Видобування Молібдену з Молібденіту — Ковзкий Свинець, що Зміцнює Сталь

Молібден (Mo, елемент 42) — це срібляво-білий, твердий перехідний метал із густиною 10,28 г/см³, температурою плавлення 2623 °C (шоста найвища серед усіх елементів) та твердістю за Мосом 5,5. Він перебуває в групі 6 разом з хромом і вольфрамом і має багато спільних властивостей з вольфрамом: висока температура плавлення, висока міцність при підвищених температурах і виняткова стійкість до теплового та механічного напруження.

Найважливіша область застосування молібдену — сталі високої міцності з низьким вмістом легуючих елементів (HSLA). Додавання лише 0,25–1% молібдену до сталі значно підвищує її гартовність, міцність при високих температурах та стійкість до корозії. Сталі, що містять молібден, використовуються у посудинах під тиском, трубопроводах нафти та газу, автомобільних компонентах і конструкційних застосуваннях. Приблизно 80% усього вироблюваного молібдену використовується у сталях і залізних сплавах.

Молібден також біологічно необхідний — це найважчий елемент, необхідний для більшості живих організмів. Фермент нітрогеназа, яка фіксує атмосферний азот у аміак у кореневих бульбочках бобових рослин, використовує молібден-залізний кофактор (FeMo-co) на своїй активній ділянці. Без молібдену біологічна азотна фіксація — а отже, більшість природного живлення рослин — не функціонуватиме. Молібден є мікронутрієнтом у ґрунтах, а дефіцит молібдену спричиняє невдачу врожаю у певних кислих ґрунтах у всьому світі.

Молібденіт (MoS₂) утворює м'які, гнучкі, металічно-сірі лусочки й пластини з характерним синювато-срібним блиском — дещо більш срібно-блакитний, ніж чорнувато-сірий графіт. Ключові ознаки визначення: твердість за Мосом 1–1,5 (надзвичайно м'який — м'якший за нігтьь), питома вага 4,7–4,8 (значно важче графіту з показником 2,1–2,3), досконала базальна спайність, що утворює тонкі, гнучкі лусочки, і сіро-зелена риска на папері (риска графіту більш чисто чорнувато-сіра).

Різниця в густині — найбільш надійна ознака розрізнення молібденіту й графіту у польових умовах. Візьміть зразок кожного мінералу — молібденіт помітно важче за своїм розміром. Синюватий відтінок блиску молібденіту (порівняно з більш нейтральним сірим графіту) тонкий, але помітний при певній практиці. Під лупою лусочки молібденіту часто показують більш металічну, відбивну якість, ніж графіт.

Молібденіт зустрічається у гідротермальних жилах високої температури і порфірових родовищах, типово пов'язаний з мідною, вольфрамовою та олов'яною мінералізацією. Основні родовища включають Климакс та Гендерсон (Колорадо, USA — одні з найбільших молібденових родовищ на Землі), Ендако (Британська Колумбія, Канада) та численні порфірові мідно-молібденові родовища в Чилі. Багато великих мідних шахт світу виробляють молібденіт як побічний продукт.

Молібденіт настільки м'який (за шкалою Мооса 1–1,5), що практично не потребує дроблення — він розшаровується від натиску пальців. Відокремте лусочки молібденіту від гірської породи-хазяйки (зазвичай кварцу або граніту), м'яко розбиваючи зразки та відшаровуючи сірі, металічні лусочки. Молібденіт часто трапляється у вигляді концентрованих кишень або жил майже чистого MoS₂ всередині кварцу — їх можна видобути чисто.

Зберіть лусочки в купу та зважте. Вам потрібно 200–400 грамів відносно чистого молібденіту. Матеріал має переважно складатися з сірих, металічних лусочок із мінімальним забрудненням кварцом. Оскільки молібденіт є гідрофобним (водовідштовхуючим) — властивість, яку використовують в промисловій флотації піною — він не має тенденції прилипати до вологих поверхонь, що можна використати на користь під час сортування.

Надягайте рукавиці під час роботи. Молібденіт не є гостро токсичним, але тонкі лусочки покривають все, до чого вони дотикаються, сірою металічною плівкою, і пил не повинен вдихатися. Ковзкий, жирний відчуття молібденіту на ваших рукавичках ідентичний графіту — це властивість, яка спричинила століття плутанини між цими двома мінералами.

OUTDOORS ONLY — виділяє токсичний газ діоксид сірки. Прожарювання перетворює молібденіт на триоксид молібдену: 2MoS₂ + 7O₂ → 2MoO₃ + 4SO₂↑. Реакція сильно екзотермічна — після початку вона частково підтримує себе сама. Діоксид сірки (SO₂) виділяється у значних кількостях і є токсичним, задушливим, їдким газом. Завжди стійте з боку вітру на значній відстані.

Розкладіть пластинки молібденіту тонким шаром (менш ніж 1 см) у вогнетривку посуду. Нагрівайте у вугільному вогні до 500–600 °C. Молібденіт починає окислюватися, і сірі металічні пластинки поступово перетворюються у світлий жовто-білий порошок — це триоксид молібдену (MoO₃). Часто перемішуйте довгою сталевою палицею, щоб відкрити свіжі поверхні для контакту з повітрям.

MoO₃ сублімується при 795 °C, тому не нагрівайте вище 750 °C, інакше оксид втратиться як пара. Це критична точка контролю температури — якщо вогонь занадто гарячий, пара MoO₃ виходить як тонкий білий дим. Тримайте температуру в діапазоні 500–700 °C і дайте достатньо часу (1–2 години) для повного окислення. Прожарювання завершене, коли весь матеріал перетвориться на світло-жовто-білий порошок без залишків сірих металічних пластинок.

Змішайте прожарений порошок MoO₃ з дрібно розмеленим деревним вугіллям у співвідношенні приблизно 1:0,3 за масою. Реакція відновлення: MoO₃ + 3C → Mo + 3CO (спрощено; проміжні субоксиди MoO₂ та Mo₂O₃ утворюються під час поетапного відновлення). Щільно упакуйте суміш у глиняний або графітовий тигель.

Помістіть тигель у піч з примусовою циркуляцією повітря на вугіллі та нагрівайте до максимально досяжної температури. Відновлення MoO₃ вуглецем починається приблизно при 900 °C і протікає швидше вище 1100 °C. Молібден має температуру плавлення 2623 °C — як вольфрам, його не можна розплавити у вугільній печі. Продукт утворюється у вигляді сірого металевого порошку або спіченої маси, а не розплавленої кульки.

Утримуйте максимальну температуру протягом 2–3 годин. Утворюється оксид вуглецю — безколірний смертельний газ — тому необхідна робота на відкритому повітрі з хорошою вентиляцією. Тигель повинен бути добре герметизований (кришка або перевернутий тигель), щоб підтримувати відновлювальну атмосферу всередині й запобігти сублімації MoO₃ до того, як він зможе вступити в реакцію з вуглецем.

Дайте тиглю повністю охолонути, а потім розбийте його. Продукт повинен бути темно-сірим металічним порошком або частково спіченою масою. Молібденовий металічний порошок має темно-срібно-сірий колір, темніший за порошок вольфраму. Він має густину 10,28 г/см³ — помітно густіший за залізо (7,87), але менш густий за вольфрам (19,25).

Молібден є парамагнітним — не притягується до магнітів. Це відрізняє його від забруднення залізом або нікелем. Під лупою добре відновлені частинки молібдену показують металічний блиск на поверхнях окремих зерен.

Хімічний тест підтвердження: розчинити невелику кількість сірого порошку у гарячій концентрованій азотній кислоті. Молібден розчиняється з утворенням безбарвного або бліді жовтого розчину. Додавання надлишку амоніаку (NH₃) і потім амонійфосфату ((NH₄)₂HPO₄) дає яскравий канарково-жовтий осад амонійфосфомолібдату ((NH₄)₃PMo₁₂O₄₀) — класичний якісний тест на молібден, який є специфічним і високочутливим. Цей разючий жовтий осад не можна помилити.

Найбільш прямим практичним застосуванням молібденіту є його використання як твердого мастила. MoS₂ має один з найнижчих коефіцієнтів тертя серед усіх матеріалів — 0,03–0,06, у порівнянні з 0,10–0,15 для графіту. Його шарувата кристалічна структура, зі атомами сірки на зовнішніх поверхнях кожного шару, створює природно ковзні площини ковзання. На відміну від графіту (який потребує вологи для ефективного мастила), MoS₂ добре змащує у вакуумі та сухому середовищі, що робить його важливим для космічних застосувань — NASA широко використовує мастила MoS₂ в підшипниках і механізмах супутників.

Щоб продемонструвати властивості мастила, потріть шматок сирого молібденіту по чистій металевій поверхні (стальній пластині або лезу ножа). Сірий MoS₂ передається тонкою, адгезійною плівкою. Потирання двох таких обробленої поверхонь разом демонструє чудову ковзкість — зменшення тертя порівняно з голим металом відразу ж очевидне. Цей же принцип використовується в мастилах на основі MoS₂, спреях-мастилах і сухих плівкових мастильних покриттях для промислових застосувань.

Властивість мастила виникає з кристалічної структури: кожен атом молібдену пов'язаний з шістьма атомами сірки в тригональному призматичному розташуванні, утворюючи жорсткі листи MoS₂. Між листами діють лише слабкі ван-дер-ваальсові сили (через контакти S—S). Ці слабкі міжшарові зв'язки дозволяють листам ковзати один над одним з мінімальним опором — той же механізм, який робить графіт ковзким, але більш ефективний, оскільки взаємодії сірка-сірка слабші за взаємодії вуглець-вуглець у графіті.

Мольбденітові пластинки та пил MoO₃ слід очищати вологими тканинами. MoO₃ є м'яким подразником слизових оболонок, але не особливо токсичний для людей — основний ризик існує для жуйних тварин (великої рогатої худоби та овець), які мають незвичайну чутливість до молібдену, оскільки він порушує їхній мідний метаболізм, викликаючи стан, який називається молібденозом. Не допускайте потрапляння MoO₃ на пасовища. Утилізуйте залишки відповідально.

Порошок молібдену слід зберігати в запечатаній скляній склянці. Він стабільний на повітрі при кімнатній температурі, але окислюється при нагріванні. Матеріал не небезпечний у поводженні в рукавичках.

Задокументуйте повний експеримент: масу мольбденіту, температуру та час прожарювання, вихід MoO₃, відношення вугілля, температуру та час відновлення, та кінцевий вихід металічного порошку. З 400 грамів чистого мольбденіту (MoS₂, 60% Mo) теоретичний вихід молібдену становить 240 грамів. Втрати при прожарюванні (сублімація MoO₃, якщо температура перевищила 750 °C) та неповне відновлення означають, що практичний вихід буде значно менший. Навіть невелика кількість сірого металічного порошку, який проходить випробування на щільність та фосфомолібдатом, являє собою успішну репродукцію експерименту Гьєльма 1781 року — виділення елемента, який металурги згодом назвали незамінним.