عنصر فلزی مولیبدن (MO) و کاربردهای گسترده آن

توضیحات کلی درباره مولیبدن

مولیبدن یک عنصر شیمیایی با نماد MO و عدد اتمی 42 است و ریشه کلمه از نئولاتین و زبان یونانی باستان گرفته شده است. در واقع molybdos به معنای سرب است (Lead) و به دلیل اینکه سنگ های معدن سرب مشابه با سنگ معدن معدن مولیبدن بود و به اشتباه گرفته می شدند به این اسم نام گذاری شده است. عنصر مولیبدن در سال 1778 توسط Wilhem Scheele کشف و در سال 1781 برای اولین بار توسط پیتر جیکوب (Peter Jacob) جدا شد.

مولیبدن به طور طبیعی به عنوان یک فلز آزاد روی زمین وجود ندارد. این ماده فقط در حالات مختلف اکسیداسیون در مواد معدنی یافت می شود. عنصر آزاد آن، یک فلز نقره ای/خاکستری است که ششمین نقطه جوش بالا را بین تمامی عناصر داراست. این ماده به راحتی کاربیدهای سخت و پایدار در آلیاژها را تشکیل می دهد و به همین دلیل بیشتر تولید جهان از این عنصر (حدود 80%) در آلیاژهای فولادی از جمله آلیاژهای با استحکام بالا و ابرآلیاژها استفاده می شود.

اکثر ترکیب های مولیبدن حلالیت پایینی در آب دارند اما هنگامی که مواد مولیبدن با اکسیژن و آب در تماس باشد، یون مولیبدات Mo(O₄)^-2 تشکیل شده کاملا قابل حل می شود. آنزیم های مولیبدن متداول ترین کاتالیست باکتریایی برای شکستن پیوند شیمیایی در مولکول نیروژن موجود در جو(اتمسفر) در فرآیند تثبیت بیولوژیکی نیتروژن هستند. حداقل 50 آنزیم مولیبدن اکنون در باکتری ها، گیاهان و حیوانات شناخته شده است. اگر چه فقط آنزیم های باکتریایی و سیانوباکتریایی در تثبیت نیروژن دخیل هستند.

تاریخچه استخراج مولیبدن از معادن

از نظر تاریخی، معدن Knaben در جنوب نروژ در سال 1885 افتتاح شد و اولین معدن مولیبدن در جهان بود. در سال 1973 بسته شد و در سال 2007 مجدد بازگشایی شد. این معدن در حال حاضر 100 هزار کیلوگرم مولیبدن سولفید در سال تولید می کند. در معادن بزرگ در کلرادو (مانند معدن Hederson و معدن Climax) و منطقه بریتیش کلمبیا، مولیبدنت به عنوان محصول اصلی تولید شده آنهاست ولی بسیاری از معادن در شمال شیلی مولیبدن را به عنوان محصول جانبی معدن مس تولید می کنند.

ویژگی های فیزیکی

در حالت خالص، مولیبدن یک فلز نقره ای/خاکستری با منحنی موس* 5.5 است. وزن اتمی استاندارد آن 95.959 gr/mol و نقطه جوش آن 2.623 درجه سانتی گراد (4.753 درجه فارنهایت) است.

میان عناصر طبیعی تنها تانتالوم (Ta)، اسمیوم(Os)، رنیوم(Re)، تنگستن(W) و کربن(C) نقاط جوش بالاتر نسبت به مولیبدن دارد. این عنصر یکی از پایین ترین ضرایب انبساط حرارتی را درون فلزات تجاری دارد.

استحکام کششی سیم های مولیبدن با کاهش قطر از 50-100 نانومتر به 10 نانومتر، حدود 3 برابر (از 10 تا 30 GPa) افزایش می یابد.

       * مقیاس سختی مواد معدنی موس یک روش کیفی برای تشخیص مقاومت مواد معدنی مختلف از طریق سنجش ایجاد خراش مواد سخت تر بر روی مواد نرم تر است که در سال 1812 توسط زمین شناس و کانی شناس آلمانی فردریچ موس [Friedrich Mohs] اختراع شد.

ویژگی های شیمیایی

مولیبدن یک فلز انتقالی یا واسطه (Transition metal) با الکترونگاتیوی 2.16 در مقیاس پاولینگ (Pauling Scale) است. در مقابل دید (چشم غیرمسلح) و در دمای اتاق با اکسیژن یا آب واکنش نمی دهد. اکسیداسیون ضعیف مولیبدن در دمای 300 درجه سانتی گراد (572 درجه فارنهایت) شروع می شود.

کاربردها

حدود 86% از مولیبدن تولید شده در فلزسازی استفاده می شود و مابقی در کاربردهای شیمیایی. کاربرد جهانی تخمین زده شده برای فولاد ساختاری 35%، فولاد ضد زنگ 25%، مواد شیمیایی 14%، فولادهای ابزاری و پر سرعت 9%، چدن 6%، فلز اصلی مولیبدن 4% و ابرآلیاژها 5%.

مولیبدن می تواند در مقابل دماهای بسیار بالا بدون تغییر و نرم شدن قابل ملاحظه ای مقاومت کند که آن را برای استفاده در محیط های با حرارت شدید از جمله زره های نظامی، قطعات هواپیما، کنتاکت های برقی، موتورهای صنعتی و فیلامنت ها (filament) مفید واقع شود.

بیشتر آلیاژهای فولادی با استحکام بالا (به عنوان مثال: فولادهای 41xx) حاوی 0.25% تا 8% مولیبدن هستند. حتی در این بخش های کوچک، سالانه بیش از 43000 تن مولیبدن در فولادهای ضدزنگ، فولادهای ابزاری، چدن ها و ابرآلیاژهای دما بالا استفاده می شود. مولیبدن به دلیل مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت جوشکاری بسیار زیاد، در آلیاژهای فولادی ارزش دارد. به دلیل دانسیته پایین و قیمت پایدار، مولیبدن گاهی به جای تنگستن استفاده می شود.

آلیاژهای برپایه مولیبدن که حاوی آهن نیستند کاربردهای محدودی دارند. برای مثال: به دلیل مقاومت مولیبدن در برابر روی مذاب (molten zinc)، هم مولیبدن خالص و هم آلیاژهای مولیبدن-تنگستن (70%/30%) برای لوله کشی، همزن ها و پره های پمپ که با مواد مذاب روی در تماس هستند استفاده می شوند.

سایر کاربردهای مولیبدن خالص

پودر مولیبدن به عنوان کود برای برخی گیاهان استفاده می شود مانند گل کلم.

مولیبدن اصلی در آنالیزهای NO، NO₂، NO_X در نیروگاه برای کنترل آلودگی استفاده می شود. در دمای 350 سانتی گراد (662 درجه فارنهایت) این عنصر مانند یک کاتالیزور برای NO₂/NO_X عمل می کند تا مولکول های NO را برای تشخیص نور مادون قرمز تشکیل دهد.

آندهای مولیبدن در منابع پرتو-ایکس با ولتاژ پایین که برای مصارف تخصصی مانند ماموگرافی استفاده می شود، جایگزین تنگستن می شود.

ایزوتوپ رادیواکیتو مولیبدن-99 برای تولید تکتیوم m99 وتصویربردای پزشکی استفاده می شود. ایزوتوپ به عنوان مولیبدات (molybdate) رسیدگی و ذخیره می شود.

ایزوتوپ های مولیبدن

35 ایزوتوپ شناخته شده مولیبدن وجود دارد که در محدوده جرم اتمی 83 تا 117 قرار دارند. هفت مورد از این ایزوتوپ ها به صورت طبیعی وجود دارند با اعداد اتمی 92، 94، 95، 96، 97، 98 و 100. از بین این ایزوتوپ های طبیعی، تنها مولیبدن-100 غیر پایدار است.

مولیبدن-98 جز فراوان ترین ایزوتوپ است که حدود 24.14% از کل مولیبدن را تشکیل می دهد. مولیبدن-100 دارای نیمه عمر تقریبا 10¹⁹ سال است ایزوتوپ های مولیبدن 111 تا 117 نیمه عمر تقریبی 150 نانوثانیه دارند.

تمام ایزوتوپ های ناپایدار مولیبدن به ایزوتوپ های نیوبیوم (niobium)، تکنتیم(technetium) و رتنیوم(ruthenium) واپاشی می شود. متداول ترین کاربردهای مولیبدن شامل مولیبدن-99 که محصول شکافت (Fission) است و این ایزومر هسته ای کاربردهای پزشکی دارد.

ترکیبات مولیبدن

مولیبدن ترکیبات شیمیایی با اعداد اکسایش -2 تا +6 را تشکیل می دهد. اعداد اکسیداسیون بالاتر به پیشامدهای زمینی و بیولوژیکی مربوط است، اعداد اکسایش میانی اغلب با خوشه های فلزی همراه است. اعداد اکسایش بسیار کم معمولا با ترکیبات Organomolybdenum همراه است.

اشکال قابل دسترس فلز مولیبدن

• شمش
• میله یا سیم
• ورقه‌های شکل‌پذیر و فشرده
• بلورهای بزرگ منفرد
• پودر