: rozpuść małą ilość szarego proszku w gorącej, stężonej kwasie azotowym. Molibden rozpuszcza się, tworząc bezbarwny lub bladożółty roztwór. Dodanie nadmiaru amoniaku (NH₃), a następnie fosforianu amonu ((NH₄)₂HPO₄) daje jasny kanarkowy precypitat fosfomomolibdenu amonu ((NH₄)₃PMo₁₂O₄₀) — klasyczny jakościowy test na molibden, który jest specyficzny i niezwykle czuły. Ten uderzający żółty precypitat jest nie do pomylenia.

Najbardziej bezpośrednim praktycznym zastosowaniem molibdeniту jest zastosowanie go jako stałego smaru. MoS₂ ma jeden z najniższych współczynników tarcia spośród wszystkich materiałów — od 0,03 do 0,06, w porównaniu do 0,10–0,15 dla grafitu. Jego warstwowa struktura krystaliczna, z atomami siarki na zewnętrznych powierzchniach każdej warstwy, tworzy naturalnie śliskie płaszczyzny poślizgu. W przeciwieństwie do grafitu (który wymaga wilgoci, aby działać jako skuteczny smar), MoS₂ dobrze smaruje w próżni i suchych warunkach, co czyni go niezbędnym do zastosowań kosmicznych — NASA używa smarów MoS₂ w szerokim zakresie w łożyskach satelitarnych i mechanizmach.

Aby zademonstrować właściwości smaru, przetrzeć kawałek surowego molibdeniту na czystej powierzchni metalowej (stalowej płytce lub ostrzu noża). Szary MoS₂ przenosi się jako cienka, przyczepna warstwa. Potarcie dwiema takimi obrobionym powierzchniami demonstruje niezwykłą ślizkość — zmniejszenie tarcia w porównaniu z nagim metalem jest natychmiast widoczne. Ta sama zasada jest stosowana w smarach na bazie MoS₂, smarach w sprayu i suchych powłokach smarujących do zastosowań przemysłowych.

Właściwość smaru wynika ze struktury krystalicznej: każdy atom molibdenu wiąże się z sześcioma atomami siarki w układzie graniastosłupa trygonalnego, tworząc sztywne arkusze MoS₂. Pomiędzy arkuszami działają tylko słabe siły van der Waalsa (poprzez kontakty S—S). Te słabe wiązania międzywarstwowe pozwalają arkuszom ślizgać się po sobie z minimalnym oporem — ten sam mechanizm, który czyni grafit śliskim, ale bardziej efektywny, ponieważ oddziaływania siarki-siarki są słabsze niż oddziaływania węgiel-węgiel w graficie.

Płatki molibdenu i pył MoO₃ powinny być usuwane wilgotnymi ściereczkami. MoO₃ jest łagodnym drażnikiem błon śluzowych, ale nie jest wysoce toksyczny dla ludzi — główne ryzyko dotyczy przeżuwaczy (bydła i owiec), które są niezwykle wrażliwe na molibden, ponieważ zakłóca on ich metabolizm miedzi, powodując stan zwany molibdenozą. Nie uwalniaj MoO₃ na pastwiska. Bezpiecznie pozbywaj się pozostałości.

Proszek molibdenu powinien być przechowywany w zapieczętowanej szklanej fiolce. Jest stabilny w powietrzu w temperaturze pokojowej, ale utlenia się po ogrzaniu. Material nie stanowi zagrożenia podczas obsługi w rękawiczkach.

Udokumentuj całe doświadczenie: wagę molibdenu, temperaturę i czas prażenia, wydajność MoO₃, stosunek węgla, temperaturę i czas redukcji oraz końcową wydajność proszku metalicznego. Z 400 gramów czystego molibdenu (MoS₂, 60% Mo) teoretyczna wydajność molibdenu wynosi 240 gramów. Straty podczas prażenia (sublimacja MoO₃ jeśli temperatura przekroczyła 750 °C) i niekompletna redukcja oznaczają, że praktyczna wydajność będzie znacznie mniejsza. Nawet mała ilość szarego proszku metalicznego, który przejdzie testy gęstości i fosfomolidbdenu, reprezentuje udane zreplikowanie eksperymentu Hjelmsa z 1781 roku — izolację pierwiastka, który producenci stali później nazwali niezastąpionym.