Molybdenum

Молибден — химический элемент, обозначаемый символом Mo и имеющий атомный номер 42. Его название происходит от древнегреческого слова mólybdos, означающего свинец, что связано с путаницей, возникшей из-за того, что его руды часто принимали за свинцовые. Хотя минералы молибдена были известны на протяжении веков, впервые элемент был признан самостоятельным веществом в 1778 году Карлом Вильгельмом Шееле, а чистый металл был выделен три года спустя, в 1781 году, Петером Якобом Хьельмом. На Земле молибден никогда не встречается в виде свободного металла; он существует только в окисленных формах в своих минералах. В чистом состоянии это серебристый металл с сероватым оттенком, обладающий шестой по величине температурой плавления среди всех элементов. Это свойство, наряду со склонностью образовывать твердые, стабильные карбиды при соединении с другими металлами, делает его очень ценным в сплавах. Около 80% мирового производства молибдена идет на стальные сплавы, включая высокопрочные разновидности и суперсплавы. Большинство соединений молибдена плохо растворяются в воде. Однако при нагревании молибденсодержащих минералов в присутствии кислорода и воды образуется молибдат-ион (MoO₄²⁻), который образует довольно растворимые соли. В промышленности примерно 14% мирового производства молибдена используется в пигментах и катализаторах. В биологии молибден имеет решающее значение. Молибденсодержащие ферменты являются наиболее распространенными бактериальными катализаторами для разрыва химической связи в атмосферном азоте во время биологической фиксации азота. Известно более 50 молибденовых ферментов у бактерий, растений и животных, хотя только ферменты бактерий и цианобактерий участвуют в фиксации азота. Большинство нитрогеназ содержат железо-молибденовый кофактор (FeMoco), который, вероятно, удерживает молибден в степени окисления +3 или +4. Напротив, все другие молибденсодержащие ферменты связывают молибден в степени окисления +6 или +4 с помощью молекулы, называемой молибдоптерин. Молибден является незаменимым элементом для всех высших эукариот, включая человека. Один известный организм, губка Theonella conica, известна способностью к гипернакоплению молибдена. Чистый молибден — это серебристо-серый металл с твердостью по Моосу 5,5 и стандартной атомной массой 95,95 г/моль. Его температура плавления составляет 2 623 °C (4 753 °F), что является шестым показателем среди природных элементов — только тантал, осмий, рений, вольфрам и углерод плавятся при более высоких температурах. Он также имеет один из самых низких коэффициентов теплового расширения среди коммерчески используемых металлов. Молибден является переходным металлом с электроотрицательностью 2,16 по шкале Полинга. При комнатной температуре он заметно не реагирует с кислородом или водой, но на него воздействуют галогены и пероксид водорода. Слабое окисление начинается при 300 °C (572 °F), а объемное окисление происходит выше 600 °C с образованием триоксида молибдена. Как и многие более тяжелые переходные металлы, он редко образует катион в воде, хотя катион Mo³⁺ может быть получен в тщательно контролируемых условиях. В газообразном состоянии молибден существует в виде двухатомных молекул Mo₂. Эта молекула является синглетной, с двумя неспаренными электронами на связывающих орбиталях плюс пятью обычными связями, что приводит к образованию секступльной связи. Известно 39 изотопов молибдена с атомными массами от 81 до 119, а также 13 метастабильных ядерных изомеров. Семь изотопов встречаются в природе с атомными массами 92, 94, 95, 96, 97, 98 и 100. Молибден-98 является наиболее распространенным, составляя 24,14% природного молибдена. Только молибден-100 нестабилен; он распадается путем двойного бета-распада в рутений-100 с периодом полураспада 7,07×10¹⁸ лет. Все синтетические изотопы молибдена распадаются на изотопы ниобия, технеция или циркония. Наиболее стабильным синтетическим изотопом является ⁹³Mo с периодом полураспада 4 839 лет, который распадается путем электронного захвата в стабильный ниобий. Наиболее распространенное изотопное применение связано с молибденом-99, продуктом деления. Он является материнским радиоизотопом технеция-99m, короткоживущего гамма-излучающего ядерного изомера, используемого в медицинской визуализации. В отработавшем ядерном топливе молибден действует как окислительно-восстановительный буфер. ⁹⁹Mo является одним из наиболее распространенных продуктов деления с выходом деления 6,1%, близким к выходу ¹³⁵Xe (6,33%). Молибден играет критическую роль в химии ядерного топлива, поскольку влияет на фугитивность кислорода в топливе. Молибден, образующийся в результате ядерного деления в матрице топлива, ингибирует окисление диоксида урана. Молибден образует соединения в степенях окисления от −4 и −2 до +6. Высшие степени окисления наиболее важны для его природного распространения и биологической роли; средние степени часто встречаются в металлических кластерах, тогда как очень низкие степени характерны для металлоорганических соединений молибдена. Химия молибдена и вольфрама очень похожа. Например, соединения молибдена(III) редки, в отличие от распространенных соединений хрома(III). Высшая степень окисления проявляется в оксиде молибдена(VI) (MoO₃), тогда как обычным сернистым соединением является дисульфид молибдена (MoS₂). Коммерчески наиболее важными соединениями являются дисульфид молибдена и триоксид молибдена. Черный дисульфид является основным минералом; его обжигают на воздухе для получения триоксида: 2 MoS₂ + 7 O₂ → 2 MoO₃ + 4 SO₂. Триоксид, летучий при высоких температурах, является предшественником почти всех других соединений и сплавов молибдена. Молибден имеет несколько степеней окисления, наиболее стабильными из которых являются +4 и +6. Оксид молибдена(VI) растворяется в сильной щелочной воде с образованием молибдатов (MoO₄²⁻). Молибдаты являются более слабыми окислителями, чем хроматы. При более низком pH они конденсируются в структурно сложные оксианионы, такие как [Mo₇O₂₄]⁶⁻ и [Mo₈O₂₆]⁴⁻. Полимолибдаты могут включать другие ионы, образуя полиоксометаллаты, включая темно-синий фосфорсодержащий гетерополимолибдат.