Le molybdène tire son nom du grec molybdos signifiant plomb, car le minéral molybdénite (MoS₂) était longtemps confondu avec la galène (sulfure de plomb) et le graphite en raison de leur apparence gris-noir similaire et de leur texture grasse. Ce n'est qu'en 1778 que le chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele (1742-1786), célèbre pour avoir découvert l'oxygène, le chlore et plusieurs autres éléments, démontra que la molybdénite était distincte du plomb et du graphite, et contenait un nouvel élément.
Scheele réussit à obtenir l'oxyde de molybdène (MoO₃) en traitant la molybdénite avec de l'acide nitrique, mais ne parvint pas à isoler le métal lui-même. En 1781, son compatriote Peter Jacob Hjelm (1746-1813), métallurgiste et chimiste suédois, réussit à isoler le molybdène métallique pour la première fois en réduisant l'oxyde de molybdène avec du carbone : MoO₃ + 3C → Mo + 3CO. Le métal obtenu était impur mais marqua la découverte officielle du molybdène comme élément.
Pendant plus d'un siècle, le molybdène resta essentiellement une curiosité de laboratoire sans applications pratiques. Ce n'est qu'au début du 20ᵉ siècle, avec le développement des aciers alliés pour l'armement pendant la Première Guerre mondiale, que l'importance du molybdène fut reconnue. En 1913, la société allemande Krupp développa les premiers aciers au molybdène pour blindages et canons, révélant que de petites quantités de molybdène amélioraient spectaculairement la résistance et la ténacité des aciers à haute température.
Le molybdène (symbole Mo, numéro atomique 42) est un métal de transition du groupe 6 de la classification périodique. Son atome possède 42 protons, généralement 56 neutrons (pour l'isotope le plus abondant \(\,^{98}\mathrm{Mo}\)) et 42 électrons avec la configuration électronique [Kr] 4d⁵ 5s¹.
Le molybdène est un métal gris argenté brillant avec une apparence similaire à l'acier inoxydable. Il possède une densité de 10,28 g/cm³, le rendant relativement lourd. Le molybdène est dur mais ductile à température ambiante, et peut être laminé en feuilles ou étiré en fils. Sa dureté augmente significativement avec le travail à froid.
Le molybdène cristallise dans une structure cubique centrée (cc) à toutes températures. C'est un métal réfractaire avec un point de fusion très élevé de 2623 °C (2896 K), le sixième point de fusion le plus élevé de tous les éléments après le carbone, le tungstène, le rhénium, l'osmium et le tantale. Il bout à 4639 °C (4912 K).
Le molybdène possède une conductivité thermique exceptionnelle (138 W/m·K à 20 °C), proche de celle du cuivre, et une conductivité électrique élevée. Son coefficient de dilatation thermique est très faible (4,8×10⁻⁶ K⁻¹), ce qui en fait un matériau idéal pour les applications nécessitant une stabilité dimensionnelle à haute température.
Le point de fusion du molybdène : 2896 K (2623 °C).
Le point d'ébullition du molybdène : 4912 K (4639 °C).
Le molybdène possède le module d'élasticité le plus élevé après le tungstène parmi tous les métaux purs.
| Isotope / Notation | Protons (Z) | Neutrons (N) | Masse atomique (u) | Abondance naturelle | Demi-vie / Stabilité | Désintégration / Remarques |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Molybdène-92 — \(\,^{92}\mathrm{Mo}\,\) | 42 | 50 | 91,906811 u | ≈ 14,65 % | Stable | Isotope stable le plus léger du molybdène naturel. |
| Molybdène-94 — \(\,^{94}\mathrm{Mo}\,\) | 42 | 52 | 93,905088 u | ≈ 9,19 % | Stable | Deuxième isotope stable le plus rare du molybdène naturel. |
| Molybdène-95 — \(\,^{95}\mathrm{Mo}\,\) | 42 | 53 | 94,905842 u | ≈ 15,87 % | Stable | Troisième isotope stable en abondance du molybdène naturel. |
| Molybdène-96 — \(\,^{96}\mathrm{Mo}\,\) | 42 | 54 | 95,904680 u | ≈ 16,67 % | Stable | Quatrième isotope stable en abondance du molybdène naturel. |
| Molybdène-97 — \(\,^{97}\mathrm{Mo}\,\) | 42 | 55 | 96,906022 u | ≈ 9,60 % | Stable | Cinquième isotope stable. Possède un spin nucléaire utilisé en spectroscopie RMN. |
| Molybdène-98 — \(\,^{98}\mathrm{Mo}\,\) | 42 | 56 | 97,905408 u | ≈ 24,39 % | Stable | Isotope le plus abondant du molybdène, représentant près d'un quart du total. |
| Molybdène-100 — \(\,^{100}\mathrm{Mo}\,\) | 42 | 58 | 99,907477 u | ≈ 9,63 % | ≈ 7,1 × 10¹⁸ ans | Radioactif (β⁻β⁻). Double désintégration bêta extrêmement lente, considéré comme quasi-stable. |
| Molybdène-99 — \(\,^{99}\mathrm{Mo}\,\) | 42 | 57 | 98,907712 u | Synthétique | ≈ 65,9 heures | Radioactif (β⁻). Produit de fission majeur. Source du technétium-99m utilisé en imagerie médicale. |
N.B. :
Couches électroniques : Comment les électrons sont organisés autour du noyau.
Le molybdène possède 42 électrons répartis sur cinq couches électroniques. Sa configuration électronique complète est : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d⁵ 5s¹, ou de manière simplifiée : [Kr] 4d⁵ 5s¹. Cette configuration peut également s'écrire : K(2) L(8) M(18) N(13) O(1).
Couche K (n=1) : contient 2 électrons dans la sous-couche 1s. Cette couche interne est complète et très stable.
Couche L (n=2) : contient 8 électrons répartis en 2s² 2p⁶. Cette couche est également complète, formant une configuration de gaz noble (néon).
Couche M (n=3) : contient 18 électrons répartis en 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Cette couche complète contribue à l'écran électronique.
Couche N (n=4) : contient 13 électrons répartis en 4s² 4p⁶ 4d⁵. Les cinq électrons 4d sont des électrons de valence.
Couche O (n=5) : contient 1 électron dans la sous-couche 5s. Cet électron est également un électron de valence.
Le molybdène possède 6 électrons de valence : cinq électrons 4d⁵ et un électron 5s¹. La configuration [Kr] 4d⁵ 5s¹ avec la sous-couche 4d à demi-remplie est particulièrement stable. L'état d'oxydation le plus courant est +6, où le molybdène forme des composés comme le trioxyde de molybdène (MoO₃) et les molybdates (MoO₄²⁻). Les états +5, +4, +3, +2 et 0 existent également dans divers composés.
Le molybdène(VI) domine la chimie du molybdène, particulièrement dans les composés avec l'oxygène. Le disulfure de molybdène (MoS₂), où le molybdène est à l'état +4, est un composé important utilisé comme lubrifiant solide. Les complexes organométalliques de molybdène présentent une grande variété d'états d'oxydation et de structures.
À température ambiante, le molybdène massif est relativement stable à l'air grâce à une fine couche d'oxyde protectrice. Il s'oxyde lentement à l'air humide et plus rapidement au-dessus de 600 °C. À haute température (au-dessus de 700 °C), le molybdène brûle dans l'oxygène pour former le trioxyde de molybdène blanc : 2Mo + 3O₂ → 2MoO₃. Le trioxyde se sublime facilement, formant des fumées blanches caractéristiques.
Le molybdène résiste à la corrosion par de nombreux acides à température ambiante, mais est attaqué par l'acide nitrique concentré et l'eau régale. Il réagit avec les solutions alcalines en présence d'oxydants pour former des molybdates. Les halogènes attaquent le molybdène à température élevée pour former divers halogénures (MoF₆, MoCl₅, MoBr₃).
Le molybdène forme des carbures (Mo₂C, MoC) et des nitrures (MoN, Mo₂N) à haute température, tous étant des céramiques réfractaires très dures utilisées comme matériaux de coupe. Le disulfure de molybdène (MoS₂) présente une structure lamellaire similaire au graphite, ce qui lui confère d'excellentes propriétés lubrifiantes, particulièrement en milieu sous vide où les lubrifiants organiques échouent.
Environ 80% de la production mondiale de molybdène est destinée aux alliages d'acier. Le molybdène améliore considérablement les propriétés des aciers : il augmente la résistance et la dureté, améliore la trempabilité (capacité à durcir en profondeur), maintient la résistance à haute température, et améliore spectaculairement la résistance à la corrosion des aciers inoxydables.
Les aciers inoxydables austénitiques et duplex contenant 2-4% de molybdène (types 316, 317, et duplex) présentent une résistance exceptionnelle à la corrosion par piqûres et crevasses dans les environnements chlorurés. Ces aciers sont essentiels dans l'industrie chimique, pétrolière, maritime et pharmaceutique. Le molybdène stabilise la couche passive d'oxyde de chrome et empêche la corrosion localisée.
Les aciers à outils contenant 1-10% de molybdène conservent leur dureté et leur tranchant même à haute température (phénomène de dureté à chaud). Ces aciers rapides (High-Speed Steel, HSS) permettent l'usinage à grande vitesse sans perte de performance. Les aciers de construction soudables micro-alliés au molybdène offrent une résistance mécanique élevée tout en conservant une excellente soudabilité.
Le molybdène est un oligoélément essentiel pour tous les organismes vivants. Chez l'homme, il est un cofacteur de plusieurs enzymes importantes, notamment la xanthine oxydase (métabolisme des purines), l'aldéhyde oxydase, et la sulfite oxydase (détoxification des sulfites). Le molybdène se trouve dans ces enzymes sous forme d'un cofacteur molybdène-ptérine (Moco).
Les besoins quotidiens en molybdène pour un adulte sont d'environ 45 microgrammes. Les carences en molybdène sont extrêmement rares chez l'homme car le molybdène est largement répandu dans l'alimentation (légumineuses, céréales complètes, légumes verts, noix). Une carence sévère peut causer des troubles neurologiques graves. La toxicité du molybdène est faible, bien qu'un excès prolongé puisse interférer avec le métabolisme du cuivre.
En médecine nucléaire, le molybdène-99 (demi-vie 66 heures) est la source du technétium-99m (demi-vie 6 heures), le radio-isotope le plus utilisé au monde pour l'imagerie diagnostique. Le Mo-99 est produit par fission de l'uranium-235 dans les réacteurs nucléaires et distribué aux hôpitaux dans des générateurs de technétium ("vaches à technétium"). Plus de 40 millions de procédures d'imagerie au Tc-99m sont réalisées chaque année dans le monde.
Le molybdène est synthétisé dans les étoiles par plusieurs processus de nucléosynthèse. Les isotopes de molybdène sont produits principalement par le processus s (capture lente de neutrons) dans les étoiles de la branche asymptotique des géantes (AGB), avec des contributions du processus r (capture rapide de neutrons) lors de supernovae et de fusions d'étoiles à neutrons. Le molybdène-92 et le molybdène-94 sont également produits par le processus p (capture de protons).
L'abondance cosmique du molybdène est d'environ 2×10⁻⁹ fois celle de l'hydrogène en nombre d'atomes. Les sept isotopes naturels du molybdène reflètent les contributions relatives des différents processus de nucléosynthèse, faisant du molybdène un élément clé pour comprendre ces mécanismes stellaires.
Les variations isotopiques du molybdène dans les météorites primitives fournissent des informations sur l'hétérogénéité du système solaire primitif. Certaines météorites montrent des excès en molybdène-95 et molybdène-97, suggérant des contributions variables des processus s et r dans différentes régions de la nébuleuse solaire. Ces anomalies isotopiques permettent de tracer l'origine et l'évolution des matériaux planétaires.
Les raies spectrales du molybdène neutre (Mo I) et ionisé (Mo II) sont observables dans les spectres de nombreuses étoiles de type solaire et d'étoiles froides. L'analyse de ces raies permet de déterminer l'abondance du molybdène et de tracer l'enrichissement chimique des galaxies. Des excès en molybdène ont été détectés dans certaines étoiles carbonées et étoiles de type baryum, enrichies en éléments du processus s.
N.B. :
Le molybdène est présent dans la croûte terrestre à une concentration moyenne d'environ 0,00012% en masse (1,2 ppm), le rendant relativement rare. Le principal minerai est la molybdénite (MoS₂) contenant environ 60% de molybdène. D'autres sources incluent la powellite (CaMoO₄) et la wulfénite (PbMoO₄). Les principaux gisements se trouvent en Chine, aux États-Unis, au Chili, au Pérou et au Canada.
La Chine domine la production mondiale de molybdène avec environ 40% de l'offre, suivie par le Chili et les États-Unis. La production mondiale totale est d'environ 300 000 tonnes de molybdène contenu par an. Le molybdène est extrait soit de gisements primaires de molybdénite, soit comme sous-produit de l'extraction du cuivre dans les mines de porphyres cuprifères.
Le molybdène métallique est produit par réduction de l'oxyde de molybdène (MoO₃) avec de l'hydrogène à haute température : MoO₃ + 3H₂ → Mo + 3H₂O, suivie d'un frittage en poudre métallurgique pour obtenir des pièces denses. Le ferromolybdène (alliage fer-molybdène contenant 60-75% Mo) est produit par aluminothermie et utilisé directement dans la production d'acier. Le prix du molybdène varie fortement selon les cycles économiques, oscillant typiquement entre 25 et 40 dollars par kilogramme de molybdène contenu.
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