Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das
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Heute begeben wir uns auf eine Reise zu einem Element, das auf
den ersten Blick unscheinbar wirkt, aber bei näherer
Betrachtung eine geradezu beeindruckende Doppelrolle
spielt. Es ist gleichzeitig ein robuster
Hochleistungswerkstoff, der in den heißesten Öfen der Industrie
und in den feinsten Klingen aus Werkzeugstahl seinen Platz
findet. Und ein lebenswichtiges
Spurenelement, ohne dass Pflanzen, Tiere und auch wir
Menschen schlichtweg nicht überleben könnten.
Es ist ein Metall, das Jahrtausendelang mit Blei
verwechselt wurde und dessen Name auf Griechisch tatsächlich
nichts anderes bedeutet als Bleiartig heute geht es um
Molybdän mit dem chemischen Symbol Mo und der Ordnungszahl
42. Lass uns gemeinsam ein Element
erkunden, das in der Klinge eines Hochleistungsbohrers
ebenso steckt wie in den Wurzelknöllchen einer Sojabohne.
Und das in der Hochtemperaturindustrie zurecht
den Beinamen Hochtemperaturkrieger trägt.
Molybdän steht im Periodensystem in der fünften Periode und in
der sechsten Gruppe gemeinsam mit Chrom, Wolfram und dem
künstlich erzeugten Serborgium. Diese Gruppe der Chrom Gruppe
vereint Elemente, die als typische Übergangsmetalle
bemerkenswerte mechanische und thermische Eigenschaften
besitzen. Mit der Ordnungszahl 42 befindet
sich Molybden direkt zwischen Niob und Technetium, also genau
in jener Region des Periodensystems, in der die
Elemente besonders robust und hochschmelzend werden.
Die Elektronenkonfiguration lautet in der Kurzschreibweise
Krypton plus 4 d hoch 5 und 5 s hoch 1.
Ähnlich wie bei Chrom in der Periode darüber wird auch hier
die Halbgefüllte d Schale energetisch bevorzugt, was zu
dieser ungewöhnlichen Aufteilung führt.
Diese Halbvolle 4 d Schale ist mitverantwortlich für die enorme
Vielfalt an Oxidationsstufen, in denen Molybdän in der Chemie
auftreten kann. Die Atommasse von Molybdän
beträgt rund 95,95 atomare Masseneinheiten und in der Natur
kommt das Element in 7 stabilen Isotopen vor.
Die häufigsten sind Molybdän, 98 mit etwa 24,4% Anteil Molybdän,
96 mit rund 16,7% und Molybdän, 95 mit 15,9%.
Diese isotopische Vielfalt macht Molybdän zu einem interessanten
Spurenelement in der Geochemie. Diese.
Denn die Isotopenverhältnisse erlauben Rückschlüsse auf die
Sauerstoffverhältnisse vergangener Ozeane und damit auf
die Entwicklung des Lebens auf der Erde.
Forschende nutzen das Verhältnis von Molybdän, 98 zu Molybdän, 95
in Sedimentgesteinen als sogenanntes Paläoredox Proxy,
also als chemischen Fingerabdruck, um zu
rekonstruieren und. Wann und wo unsere Ozeane sich
vor Hunderten von Millionen Jahren mit Sauerstoff
anreicherten. Reines Molybdän ist ein
silbergraues, hartes und sprödes Metall, das in Pulverform eher
dunkelgrau erscheint, mit einer Dichte von 10,28 Gramm pro
Kubikzentimeter ist es deutlich schwerer als Eisen, aber
leichter als Wolfram oder Tantal.
Seine wohl spektakulärste physikalische Eigenschaft ist
der außerordentlich hohe Schmelzpunkt von 2623 Grad
Celsius. Damit gehört Molybdän zur
exklusiven Gruppe der Refraktärmetalle, jener
hochschmelzenden Metalle, zu denen auch Wolfram, Tantal, Niob
und Rhenium zählen. Lediglich Wolfram, Remium,
Osmium und Tantal schmelzen noch später.
Der Siedepunkt liegt bei rund 4639 Grad Celsius.
Diese thermische Robustheit, kombiniert mit einer geringen
thermischen Ausdehnung, einer hohen Wärmeleitfähigkeit und
einer ausgezeichneten elektrischen Leitfähigkeit.
Macht das Element zum idealen Werkstoff für Anwendungen, bei
denen extreme Temperaturen und gleichzeitig hohe Maßhaltigkeit
gefordert sind. Die Härte von reinem Molybdän
liegt nach Moos bei etwa 5,5, ist also vergleichbar mit der
von Stahl, bei Raumtemperatur ist das Metall eher spröde,
oberhalb einer kritischen Übergangstemperatur jedoch wird
es duktil und lässt sich verformen, die.
Besonders bemerkenswert ist die Beibehaltung der mechanischen
Festigkeit auch bei Temperaturen, bei denen die
meisten anderen Metalle längst erweicht sind.
Bei 1000 Grad Celsius hat Molybdän immer noch eine höhere
Zugfestigkeit als die meisten Stähle bei Raumtemperatur, diese
Eigenschaft ist es, die ihm im industriellen Sprachgebrauch den
Beinamen Hochtemperaturkrieger einbringt.
Chemisch gesehen ist Molybdän bei Raumtemperatur an trockener
Luft praktisch innert. Es bildet eine dünne, schützende
Oxidschicht aus Molybdendioxid, die das darunterliegende Metall
passiviert. Oberhalb von etwa 600 Grad
Celsius beginnt jedoch ein Problem, das Werkstoffingenieur
innen weltweit beschäftigt. Molybdän bildet bei höheren
Temperaturen das flüchtige Molybdäntrioxid, das Sublimiert
und damit die Schutzschicht verloren gehen lässt.
Dieses Phänomen, in der Fachsprache als katastrophale
Oxidation oder Pesting bezeichnet, schränkt den Einsatz
von reinem Molybdän an Luft bei hohen Temperaturen stark ein.
In oxidationsfreier Atmosphäre, Atmosphäre, also in Wasserstoff,
Stickstoff, Argon, im Vakuum oder in reduzierenden Medien,
behält das Metall jedoch seine herausragenden Eigenschaften
gegenüber Säuren ist Molybdän relativ widerstandsfähig,
verdünnte Salzsäure, Schwefelsäure und Flusssäure
greifen das Metall bei Raumtemperatur kaum an.
Lediglich heiße, konzentrierte Salpetersäure und Königswasser
lösen es auf, die Geschichte der Entdeckung von Molybdän ist eng
mit der Verwirrung um bleiartige Mineralien verknüpft.
Schon im Altertum kannten Bergleute ein weiches
dunkelgraues Mineral, das Striche auf Papier hinterließ
und sich von Bleiglanz oder Graphit kaum unterscheiden ließ,
die. Die alten Griechen nannten alle
diese bleiartigen Substanzen molybdos, was schlicht Blei
bedeutete. Daraus entwickelte sich der
lateinische Begriff Molybdaina, der im Mittelalter noch als
Sammelbezeichnung für bleiglanz, Graphit und das heutige
Molybdensulfit verwendet wurde, erst im 18 Jahrhundert wurde
diese Verwirrung schrittweise aufgelöst.
Im Jahr 1778 untersuchte der schwedische Chemiker Karl
Wilhelm Scheele, einer der bedeutendsten Apotheker und
Naturforscher seiner Zeit, ein Mineral, das damals als
Wasserblei oder Molybdaena bekannt war.
Scheele behandelte es mit konzentrierter Salpetersäure und
stellte fest, dass dabei eine weiße Substanz entstand, die
sich grundlegend von Blei und Graphit Unterschied.
Er erkannte, dass es sich um die Säure eines neuen Elements
handeln musste, da schele selbst kein Labor besaß, in dem er
Hochtemperaturreduktionen durchführen konnte, gab er das
Mineral und seine Beobachtungen an seinen Kollegen Peter Jakob
Jelm weiter. Jelm gelang es 1781 durch
Erhitzen einer Mischung aus Molybdäntrioxid und Kohlenstoff
in einem geschlossenen Tiegel erstmals reines metallisches
Molybdän darzustellen. Damit war ein neues Element
offiziell in die Wissenschaft eingeführt, auch wenn es seinen
ursprünglich missverständlichen Namen behielt.
In den folgenden 100 Jahren blieb Molybdän eine
Laborsubstanz ohne praktische Bedeutung.
Erst zu Beginn des 20 Jahrhunderts erkannten Metalurg
innen sein enormes Potential als Legierungsbestandteil während
des Ersten Weltkriegs spielte Molybdän erstmals eine
entscheidende strategische Rolle.
Die deutsche Schwerindustrie verwendete Molybdänlegierten
Stahl in den Geschützrohren der berühmten dicken Berta, die mit
ihrer Reichweite von über 12 Kilometern damals Revolutionär
war. Der Bedarf an Molybdän stieg
sprunghaft an und die Klimex Mine im US Bundesstaat Colorado,
die 1918 in Produktion ging, deckte für Jahrzehnte einen
großen Teil des Weltbedarfs. Wenden wir uns nun dem Vorkommen
von Molybdän in der Natur zu. Mit einem Anteil von etwa 1,2
Milligramm pro Kilogramm in der kontinentalen Erdkruste ist es
ein vergleichsweise seltenes Element.
In reiner Form findet es sich praktisch nie, sondern fast
ausschließlich gebunden in Mineralien.
Das wichtigste molybden Mineral mit Abstand ist Molybdenid,
chemisch molybdendisulfid mit der Summenformel mos 2.
Molybdenid bildet weiche, blättrige Kristalle mit
ausgeprägt schichtförmigem Aufbau, ähnlich dem von Graphit.
Diese Schichtstruktur ist auch der Grund, warum
Molybdendisulfid in der Technik als hochwertiges Schmiermittel
dient, ein Aspekt, auf den wir noch zurückkommen werden.
Weitere Molybdän Mineralien sind Vulfenit, ein Bleimolybdat sowie
Paolith, ein Calciumolybdat, beide jedoch wirtschaftlich von
geringerer Bedeutung. Die Hauptproduzenten von
Molybdän sind heute China mit etwa 40% der Weltproduktion,
gefolgt von Chile mit rund 20%, den Vereinigten Staaten, Peru
und Mexiko. Die globale Jahresproduktion lag
im Jahr 2024 bei etwa 250000 Tonnen Molybdän gerechnet als
Metalläquivalent. Ein bemerkenswerter Anteil
davon, etwa die Hälfte, wird als Nebenprodukt aus der
Kupfergewinnung gewonnen, denn Porphyr Kupferlagerstätten
enthalten häufig geringe Mengen Molybdänid, das sich
wirtschaftlich mit abbauen lässt.
Die Verarbeitung beginnt mit dem Rösten des Molybdänits an Luft,
wobei das Sulfid zu Molybdäntrioxid und
Schwefeldioxid umgesetzt wird. Aus dem so gewonnenen
technischen Molybdäntrioxid werden je nach Verwendungszweck
verschiedene Produkte hergestellt, Ammoniumdimolybdat
als Vorprodukt für hochreine Verbindungen, Ferromolybdän
durch aluminothermische, Reduktion für die
Stahlindustrie. Oder reines Molybdänpulver durch
Reduktion mit Wasserstoff bei rund 1000 Grad Celsius aus dem
Pulver werden anschließend durch Pressen und Sintern bei hohen
Temperaturen kompakte Halbzeuge wie Stäbe, Bleche und Drähte
gefertigt. Kommen wir nun zu den
Anwendungen, denn hier zeigt sich, warum Molybdän aus der
modernen Industrie nicht mehr wegzudenken ist.
Die mit Abstand größte Verwendung, etwa 80% der
Weltproduktion, entfällt auf die Stahl und Gusseisenindustrie.
Bereits geringe Zugaben von 0,2 bis 5 gewichtsprozent Molybdän
verändern die Eigenschaften von Stahl tiefgreifend, Molybdän
erhöht die Härtbarkeit, die Hochtemperaturfestigkeit und die
Korrosionsbeständigkeit. Es verhindert die sogenannte
Anlassversprödung, also den Zähigkeitsverlust beim
Wiedererwärmen gehärteter Stähle und verbessert die Beständigkeit
gegen Lochkorrosion in chloridhaltigen Medien wie
Meerwasser. Eine wichtige Klasse sind die
Hochlegierten Werkzeugstähle, in denen Molybdän die teure
Komponente Wolfram teilweise ersetzt.
Die berühmten Schnellarbeitsstähle, in der
Fachsprache HSS für Highspeed Stil, enthalten oft 5 bis 10%
Molybdän und kommen in Bohrern, Fräsern, Sägeblättern und
Drehmeißeln zum Einsatz. Auch in nicht rostenden Stälen,
etwa in den verbreiteten Sorten 316 und 316.
L. Sorgt Molybdän mit Anteilen von
2 bis 3% für die ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, die
diese Stähle in der chemischen Industrie, im Schiffbau, in der
Lebensmitteltechnologie und in der Medizintechnik unverzichtbar
macht. Wer schon einmal eine
hochwertige Edelstahlpfanne oder ein chirurgisches Skalpell in
der Hand gehalten hat, hat mit hoher Wahrscheinlichkeit auch
Molybdän berührt. In Superlegierungen auf Nickel
und Kobaltbasis, wie sie in den heißesten Bereichen von
Strahltriebwerken und stationären Gasturbinen
eingesetzt werden, ist Molybdän ein zentraler
Legierungsbestandteil. Es trägt zur
Mischkristallhärtung bei und verbessert die
Zeitstandfestigkeit, also den Widerstand gegen das langsame
Verformen unter hoher Temperatur und mechanischer Last über lange
Zeiträume. Reines Molybdän und seine
Legierungen finden Verwendung in der Hochtemperaturtechnik
Heizleiter in Industrieöfen für die Glasherstellung, die
Halbleiterproduktion und die Pulvermetallurgie bestehen oft
aus Molybdän, das in Reduzierender oder in ernter
Atmosphäre Temperaturen von bis zu 1700 Grad Celsius standhält.
In der Glasindustrie werden Elektroden aus Molybdän
verwendet, um Glasschmelzen elektrisch zu beheizen, ohne
dass das Metall im aggressiven Milieu der Schmelze schnell
abgetragen wird. Auch in
Halbleiterfertigungsanlagen, in Vakuumöfen und in der
Beschichtungstechnik kommt das Element zum Einsatz, etwa als
Sputtertarget für die Abscheidung dünner Molybdän
Schichten in Solarzellen vom Cigs Typ und in
Dünnschichttransistoren. Eine besonders interessante
Anwendung ist Molybtendisulfid als Schmiermittel.
Aufgrund seiner schichtförmigen Kristallstruktur, in der die
einzelnen Schichten leicht aufeinander abgleiten, weist MOS
2 einen außergewöhnlich niedrigen Reibungskoeffizienten
auf. Es wird in Schmierfetten für
Motoren, Getriebe und Wälzlager beigemischt, kommt in der
Raumfahrttechnik unter Vakuumbedingungen zum Einsatz.
Wo herkömmliche Öle versagen würden und findet in
Hochleistungsbeschichtungen für Schneidwerkzeuge Verwendung.
Wer schon einmal ein mehrzweck Schmierspray mit dem Hinweis Mos
2 Haltig verwendet hat, hat dieses Element im Alltag
genutzt. In der chemischen Industrie sind
Molybdän Verbindungen als Katalysatoren von zentraler
Bedeutung. Kobalt, Molybdän und
Nickelmolybdänkatalysatoren werden in der Erdölraffination
eingesetzt, um Schwefel aus Rohöl zu entfernen.
Ein Prozess, der als Hydrodesulfurierung bezeichnet
wird und für die Herstellung schwefelarmer Kraftstoffe
unverzichtbar ist. Bismuth Molybdate katalysieren
die selektive Oxidation von Proppen zu Acrolain und weiter
zu Acrylsäure, einem wichtigen Vorprodukt für Kunststoffe und
Superabsorber. Doch nun zu einer ganz anderen
Seite des Molybdäns, die mindestens ebenso faszinierend
ist wie seine technologische Bedeutung, seine Rolle als
Spurenelement in der Biologie. Molybdän ist für nahezu alle
lebenden Organismen essentiell, von Bakterien über Pflanzen bis
zum Menschen. Das Element ist Bestandteil
mehrerer Enzyme, in denen es als sogenannter Molybdän cofaktor
wirkt, einer komplexen Verbindung aus Molybdän und
einem speziellen organischen Liganden namens Molybdopterin.
Beim Menschen sind 4 molybdänhaltige Enzyme bekannt.
Die Sulfit Oxidase, die Aldehyd Oxidase, die Xanthinoxidase und
die mitochondriale amidoxym reduzierende Komponente.
Diese Enzyme katalysieren wichtige Stoffwechselreaktionen,
etwa den Abbau schwefelhaltiger Aminosäuren und den Purinabbau,
ein angeborener Mangel an Molybdän Cofaktor ist eine
seltene. Aber schwere Erkrankung, die
ohne Behandlung im frühen Kindesalter tödlich verläuft.
Noch spektakulärer ist die Rolle von Molybdän in einer der
wichtigsten nächsten biochemischen Reaktionen
überhaupt, der biologischen Stickstofffixierung.
Bestimmte Bakterien wie Rhizobium in den Wurzelknöllchen
von Hülsenfrüchten oder freilebende Cyanobakterien sind
in der Lage, den molekularen Luftstickstoff in Ammoniak
umzuwandeln und damit für andere Lebewesen verwertbar zu machen.
Das zentrale Enzym dieser Reaktion, die Nitrogenase,
enthält in seinem aktiven Zentrum einen einzigartigen
Eisen Molybdän cofaktor. Den sogenannten Femoco ohne
diesen winzigen Komplex aus 7 Eisen, einem Molybdän und 9
schwefelatomen wäre die natürliche Stickstoffversorgung
der Biosphäre nicht möglich. Etwa die Hälfte des gesamten
biologisch fixierten Stickstoffs auf der Erde wird durch
Molybdänhaltige Nitrogenasen bereitgestellt, die.
Auch wenn die industrielle Ammoniak Synthese nach Haber und
Bosch heute riesige Mengen stickstoffdünger produziert,
bleibt die biologische Fixierung durch molybdänhaltige Enzyme die
ökologisch nachhaltigere Variante.
Für Pflanzen ist Molybdän neben Eisen, Mangan, Zink, Kupfer,
Bor, Chlor und Nickel eines der essentiellen Mikronährelemente.
Ein Molybdänmangel führt zur sogenannten
Peitschenschossigkeit, bei Blumenkohl zu chlorotischen
Verfärbungen und zu wachstumsstörungen, weil die
Pflanze ohne ausreichend Molybdän kein Nitrat zu Ammonium
reduzieren kann. In landwirtschaftlich genutzten
Böden, insbesondere in sauren und sandigen Gebieten, wird
Molybdän daher gelegentlich in geringen Mengen als Dünger
ausgebracht. Beim Menschen liegt der tägliche
Bedarf an Molybdän bei etwa 45 Mikrogramm für Erwachsene.
Diese Menge wird in einer normalen Mischkost in der Regel
problemlos gedeckt. Besonders reich an Molybdän sind
Hülsenfrüchte wie Bohnen, Linsen und Erbsen, ferner
Vollkornprodukte, Nüsse und Innereien, ein klinisch
relevanter Molybdänmangel tritt beim gesunden Menschen praktisch
nicht auf. Ist jedoch in seltenen Fällen
bei langjähriger künstlicher Ernährung beobachtet worden.
Eine Überdosierung ist ebenfalls selten, kann aber zu
gichtartigen Beschwerden führen, da hohe Molybdänspiegel den
Harnsäurestoffwechsel beeinflussen.
In der Nuklearmedizin spielt Molybdän eine zentrale Rolle,
die Millionen Patient innen weltweit jährlich zugute kommt.
Das Radionuklid Molybdän 99 zerfällt mit einer Halbwertszeit
von rund 66 Stunden zu metastabilem technetium 99
metche, dem mit Abstand wichtigsten Diagnostik
Radionuklid der Welt. Technetium 99 wird in der
Sintigraphie zur Untersuchung von Knochen, Schilddrüse, Herz,
Nieren und vielen weiteren Organen eingesetzt.
Pro Jahr werden weltweit etwa 30 bis 40000000 Untersuchungen mit
Technetium 99 Meter durchgeführt, das aus
sogenannten Molybdän, Technetium, Generatoren in den
Krankenhäusern direkt vor Ort gewonnen wird.
Die Versorgungssicherheit mit Molybdän 99 ist ein globales
Thema. Denn nur wenige
Forschungsreaktoren weltweit sind in der Lage, dieses Isotop
in ausreichender Menge zu produzieren.
Ausfälle einzelner Reaktoren haben in der Vergangenheit zu
Engpässen in der medizinischen Versorgung geführt,
Toxikologisch gilt Molybdän als vergleichsweise wenig
problematisch, akute Vergiftungen sind beim Menschen
extrem selten und nur bei massiven industriellen
Expositionen beschrieben. Bei Wiederkäuern hingegen, etwa
bei Rindern auf Molybdänreichen Weiden, kann ein Überangebot zu
einer sekundären Kupfermangelkrankheit führen,
der sogenannten Molybdenose. Die Tiere zeigen dann
wachstumsstörungen, Durchfall und Fellveränderungen, da hohe
Molybdänspiegelimpansen die Aufnahme von Kupfer behindern.
Wirtschaftlich ist der Molybdänmarkt eng mit dem
Kupfermarkt verknüpft. Da ein großer Teil des Metalls
als Nebenprodukt der Kupferproduktion anfällt, der
Molybdän Preis schwankt entsprechend mit den Bewegungen
der Kupferproduktion und der Stahlnachfrage und liegt
typischerweise zwischen 15 und 40 US Dollar pro Kilogramm.
Recycling spielt eine wichtige Rolle, vor allem bei
hochlegierten Stählen, Werkzeugstählen und
Superlegierungen, in denen die Molybdänkonzentrationen hoch
genug sind, um eine wirtschaftliche Rückgewinnung zu
ermöglichen. Etwa ein Drittel des in
Westeuropa eingesetzten Molybdäns stammt heute aus
Recyclingquellen. Wenn wir all diese Aspekte
zusammenfassen, dann zeigt sich Molybdän als ein Element von
beeindruckender Vielseitigkeit. Es ist gleichzeitig der robuste
Werkstoff, der unsere Bohrer, Härten und unsere Pipelines
schützen lässt. Und das filigrane Spurenelement,
ohne dass keine Sojabohne wachsen und kein menschlicher
Stoffwechsel funktionieren könnte.
Es trägt zu recht den Beinamen Hochtemperaturkrieger.
Weil es dort besteht, wo andere Werkstoffe längst versagen.
Und es ist gleichzeitig ein stiller Helfer in den
Wurzelknöllchen der Hülsenfrüchte und in den Enzymen
unseres Körpers. Vielen Dank, dass du dir Zeit
genommen hast für diese Folge der Wissensreise durch das
Periodensystem der Elemente bis zum nächsten Mal.
Wenn wir uns gemeinsam einem weiteren faszinierenden Element
auf unserer Reise durch die Welt der Atome zuwenden.