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42. Molybdän (Mo) - Der Hochtemperatur-Krieger · Das Periodensystem der Elemente

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