Molibdenit'ten Molibdeni Çıkarma — Çeliği Güçlendiren Kaygan Kurşun

Molibden (Mo, element 42), 10.28 g/cm³ yoğunluğuna, 2623 °C erime noktasına (tüm elementlerin altıncı en yüksek) ve 5.5 Mohs sertliğine sahip gümüşü-beyaz, sert bir geçiş metalidir. Krom ve tungsten ile birlikte Grup 6'da yer alır ve tungsten ile birçok özelliği paylaşır: yüksek erime noktası, yüksek sıcaklıkta yüksek mukavemet ve termal ve mekanik stresin istisnai direnci.

Molibdenin en önemli uygulaması, yüksek mukavemetli, düşük alaşımlı (HSLA) çeliklerde bulunur. Çeliğe sadece 0.25–1% molibden eklenmesi, sertleştirilme kabiliyetini, yüksek sıcaklık mukavemetini ve korozyon direncini dramatik olarak artırır. Molibden içeren çelikler, basınç kapları, petrol ve gaz boru hatları, otomotiv bileşenleri ve yapısal uygulamalarda kullanılır. Üretilen tüm molibdenin yaklaşık %80'i çelik ve demir alaşımlarına gider.

Molibden ayrıca biyolojik olarak gereklidir — çoğu canlı organizma tarafından gerekli olduğu bilinen en ağır elementtir. Atmosferik nitrojeni baklagil kök nodüllerinde amonyağa sabitleyen nitrogenaz enzimi, aktif bölgesinde molibden-demir kofaktörü (FeMo-co) kullanır. Molibden olmadan, biyolojik nitrojeni sabitleme — ve bu nedenle çoğu doğal bitki beslemesi — işlev görmez. Molibden toprakta bir iz besin öğesidir ve molibden eksikliği dünya çapında belirli asidik topraklarda ürün kaybına neden olur.

Molibdenit (MoS₂), yumuşak, esnek, metalik gri pullar ve plakalar oluşturur ve karakteristik bir mavimsi-gümüş parlaklığına sahiptir — grafitin gri-siyah parlaklığından biraz daha gümüş-mavimtır. Temel tanımlama özellikleri: Mohs sertliği 1–1.5 (son derece yumuşak — tırnaklardan daha yumuşak), özgül ağırlık 4.7–4.8 (grafitin 2.1–2.3'ünden önemli ölçüde daha ağır), mükemmel bazal yarılma ince, esnek pullar oluşturur ve kağıtta yeşilimsi-gri çizgi bırakır (grafitin çizgisi daha saf siyah-gri).

Yoğunluk farkı, molibdenit ile grafit arasında en güvenilir saha ayırıcısıdır. Her birinin bir örneğini tutun — molibdenit boyutuna göre belirgin şekilde daha ağır hissedilir. Molibdenitin parlaklığının mavimsi tonu (grafitin daha nötr grisine kıyasla) ince ancak pratikle görülebilir. El lensinin altında, molibdenit pulları genellikle grafitten daha metalik, yansıtıcı bir kalite gösterir.

Molibdenit, yüksek sıcaklıklı hidrotermal damarlar ve porfiri yatakları içinde oluşur ve tipik olarak bakır, tungsten ve kalay mineralizasyonu ile ilişkilidir. Büyük yataklar arasında Climax ve Henderson (Colorado, USA — Dünya'nın en büyük molibden yatakları arasında) Endako (British Columbia, Kanada) ve Şili'de çok sayıda porfiri bakır-molibdenit yatakları yer almaktadır. Dünya'nın birçok büyük bakır madeni molibdenit'i yan ürün olarak üretmektedir.

Molibdenit o kadar yumuşaktır (Mohs 1–1.5) ki neredeyse hiç ezilmeye ihtiyaç duymaz — parmak basıncı ile ayrılır. Molibdenit pullarını ana kayadaki (tipik olarak kuvars veya granit) diğer minerallerden ayırın numuneleri nazikçe kırarak ve gri, metalik pulları ayırarak. Molibdenit sıklıkla kuvartzda yoğunlaşmış cep veya damarlar halinde oluşur — bunlar neredeyse saf MoS₂'den temiz bir şekilde çıkarılabilir.

Pulları bir yığın halinde toplayın ve tartın. 200–400 gram nispeten saf molibdenit gereklidir. Malzeme ağırlıklı olarak minimal kuvars kontaminasyonu ile gri, metalik pullardan oluşmalıdır. Molibdenit hidrofobik (suyu itici) olduğundan — endüstriyel köpük flotasyonunda kullanılan bir özellik — ıslak yüzeylere yapışma eğilimindedir, bu da sıralama sırasında avantajlı olabilir.

Taşıma sırasında eldiven giyin. Molibdenit akut olarak toksik değildir, ancak ince pullar temas ettikleri her şeyi gri metalik bir filmle kaplar ve toz solunmamalıdır. Molibdeniti eldivenli parmaklarınızda hissettiren kaygan, yağlı his grafitin benzidir — bu, iki minerali asırlar boyunca karıştırılmasına neden olan özelliktir.

OUTDOORS ONLY — zehirli sülfür dioksit gazı üretir. Kızırtı, molibdenit'i molibden trioksite dönüştürür: 2MoS₂ + 7O₂ → 2MoO₃ + 4SO₂↑. Reaksiyon şiddetle ekzotermiktir — bir kez başlandığında, kısmen kendisini sürdürür. Sülfür dioksit (SO₂) önemli miktarlarda açığa çıkar ve zehirli, boğucu, keskin kokulu bir gazdır. Her zaman rüzgarın tam ters yönünde durun.

Molibdenit pullarını ince bir tabaka halinde (1 cm'den az) bir refrakter kaba yayın. Kömür ateşinde 500–600 °C'de ısıtın. Molibdenit oksitlenmeye başlar ve gri metalik pullar kademeli olarak soluk sarımtırak-beyaz bir tozuna dönüşür — bu molibden trioksittir (MoO₃). Uzun bir çelik çubuğu sık sık karıştırarak yeni yüzeyleri havaya maruz bırakın.

MoO₃ 795 °C'de yükseltgenerek buharlaşır, bu nedenle 750 °C'nin üzerine ısıtmayın aksi takdirde oksit buhar olarak kaybolacaktır. Bu kritik bir sıcaklık kontrol noktasıdır — ateş çok sıcaksa, MoO₃ buharı ince beyaz dumanlar halinde kaçar. Sıcaklığı 500–700 °C aralığında tutun ve tam oksitlenme için bolca zaman ayırın (1–2 saat). Tüm yük soluk sarımtırak-beyaz bir toz halinde ve hiçbir gri metalik pul kalmadığında kızırtı tamamlanmış olur.

Kavurulmuş MoO₃ tozunu ince toz haline getirilmiş kömürle yaklaşık 1:0,3 ağırlık oranında karıştırın. İndirgeme reaksiyonu: MoO₃ + 3C → Mo + 3CO (basitleştirilmiş; kademeli indirgeme sırasında ara oksitler MoO₂ ve Mo₂O₃ oluşur). Karışımı bir kil veya grafit krozeye sıkı şekilde doldurun.

Krozeyi zorunlu hava akışlı kömür fırınına yerleştirin ve ulaşılabilir maksimum sıcaklığa kadar ısıtın. MoO₃'ün karbonla indirgenmesi yaklaşık 900 °C'de başlar ve 1100 °C'nin üzerinde daha hızlı ilerler. Molibdenin erime noktası 2623 °C'dir — tungsten gibi, kömür fırınında ergitilemez. Ürün gri metalik toz veya sinterlemiş kütle şeklinde oluşur, erimemiş top şeklinde değil.

Maksimum sıcaklığı 2–3 saat boyunca koruyun. Karbon monoksit üretilir — kokusuz, ölümcül bir gaz — bu nedenle iyi havalandırmalı açık alan işlemi gereklidir. Kroze, içerideki indirgeyici atmosferi sağlamak için iyi şekilde kapatılmalı (kapak veya ters çevrilmiş kroze), MoO₃'ün karbonla reaksiyona girebilmeden önce sublimasyon yapmasını engelleyecek şekilde.

Krozeyi tamamen soğumasını bekleyin, ardından açın. Ürün koyu gri metalik toz veya kısmen sinterlenmemiş bir kütle olmalıdır. Molibden metal tozu koyu gümüş-gri renktedir, tungsten tozundan daha koyu. Yoğunluğu 10,28 g/cm³'tür — demir (7,87) den dikkat çekici şekilde daha yoğun ancak tungsten (19,25) den daha az yoğundur.

Molibden paramagnetiktir — mıknatıslara çekilmez. Bu, demir veya nikel kontaminasyonundan ayırt edilmesini sağlar. El lensinin altında, iyi indirgenmiş molibden partikülleri bireysel tane yüzeylerinde metalik parıltı gösterir.

Kimyasal onay testi: gri tozun küçük bir miktarını sıcak, konsantre nitrik asitin içinde çözün. Molibden çözünerek renksiz veya soluk sarı çözelti üretir. Aşırı amonyak (NH₃) ve ardından amonyum fosfat ((NH₄)₂HPO₄) eklenmesi amonyum fosfomolibdat ((NH₄)₃PMo₁₂O₄₀) ın parlak kanarya-sarısı çökeltisini üretir — molibden için spesifik ve oldukça hassas olan klasik bir nitel testtir. Bu çarpıcı sarı çökelti yanılmazdır.

Molibdenitin en doğrudan pratik uygulaması katı bir yağlayıcı olarak kullanılmasıdır. MoS₂, herhangi bir malzemenin en düşük sürtünme katsayılarından birine sahiptir — 0,03 ila 0,06, grafit için 0,10–0,15 ile karşılaştırıldığında. Tabakalar arası yüzeyde kükürt atomları bulunan katmanlı kristal yapısı, doğal olarak kaygan kaydırma düzlemleri oluşturur. Grafitin aksine (etkili bir şekilde yağlaması için nemli ortam gerektirir), MoS₂ vakum ve kuru ortamlarda iyi bir şekilde yağlar; bu da onu uzay uygulamaları için gerekli kılar — NASA uydu yatak ve mekanizmalarında MoS₂ yağlayıcıları kapsamlı bir şekilde kullanır.

Yağlayıcı özelliklerini göstermek için, ham molibdenit parçasını temiz bir metal yüzeyine (çelik plaka veya bıçak) ovunuz. Gri MoS₂ ince, yapışkan bir film olarak aktarılır. İki bu şekilde işlenmiş yüzeyi birbirine ovma, dikkat çekici kayganlaştırıcı özelliği gösterir — çıplak metalle karşılaştırıldığında sürtünme azalması hemen belirgin olur. Bu aynı ilke, MoS₂ bazlı gresler, sprey yağlayıcılar ve endüstriyel uygulamalar için kuru film yağlayıcı kaplamalarında kullanılır.

Yağlayıcı özelliği kristal yapısından kaynaklanır: her molibden atomu altı kükürt atomuna trigonal prizmatik bir düzenlemede bağlıdır ve katı MoS₂ tabakalar oluşturur. Tabakalar arasında, yalnızca zayıf van der Waals kuvvetleri işler (S—S kontakları aracılığıyla). Bu zayıf tabakalar arası bağlar, tabakların minimum dirençle birbirinin üzerinden kaymasını sağlar — grafitin kaygan olmasını sağlayan aynı mekanizma, ancak kükürt-kükürt etkileşimleri grafitin karbon-karbon etkileşimlerinden daha zayıf olduğu için daha etkilidir.

Molibdenit pulcukları ve MoO₃ tozu nemli bezlerle temizlenmelidir. MoO₃ mukoz membranlara hafif bir tahriş edicidir ancak insanlar için yüksek oranda toksik değildir — ana risk, bakır metabolizmasını bozarak molibdenozis adı verilen bir durumaya neden olduğundan, molibdene alışılmadık derecede duyarlı olan ruminant hayvanlarına (sığır ve koyun) aittir. MoO₃'ü otlak alanlarına salmayın. Kalıntıları sorumlu bir şekilde bertaraf edin.

Molibden metal tozu kapalı bir cam şişede depolanmalıdır. Oda sıcaklığında havada kararlıdır ancak ısıtıldığında oksitlenir. Malzeme eldiven takarak işlemek için tehlikeli değildir.

Tam deneyi belgeleyin: molibdenit ağırlığı, kavurma sıcaklığı ve süresi, MoO₃ verimi, kömür oranı, indirgeme sıcaklığı ve süresi ve son metal tozu verimi. 400 gram saf molibdenit (MoS₂, %60 Mo) içinden teorik molibden verimi 240 gramdır. Kavurma kayıpları (sıcaklık 750 °C'yi aşarsa MoO₃ sublimasyonu) ve tamamlanmamış indirgeme, pratik verimin önemli ölçüde daha az olacağı anlamına gelir. Yoğunluk ve fosfomolibdat testlerini geçen az miktarda gri metalik tozu, Hjelm'in 1781 deneyi — daha sonra çelik üreticilerin vazgeçilmez olarak adlandıracağı elementin izolasyonu — başarılı bir şekilde tekrarlamak temsil eder.