最終更新：2025年12月16日

モリブデン (42)：高性能鋼に不可欠な金属

モリブデンの発見の歴史

モリブデンは、ギリシャ語のmolybdos（鉛）に由来し、鉱物の輝水鉛鉱（MoS₂）が長い間、方鉛鉱（硫化鉛）や黒鉛と混同されていたためです。これらは外観が似た暗灰色で、脂っぽい質感を持っています。1778年、酸素、塩素、その他の多くの元素を発見したことで知られるスウェーデンの化学者カール・ヴィルヘルム・シェーレ (1742-1786) が、輝水鉛鉱が鉛や黒鉛とは異なり、新しい元素を含んでいることを証明しました。

シェーレは、輝水鉛鉱を硝酸で処理して三酸化モリブデン（MoO₃）を得ることに成功しましたが、金属自体を単離することはできませんでした。 1781年、彼の同胞であるスウェーデンの冶金学者・化学者ペーター・ヤコブ・ヘルム (1746-1813) が、三酸化モリブデンを炭素で還元することで初めて金属モリブデンを単離しました：MoO₃ + 3C → Mo + 3CO。得られた金属は不純でしたが、モリブデンが元素として正式に発見されたことを示しました。

1世紀以上にわたり、モリブデンは実用的な応用がなく、実験室での興味の対象に過ぎませんでした。第一次世界大戦中の武器用合金鋼の開発により、モリブデンの重要性が認識されるようになりました。1913年、ドイツのクルップ社が装甲板や大砲用の最初のモリブデン鋼を開発し、少量のモリブデンが鋼の高温での強度と靭性を劇的に向上させることを明らかにしました。

構造と基本的な性質

モリブデン（記号Mo、原子番号42）は、周期表の6族に属する遷移金属です。その原子は42個の陽子、通常56個の中性子（最も豊富な同位体 \(\,^{98}\mathrm{Mo}\)）、および電子配置 [Kr] 4d⁵ 5s¹ の42個の電子を持ちます。

モリブデンは、ステンレス鋼に似た銀灰色の光沢を持つ金属です。密度は10.28 g/cm³で、比較的重い金属です。モリブデンは室温で硬く、展性があり、板に圧延したり、線に引き伸ばしたりすることができます。冷間加工により、その硬度は著しく増加します。

モリブデンは、すべての温度で体心立方構造（bcc）で結晶化します。これは、炭素、タングステン、レニウム、オスミウム、タンタルに次ぐ、 2623 °C（2896 K）の非常に高い融点を持つ耐火金属です。沸点は4639 °C（4912 K）です。

モリブデンは、20 °Cでの熱伝導率が138 W/m·Kと銅に近く、優れた熱伝導性と高い電気伝導性を持ちます。熱膨張係数は非常に低く（4.8×10⁻⁶ K⁻¹）、高温での寸法安定性が求められる用途に理想的な材料です。

モリブデンの融点：2896 K（2623 °C）。
モリブデンの沸点：4912 K（4639 °C）。
モリブデンは、タングステンに次いで純金属中で最も高い弾性率を持ちます。

モリブデンの同位体表

モリブデンの同位体（基本的な物理的性質）
同位体 / 記号	陽子 (Z)	中性子 (N)	原子質量 (u)	天然存在比	半減期 / 安定性	崩壊 / 備考
モリブデン-92 — \(\,^{92}\mathrm{Mo}\,\)	42	50	91.906811 u	≈ 14.65 %	安定	天然モリブデンの最も軽い安定同位体。
モリブデン-94 — \(\,^{94}\mathrm{Mo}\,\)	42	52	93.905088 u	≈ 9.19 %	安定	天然モリブデンの2番目に希少な安定同位体。
モリブデン-95 — \(\,^{95}\mathrm{Mo}\,\)	42	53	94.905842 u	≈ 15.87 %	安定	天然モリブデンの3番目に豊富な安定同位体。
モリブデン-96 — \(\,^{96}\mathrm{Mo}\,\)	42	54	95.904680 u	≈ 16.67 %	安定	天然モリブデンの4番目に豊富な安定同位体。
モリブデン-97 — \(\,^{97}\mathrm{Mo}\,\)	42	55	96.906022 u	≈ 9.60 %	安定	5番目の安定同位体。核スピンを持ち、NMR分光法で使用されます。
モリブデン-98 — \(\,^{98}\mathrm{Mo}\,\)	42	56	97.905408 u	≈ 24.39 %	安定	モリブデンの最も豊富な同位体で、全体の約4分の1を占めます。
モリブデン-100 — \(\,^{100}\mathrm{Mo}\,\)	42	58	99.907477 u	≈ 9.63 %	≈ 7.1 × 10¹⁸ 年	放射性（β⁻β⁻）。極めて遅い二重ベータ崩壊で、準安定とみなされます。
モリブデン-99 — \(\,^{99}\mathrm{Mo}\,\)	42	57	98.907712 u	合成	≈ 65.9 時間	放射性（β⁻）。主要な核分裂生成物。医療画像で使用されるテクネチウム-99mの源。

モリブデンの電子配置と電子殻

N.B.：
電子殻：電子が原子核の周りにどのように配置されているか。

モリブデンは5つの電子殻に42個の電子を持ちます。その完全な電子配置は：1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d⁵ 5s¹、または簡略化すると：[Kr] 4d⁵ 5s¹。この配置はK(2) L(8) M(18) N(13) O(1)とも書けます。

電子殻の詳細構造

K殻 (n=1)：1s軌道に2個の電子を含みます。この内殻は完全で非常に安定しています。
L殻 (n=2)：2s² 2p⁶に8個の電子が分布しています。この殻も完全で、貴ガス配置（ネオン）を形成します。
M殻 (n=3)：3s² 3p⁶ 3d¹⁰に18個の電子が分布しています。この完全な殻は電子シールドに寄与します。
N殻 (n=4)：4s² 4p⁶ 4d⁵に13個の電子が分布しています。5個の4d電子は価電子です。
O殻 (n=5)：5s軌道に1個の電子を含みます。この電子も価電子です。

価電子と酸化状態

モリブデンは6個の価電子を持ちます：5個の4d⁵電子と1個の5s¹電子。配置 [Kr] 4d⁵ 5s¹ は半分満たされた4d軌道を持ち、特に安定です。最も一般的な酸化状態は+6で、モリブデンは三酸化モリブデン（MoO₃）やモリブデン酸塩（MoO₄²⁻）などの化合物を形成します。 +5、+4、+3、+2、0の状態もさまざまな化合物に存在します。

モリブデン(VI)は、特に酸素との化合物において、モリブデンの化学を支配します。二硫化モリブデン（MoS₂）では、モリブデンは+4状態で、重要な固体潤滑剤として使用されます。モリブデンの有機金属錯体は、さまざまな酸化状態と構造を示します。

化学的反応性

室温では、モリブデンは薄い保護酸化物層のため、空気中で比較的安定しています。湿った空気中でゆっくりと酸化し、600 °C以上でより速く酸化します。高温（700 °C以上）では、酸素中で燃焼して白色の三酸化モリブデンを形成します：2Mo + 3O₂ → 2MoO₃。三酸化物は容易に昇華し、特徴的な白い煙を形成します。

モリブデンは室温で多くの酸に対して耐食性がありますが、濃硝酸や王水には侵されます。酸化剤の存在下でアルカリ溶液と反応してモリブデン酸塩を形成します。ハロゲンは高温でモリブデンを攻撃し、さまざまなハロゲン化物（MoF₆、MoCl₅、MoBr₃）を形成します。

モリブデンは高温で炭化物（Mo₂C、MoC）や窒化物（MoN、Mo₂N）を形成し、これらは非常に硬い耐火セラミックスで、切削材料として使用されます。二硫化モリブデン（MoS₂）は黒鉛に似た層状構造を持ち、特に真空環境で優れた潤滑性能を発揮します。

モリブデンの産業および技術的応用

ステンレス鋼、工具鋼、構造用鋼の合金（使用量の約80％）;
航空機タービンや発電所用のニッケル基超合金;
極限環境用の高性能固体潤滑剤としての二硫化モリブデン（MoS₂）;
石油の脱硫やアンモニア生産のための触媒;
誘導炉の電極や高温加熱素子;
真空および不活性雰囲気炉用のるつぼ、支持体、部品;
マイクロエレクトロニクスにおける薄膜堆積用のスパッタリングターゲット;
白熱電球のフィラメントや高温電子部品;
X線管（モリブデン-テクネチウム合金の回転陽極）;
核医学におけるテクネチウム-99mの源としてのモリブデン-99;
セラミックや塗料用のオレンジおよび赤色顔料（鉛モリブデン酸塩）;
農業用肥料の必須微量元素;
耐食性および耐摩耗性コーティング;
特殊ガラスや溶接電極の製造。

鋼の冶金におけるモリブデン

世界のモリブデン生産量の約80％が鋼合金に使用されています。モリブデンは鋼の特性を大幅に改善します：強度と硬度を向上させ、焼入れ性（深部まで硬化する能力）を改善し、高温での強度を維持し、ステンレス鋼の耐食性を劇的に向上させます。

オーステナイト系および二相ステンレス鋼（316、317、および二相タイプ）は、2-4％のモリブデンを含み、塩化物環境での孔食およびすきま腐食に対して例外的な耐性を示します。これらの鋼は、化学、石油、海洋、製薬産業で不可欠です。モリブデンはクロム酸化物の不動態層を安定化させ、局所腐食を防ぎます。

1-10％のモリブデンを含む工具鋼は、高温でも硬度と切れ味を維持します（高温硬度現象）。これらの高速度鋼（HSS）は、性能低下なしに高速切削を可能にします。モリブデンを微量添加した構造用鋼は、高い機械的強度を維持しながら優れた溶接性を提供します。

生物学的役割と医療応用

モリブデンはすべての生物にとって必須の微量元素です。人間では、キサンチンオキシダーゼ（プリン代謝）、アルデヒドオキシダーゼ、亜硫酸オキシダーゼ（亜硫酸塩の解毒）などの重要な酵素の補因子です。これらの酵素では、モリブデンはモリブデン-プテリン補因子（Moco）の形で存在します。

成人の1日のモリブデン必要量は約45マイクログラムです。モリブデン欠乏症は人間では極めてまれです。モリブデンは食品（豆類、全粒穀物、緑色野菜、ナッツ）に広く含まれています。重度の欠乏は重篤な神経障害を引き起こす可能性があります。モリブデンの毒性は低いですが、過剰摂取は銅の代謝に影響を与える可能性があります。

核医学では、モリブデン-99（半減期66時間）が診断画像で最も広く使用される放射性同位体であるテクネチウム-99m（半減期6時間）の源です。 Mo-99は、核分裂によるウラン-235から生産され、病院にテクネチウム発生器（「テクネチウム牛」）で配布されます。世界中で毎年4000万件以上のTc-99m画像診断が行われています。

天体物理学および宇宙論における役割

モリブデンは、いくつかの核合成プロセスによって星で合成されます。モリブデン同位体は主に、漸近巨星分枝（AGB）星でのsプロセス（遅い中性子捕獲）によって生成され、超新星や中性子星の合体時のrプロセス（速い中性子捕獲）からの寄与もあります。モリブデン-92とモリブデン-94はpプロセス（陽子捕獲）によっても生成されます。

モリブデンの宇宙存在量は、水素の約2×10⁻⁹倍です。モリブデンの7つの天然同位体は、異なる核合成プロセスの相対的な寄与を反映しており、モリブデンはこれらの恒星メカニズムを理解するための重要な元素です。

原始隕石中のモリブデンの同位体変動は、初期の太陽系の不均一性に関する情報を提供します。一部の隕石にはモリブデン-95とモリブデン-97の過剰が見られ、太陽星雲の異なる領域でのsプロセスとrプロセスの変動する寄与を示唆しています。これらの同位体異常は、惑星物質の起源と進化を追跡するのに役立ちます。

N.B.：
モリブデンは地殻中に質量比で約0.00012％（1.2 ppm）の平均濃度で存在し、比較的希少です。主な鉱石は輝水鉛鉱（MoS₂）で、約60％のモリブデンを含みます。その他の源には、パウエル石（CaMoO₄）やウルフェン石（PbMoO₄）があります。主な鉱床は中国、アメリカ、チリ、ペルー、カナダにあります。

中国は世界のモリブデン生産の約40％を占め、チリとアメリカが続きます。世界の総生産量は年間約30万トンのモリブデン含有量です。モリブデンは、輝水鉛鉱の一次鉱床または銅の採掘の副産物として採掘されます。

モリブデン金属は、三酸化モリブデン（MoO₃）を高温で水素還元することで生産されます：MoO₃ + 3H₂ → Mo + 3H₂O。その後、粉末冶金焼結により密な部品が得られます。フェロモリブデン（60-75％Moを含む鉄-モリブデン合金）はアルミノ熱還元によって生産され、直接鋼の生産に使用されます。モリブデンの価格は経済サイクルによって大きく変動し、通常1キログラムあたり25〜40ドルの範囲です。