Chiết xuất Molybdenum từ Molybdenite — Chất chì trơn trượt Tăng cường Thép

Molybdenum (Mo, nguyên tố 42) là một kim loại chuyển tiếp màu bạc trắng, cứng với mật độ 10,28 g/cm³, điểm nóng chảy 2623 °C (cao thứ sáu trong tất cả các nguyên tố), và độ cứng Mohs là 5,5. Nó nằm trong Nhóm 6 cùng với chrome và tungsten, và chia sẻ nhiều tính chất với tungsten: điểm nóng chảy cao, cường độ cao ở nhiệt độ cao, và khả năng chống lại ứng suất nhiệt và cơ học ngoài lệ.

Ứng dụng quan trọng nhất của molybdenum là trong thép có cường độ cao, hợp kim thấp (HSLA). Chỉ cần thêm 0,25–1% molybdenum vào thép sẽ làm tăng đáng kể khả năng quenching, cường độ ở nhiệt độ cao, và khả năng chống ăn mòn. Thép chứa molybdenum được sử dụng trong các bình áp lực, đường ống dầu khí, linh kiện ô tô, và các ứng dụng kết cấu. Khoảng 80% tất cả molybdenum được sản xuất đi vào thép và hợp kim sắt.

Molybdenum cũng rất cần thiết về mặt sinh học — nó là nguyên tố nặng nhất được biết là cần thiết cho hầu hết các sinh vật sống. Enzyme nitrogenase, cố định nitrogen từ không khí thành ammonia trong các u trên rễ cây họ đậu, sử dụng một cofactor molybdenum-sắt (FeMo-co) ở vị trí hoạt động của nó. Nếu không có molybdenum, việc cố định nitrogen sinh học — và do đó hầu hết dinh dưỡng thực vật tự nhiên — sẽ không hoạt động. Molybdenum là một chất dinh dưỡng vi lượng trong đất, và thiếu molybdenum gây hại mùa vụ ở một số đất có tính axit trên toàn thế giới.

Molibdenit (MoS₂) tạo thành các mảnh và tấm mềm, dẻo dai, có màu xám kim loại với độ bóng bạc-xanh đặc trưng — hơi bạc-xanh hơn so với màu xám-đen của graphite. Các đặc điểm nhận dạng chính: độ cứng Mohs 1–1,5 (cực kỳ mềm — mềm hơn móng tay), trọng lượng riêng 4,7–4,8 (nặng hơn đáng kể so với graphite ở 2,1–2,3), phân tách basal hoàn hảo tạo ra các mảnh mỏng, dẻo dai, và một vệt xám-xanh lục trên giấy (vệt graphite là xám-đen thuần chủng hơn).

Sự khác biệt về mật độ là sự phân biệt hiện trường đáng tin cậy nhất giữa molibdenit và graphite. Lấy một mẫu của mỗi loại — molibdenit cảm thấy nặng hơn đáng kể khi xét về kích thước. Sắc thái xanh của độ bóng của molibdenit (so với xám trung tính hơn của graphite) là tinh tế nhưng có thể nhìn thấy với thực hành. Dưới kính lúp cầm tay, các mảnh molibdenit thường hiển thị chất lượng phản xạ, kim loại nhiều hơn graphite.

Molibdenit xuất hiện trong các mạch thủy nhiệt nhiệt độ cao và các lầu porphyry, thường liên kết với khoáng hóa đồng, vonfram và thiếc. Các mỏ lớn bao gồm Climax và Henderson (Colorado, USA — một trong những mỏ molibden lớn nhất trên Trái đất), Endako (British Columbia, Canada), và nhiều mỏ đồng-molibdenit porphyry ở Chile. Nhiều mỏ đồng lớn nhất trên thế giới sản xuất molibdenit như một sản phẩm phụ.

Molybdenite rất mềm (Mohs 1–1.5) nên gần như không cần nghiền — nó sẽ tách thành từng mảnh dưới áp lực của ngón tay. Tách các mảnh molybdenite khỏi đá mẹ (thường là thạch anh hoặc granit) bằng cách nhẹ nhàng làm vỡ mẫu vật và lấy các mảnh kim loại màu xám. Molybdenite thường xuất hiện dưới dạng các túi hoặc mạch tập trung gần như hoàn toàn là MoS₂ trong thạch anh — những túi này có thể được chiết xuất sạch sẽ.

Thu thập các mảnh vào một đống và cân nặng. Bạn cần 200–400 grams molybdenite tương đối tinh khiết. Vật liệu phải chủ yếu là các mảnh kim loại màu xám với sự nhiễm bẩn quartz tối thiểu. Vì molybdenite là những chất kỵ nước (chống nước) — một tính chất được khai thác trong phương pháp tuyển nổi bọt công nghiệp — nó có xu hướng không dính vào các bề mặt ẩm ướt, điều này có thể được sử dụng để có lợi thế trong quá trình phân loại.

Đeo găng tay khi xử lý. Molybdenite không độc tính cấp tính, nhưng các mảnh nhỏ tạo một lớp phim kim loại màu xám trên tất cả những thứ mà chúng chạm vào, và bụi không nên được hít vào. Cảm giác trơn trượt, nhờn của molybdenite trên ngón tay đeo găng tay của bạn giống hệt như graphite — đây là tính chất gây ra sự nhầm lẫn trong hàng thế kỷ giữa hai loại khoáng chất này.

OUTDOORS ONLY — tạo ra khí dioxide lưu huỳnh độc hại. Quá trình rang chuyển molybdenite thành molybdenum trioxide: 2MoS₂ + 7O₂ → 2MoO₃ + 4SO₂↑. Phản ứng tỏa nhiệt mạnh — sau khi bắt đầu, nó tự duy trì một phần. Dioxide lưu huỳnh (SO₂) được giải phóng với lượng lớn và là một khí độc, ngạt, cay xè. Luôn đứng ở vị trí gió cách xa.

Trải các mảnh molybdenite thành một lớp mỏng (dưới 1 cm) trong một bát chịu lửa. Nung trong lửa than đá ở nhiệt độ 500–600 °C. Molybdenite bắt đầu oxi hóa, và các mảnh kim loại xám dần dần biến thành một bột nhạt vàng nhạt-trắng — đây là molybdenum trioxide (MoO₃). Khuấy thường xuyên bằng một thanh thép dài để phơi bày các bề mặt tươi cho không khí.

MoO₃ thăng hoa ở 795 °C, vì vậy không được nung quá 750 °C hoặc oxit sẽ mất đi dưới dạng hơi. Đây là một điểm kiểm soát nhiệt độ quan trọng — nếu lửa quá nóng, hơi MoO₃ sẽ thoát ra dưới dạng khí trắng mịn. Giữ nhiệt độ trong khoảng 500–700 °C và để có đủ thời gian (1–2 giờ) để hoàn toàn oxi hóa. Quá trình rang hoàn tất khi toàn bộ chất là bột vàng nhạt-trắng không còn mảnh kim loại xám.

Trộn bột MoO₃ đã rang với than chì mịn ở tỷ lệ xấp xỉ 1:0,3 theo khối lượng. Phản ứng khử là: MoO₃ + 3C → Mo + 3CO (đơn giản hóa; các oxit con MoO₂ và Mo₂O₃ hình thành trong quá trình khử từng bước). Đóng gói hỗn hợp chặt chẽ vào một lò gạch hoặc gốm graphite.

Đặt lò gạch trong lò than buộc lưu thông không khí và nung đến nhiệt độ cao nhất có thể đạt được. Phản ứng khử MoO₃ bằng carbon bắt đầu ở xấp xỉ 900 °C và diễn ra nhanh hơn ở trên 1100 °C. Molybdenum có điểm nóng chảy là 2623 °C — giống như tungsten, nó không thể được nóng chảy trong lò than. Sản phẩm hình thành dưới dạng bột kim loại màu xám hoặc khối sintered, không phải là một button nóng chảy.

Duy trì nhiệt độ tối đa trong 2–3 giờ. Một oxit carbon được sản xuất — một loại khí không mùi, độc lethality — do đó hoạt động ngoài trời với thông gió tốt là cần thiết. Lò gạch phải được niêm phong tốt (nắp hoặc lò gạch lật ngược) để duy trì bầu không khí khử bên trong, ngăn chặn MoO₃ bốc hơi trước khi nó có thể phản ứng với carbon.

Cho坩埚nguội hoàn toàn, sau đó bẻ nó ra. Sản phẩm sẽ là một bột kim loại màu xám đậm hoặc khối nửa rèn chảy. Bột kim loại molybdenum có màu xám bạc đậm, đậm hơn bột tungsten. Nó có mật độ 10,28 g/cm³ — dày đặc đáng chú ý hơn sắt (7,87) nhưng ít dày đặc hơn tungsten (19,25).

Molybdenum là paramagnetic — không bị hút bởi nam châm. Điều này phân biệt nó với sắt hoặc sự nhiễm bẩn nickel. Dưới kính lúp, các hạt molybdenum được khôi phục tốt cho thấy độ bóng kim loại trên các bề mặt hạt riêng lẻ.

Một bài kiểm tra xác nhận hóa học: hòa tan một lượng nhỏ bột xám trong axit nitric nóng, đặc. Molybdenum hòa tan để tạo ra dung dịch không màu hoặc vàng nhạt. Thêm ammoniac dư (NH₃) và sau đó ammonium phosphate ((NH₄)₂HPO₄) tạo ra một chất kết tủa vàng như vàng canary sáng của ammonium phosphomolybdate ((NH₄)₃PMo₁₂O₄₀) — một bài kiểm tra định tính cổ điển cho molybdenum rất cụ thể và nhạy cảm cao. Chất kết tủa vàng đầy ấn tượng này không thể nhầm lẫn được.

Ứng dụng thực tế trực tiếp nhất của molybdenite là chất bôi trơn rắn. MoS₂ có một trong những hệ số ma sát thấp nhất của bất kỳ vật liệu nào — 0,03 đến 0,06, so với 0,10–0,15 đối với graphite. Cấu trúc tinh thể phân lớp của nó, với các nguyên tử lưu huỳnh trên bề mặt ngoài của mỗi lớp, tạo ra các mặt trượt tự nhiên trơn. Không giống như graphite (yêu cầu độ ẩm để bôi trơn hiệu quả), MoS₂ bôi trơn tốt trong chân không và môi trường khô, làm cho nó cần thiết cho các ứng dụng vũ trụ — NASA sử dụng chất bôi trơn MoS₂ rộng rãi trong các ổ trục vệ tinh và cơ chế.

Để chứng minh các tính chất bôi trơn, hãy cọ một mẩu molybdenite thô trên bề mặt kim loại sạch (một tấm thép hoặc lưỡi dao). MoS₂ màu xám chuyển đổi thành một lớp mỏng, bám dính. Cọ hai bề mặt được xử lý như vậy lại với nhau để chứng minh độ trơn đáng chú ý — sự giảm ma sát so với kim loại trần là rõ ràng ngay lập tức. Nguyên lý tương tự này được sử dụng trong các mỡ dựa trên MoS₂, chất bôi trơn xịt và lớp phủ chất bôi trơn màng khô cho các ứng dụng công nghiệp.

Tính chất bôi trơn phát sinh từ cấu trúc tinh thể: mỗi nguyên tử molybdenum được liên kết với sáu nguyên tử lưu huỳnh trong sắp xếp lăng trụ lượng giác, tạo thành các tấm MoS₂ cứng. Giữa các tấm, chỉ có các lực van der Waals yếu hoạt động (thông qua các tiếp xúc S—S). Những liên kết liên lớp yếu này cho phép các tấm trượt qua nhau với điện trở tối thiểu — cơ chế tương tự làm cho graphite trơn, nhưng hiệu quả hơn vì tương tác lưu huỳnh-lưu huỳnh yếu hơn các tương tác carbon-carbon trong graphite.

Các mảnh molybdenite và bụi MoO₃ nên được làm sạch bằng khăn ẩm. MoO₃ là một chất kích ứng nhẹ đối với các màng nhầy nhưng không độc hại cao đối với con người — nguy hiểm chính là đối với gia súc nhai lại (bò và cừu), những loài vật này rất nhạy cảm với molybdenum vì nó can thiệp vào quá trình chuyển hóa đồng của chúng, gây ra một tình trạng gọi là molybdenosis. Không được phát thải MoO₃ vào các khu vực cỏ chăn thả. Xử lý phế thải một cách có trách nhiệm.

Bột kim loại molybdenum nên được bảo quản trong một lọ thủy tinh kín. Nó ổn định trong không khí ở nhiệt độ phòng nhưng bị oxy hóa khi được nung nóng. Vật liệu này không nguy hiểm khi xử lý với găng tay.

Ghi chép toàn bộ thí nghiệm: khối lượng molybdenite, nhiệt độ và thời gian nung, năng suất MoO₃, tỷ lệ than đá, nhiệt độ và thời gian khử, và năng suất bột kim loại cuối cùng. Từ 400 grams molybdenite tinh khiết (MoS₂, 60% Mo), năng suất molybdenum lý thuyết là 240 grams. Tổn thất khi nung (sự bay hơi MoO₃ nếu nhiệt độ vượt quá 750 °C) và khử không hoàn toàn có nghĩa là năng suất thực tế sẽ ít hơn đáng kể. Ngay cả một lượng nhỏ bột kim loại màu xám vượt qua các phép thử mật độ và phosphomolybdate cũng đại diện cho một sự sao chép thành công của thí nghiệm năm 1781 của Hjelm — cách ly của nguyên tố mà các nhà sản xuất thép sau đó sẽ gọi là không thể thiếu.