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Chemie Schule

Molybdän


Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Molybdän, Mo, 42
Serie Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block 6, 5, d
Aussehen grau metallisch
CAS-Nummer 7439-98-7
Massenanteil an der Erdhülle 14 ppm[1]
Atomar [2]
Atommasse 95,94 u
Atomradius (berechnet) 145 (190) pm
Kovalenter Radius 154 pm
Elektronenkonfiguration [Kr] 4d5 5s1
1. Ionisierungsenergie 684,3 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie 1560 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie 2618 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie 4480 kJ/mol
Physikalisch [2]
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur kubisch raumzentriert
Dichte 10,28 g/cm3 (20 °C)[3]
Mohshärte 5,5
Magnetismus paramagnetisch (\chi_{m} = 1,2 · 10−4)[4]
Schmelzpunkt 2896 K (2623 °C)
Siedepunkt 4885 K[5] (4612 °C)
Molares Volumen 9,38 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme 617[5]
Schmelzwärme 36 kJ/mol
Schallgeschwindigkeit 6190 m/s
Elektrische Leitfähigkeit 18,2 · 106 A/(V · m)
Wärmeleitfähigkeit 139 W/(m · K)
Chemisch [2]
Oxidationszustände 2, 3, 4, 5, 6
Normalpotential −0,152 V (MoO2 + 4e + 4 H+ → Mo + 2 H2O)
Elektronegativität 2,16 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP
92Mo

14,84 %

Stabil
93Mo

{syn.}

4000 a ε 0,405 93Nb
94Mo

9,25 %

Stabil
95Mo

15,92 %

Stabil
96Mo

16,68 %

Stabil
97Mo

9,55 %

Stabil
98Mo

24,13 %

Stabil
99Mo

{syn.}

65,94 h β 1,357 99Tc
100Mo

9,63 %

7,3 · 1018 a ββ 3,034 100Ru
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
  Spin γ in
rad·T−1·s−1
Er(1H) fL bei
B = 4,7 T
in MHz
95Mo 5/2 −1,751 · 107 0,0005 6,52
97Mo 5/2 −1,788 · 107 0,0003 6,65
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [6]
02 – Leicht-/Hochentzündlich

Gefahr

H- und P-Sätze H: 228
P: 210 [6]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Molybdän (griech. Μόλυβδος mólybdos „Blei“) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Mo und der Ordnungszahl 42. Es zählt zu den Übergangsmetallen, im Periodensystem steht es in der 5. Periode sowie der 6. Nebengruppe (Gruppe 6) oder Chromgruppe.

Geschichte

Molybdän, das in Lagerstätten in der Regel als Molybdänglanz (Molybdändisulfid) vorkommt, wurde lange Zeit mit Bleiglanz oder auch Graphit verwechselt. 1778 gelang es Carl Wilhelm Scheele, aus Molybdänglanz durch Behandlung mit Salpetersäure das weiße Molybdän(VI)-oxid (auch Molybdäntrioxid) MoO3 (Wasserbleierde) herzustellen. 1782 reduzierte Peter Jacob Hjelm das Oxid mit Kohle zum elementaren Molybdän. Wegen seiner schwierigen Bearbeitbarkeit (reines Molybdän lässt sich plastisch verformen, jedoch schon die Verunreinigung mit einem zehntausendstel Prozent Sauerstoff oder Stickstoff lässt Molybdän stark verspröden) fand Molybdän lange Zeit keine Beachtung. Ende des 19. Jahrhunderts bemerkten Mitarbeiter der französischen Firma Schneider & Co. bei der Herstellung von Panzerrohren die nützlichen Eigenschaften von Molybdän-Legierungen. In den beiden Weltkriegen war die Nachfrage nach dem Metall groß, nach dem Zweiten Weltkrieg fielen die Preise dramatisch. Das einzige westeuropäische Bergwerk wurde bis 1973 in Knaben, Norwegen betrieben.

Vorkommen

Molybdän kommt meistens als Molybdänit (Molybdänglanz, MoS2) mit einer Konzentration von etwa 0,3 % vor. Daneben gibt es noch Wulfenit (Gelbbleierz, PbMoO4) und Powellit Ca(Mo,W)O4. Zur Verhüttung gelangt überwiegend das durch den Kupferbergbau anfallende Koppelprodukt Molybdänit. Das MoS2-Konzentrat, wie es die Minen in Richtung „Röster“ verlässt, enthält ca. 50–60 % Molybdän. Große Vorkommen finden sich in den Vereinigten Staaten, Chile, China, Kanada und Peru. Die Weltproduktion lag 2007 bei 211.000 Tonnen (2006 179.000 t).[7] 2007 erzeugten die USA – als größter Produzent – 62.000 Tonnen, China 60.000 t und Chile 45.000 t.[7]

Molybdän in gediegener, das heißt elementarer Form konnte bisher (Stand: 2011) nur in vier Proben nachgewiesen werden: Auf der Erde in einer Gesteinsprobe vom Vulkan Korjakskaja Sopka auf der russischen Halbinsel Kamtschatka sowie in drei Gesteinsproben des Mondes vom Apollonius-Hochland (Luna 20), dem Mare Crisium (Luna 24) und dem Mare Fecunditatis (Luna 16).[8] Da die Veröffentlichungen der Entdeckungen allerdings ohne Prüfung durch die IMA/CNMNC erfolgte, gilt der Status von Molybdän als Mineral bisher nicht als gesichert, auch wenn es die Mineral-System-Nr. 1.AC.05 (nach der 9. Auflage der Strunz'schen Mineralsystematik) trägt.[9]

Gewinnung und Darstellung

Die Hauptmenge des Molybdäns wird als Nebenprodukt bei der Kupferherstellung gewonnen und nur ca. 30 % direkt aus Molybdänerzen. Alle Erze werden in der Hauptsache zu Ammoniumheptamolybdat umgearbeitet. Dieses wird durch Calcinieren bei ca. 400 °C in Molybdäntrioxid MoO3 überführt. Letzteres wird in zwei Stufen durch Wasserstoff zum reinen Molybdänpulver reduziert. Erste Stufe führt bei 500–600 °C zum metastabilen braunviolettem Molybdändioxid MoO2, die zweite Stufe führt bei ca. 1100 °C zum reinen Metallpulver.[10] Die Verdichtung zum kompakten Metall erfolgt durch das HIP-Verfahren, durch Umschmelzen im Lichtbogenofen unter Argon als Schutzgas oder im Elektronenstrahlofen. Einkristalle werden nach dem Zonenschmelzverfahren hergestellt. Die Molybdänrückgewinnung aus Schrott beträgt annähernd 100 %, da keine Oxidationsverluste auftreten.

\mathrm{(NH_4)_6Mo_7O_{ 24} \longrightarrow 7\ MoO_3 + 6\ NH_3 + 3\ H_2O}
\mathrm{MoO_3 + H_2 \longrightarrow MoO_2 + H_2O}
\mathrm{MoO_2 + 2\ H_2 \longrightarrow Mo + 2\ H_2O}

Eigenschaften

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Molybdän, kristallines Bruchstück

Molybdän ist ein Übergangsmetall der 5. Periode. Das hochfeste, zähe und harte Metall besitzt einen silbrigweißen Glanz. Von allen Elementen der 5. Periode besitzt es den höchsten Schmelzpunkt. Von reduzierenden Säuren (auch Flusssäure) wird es ebenso wie das schwere Homologe Wolfram nicht angegriffen. Deshalb wird Molybdän in großen Mengen zur Herstellung von säurebeständigen Edelstählen und Nickelwerkstoffen eingesetzt. Oxidierende Säuren wie heiße konzentrierte Schwefelsäure, Salpetersäure oder Königswasser führen zu hohen Abtragsraten. Ebenso unbeständig ist Molybdän in oxidierenden Alkalischmelzen.

 

Verwendung

In kleinen Zusätzen dient es zur Härtung und zur Verhinderung der Anlassversprödung von Stahl. Mehr als zwei Drittel des hergestellten Molybdäns werden zur Erzeugung von Metalllegierungen wie Ferro-Molybdän verbraucht. Wolframverknappung im Ersten Weltkrieg führte zu vermehrtem Einsatz von Molybdän zur Herstellung von hochfesten Werkstoffen. Bis heute ist Molybdän ein Legierungselement zur Steigerung von Festigkeit, Korrosions- und Hitzebeständigkeit. Molybdänhaltige Hochleistungswerkstoffe wie Hastelloy®, Incoloy® oder Nicrofer® haben viele technische Verfahren erst möglich oder ökonomisch sinnvoll gemacht.

Molybdän wird wegen seiner hohen Temperaturbeständigkeit zur Herstellung von Teilen für extreme Anwendungsfälle wie z. B. Luft- und Raumfahrt oder Metallurgietechnik verwendet. In der Ölverarbeitung wird es als Katalysator zur Schwefelentfernung eingesetzt.

Molybdändisulfid ist aufgrund seiner Schichtstruktur ein ideales Schmiermittel, auch bei erhöhten Temperaturen. Es kann als Feststoff, wie Graphit, aber auch suspendiert in herkömmlichen Schmierölen verwendet werden.

Auch in elektronischen Bauteilen ist Molybdän zu finden. In TFTs (Dünnschichttransistoren) dient es als leitende Metallschicht und auch bei Dünnschichtsolarzellen wird es als metallischer Rückleiter verwendet.

Molybdänfolien dienen als gasdichte Stromdurchführung in Quarzglas, u. a. an Halogenglühlampen und Hochdruck-Gasentladungslampen.

Molybdate werden zur Imprägnierung von Stoffen verwendet, um diese schwer entflammbar zu machen.

Molybdän findet auch in der Röntgendiagnostik als Targetmaterial in der Anode Verwendung. Röntgenröhren mit Molybdänanode werden wegen der niedrigeren Energie der Charakteristischen Röntgenstrahlung (K_\alpha bei 17,4 keV und K_\beta bei 19,6 keV im Vergleich zu 58/59,3 keV bzw. 67,0/67,2/69,1 keV von Wolfram) des Molybdäns v. a. bei der Untersuchung der weiblichen Brust (Mammographie) eingesetzt.

In der Nuklearmedizin wird Spalt-Molybdän in Technetium-99m-Generatoren eingesetzt. Das relativ langlebige 99Mo (HWZ 66 h) zerfällt hierbei innerhalb des RNG in 99mTc (Technetium, HWZ 6 h). Auf diese Weise kann dieses wichtige Technetium-Isotop direkt vor Ort für Untersuchungszwecke gewonnen werden.

Physiologie

Bakterien-Molybdän-Cofaktor bis(Molybdopterin-Guanin-Dinukleotid)-Molybdän

Als Spurenelement ist Molybdän für nahezu alle lebenden Organismen essenziell, da es wesentlicher Bestandteil des aktiven Zentrums einer ganzen Anzahl von Enzymen wie der Nitrogenase, Nitratreduktase oder Sulfitoxidase ist. Lebewesen nutzen molybdänhaltige Enzyme u. a. zur Purinzersetzung und Harnsäurebildung. Die bioverfügbare, d. h. die von Organismen aufgenommene Form von Molybdän ist das Molybdat-Ion MoO42−. Dieses wird in mehreren Schritten als Molybdän-Cofaktoren in die entsprechenden Enzyme eingebaut. Dort kann das Mo-Atom zwischen den Koordinationszahlen +IV, +V und +VI wechseln, und so Ein-Elektronen-Redoxreaktionen katalysieren.[11]

Molybdän ist für Pflanzen essenziell. Durch Molybdänmangel kann ein Boden unfruchtbar sein, was erklärt, warum eine Düngung mit Ammoniumheptamolybdat den Ertrag auf solchen Böden steigert. In Pflanzen und Tieren beträgt die Molybdänkonzentration einige ppm. Molybdän ist ein sehr wichtiges Spurenelement, vor allem für Leguminosen. Die mit den Leguminosen in Symbiose lebenden Bakterien (Knöllchenbakterien) sind in der Lage, mit einem molybdänhaltigen Enzym (Nitrogenase) Luftstickstoff zu binden. Sie benötigen Molybdän für zwei Prozesse: Fixierung von molekularem Stickstoff und Nitratreduktion.

Auch für die menschliche Ernährung ist Molybdän essenziell. Der Schätzwert der DGE für Jugendliche und Erwachsene geht von 50–100 µg Molybdän als angemessene Tageszufuhr aus. Ein Molybdänmangel kommt bei normaler Ernährung nicht vor und ist deshalb extrem selten. Werden hohe Aufnahmen (10–15 mg/Tag) erreicht – zum Beispiel durch molybdänreiche Böden, so treten gichtähnliche Symptome, Gelenkschmerzen und Lebervergrößerungen auf.[12]

Der Molybdän-Cofaktor-Mangel tritt jedoch nur als Erbkrankheit auf; dabei ist eines der Enzyme mutiert, die die Biosynthese der Molybdän-Cofaktoren katalysieren.[13]

Verbindungen

Molybdän bildet in den Oxidationsstufen 2 bis 6 zahlreiche Verbindungen.[14] Am bekanntesten sind die vom Molybdän(VI)-oxid abgeleiteten Molybdate, wie beispielsweise unterschiedliche Ammoniummolybdate. Molybdän(IV)-oxid entsteht durch Reduktion von Molybdän(VI)-oxid. Peroxomolybdate lassen sich aus Molybdatlösungen und Wasserstoffperoxid herstellen und sind sehr reaktionsfähig. Molybdänblau ist eine Bezeichnung für unterschiedliche Molybdänoxidhydroxide.

Molybdän bildet mit Chlor mehrere Chloride in den Oxidationsstufen 2 bis 5. So erhält man MoCl5 durch Erhitzen von Molybdänpulver im Chlorstrom, MoCl4 durch Reduktion von MoCl5. Mit Fluor wird bevorzugt das Molybdän(VI)-fluorid gebildet. Daneben sind eine Reihe von Oxidfluoriden, wie das MoOF4, und Oxofluoromolybdate, wie K2[MoOF5], bekannt.

Mit Schwefel werden zwei Sulfide gebildet: Das Molybdän(IV)-sulfid und das Molybdän(VI)-sulfid, von dem sich Thiomolybdate ableiten lassen, wie das Ammoniumthiomolybdat (NH4)2[MoS4].

Komplexverbindungen mit Cyaniden sind beispielsweise Oktacyanomolybdate(IV), wie K4[Mo(CN)8]. Thiocyanate bilden Thiocyanatomolybdat(III)-komplexe wie (NH4)3[Mo(SCN)6]. Molybdän bildet außerdem unterschiedliche Carbonylkomplexe, wie z.B. [Mo(CO)5]2- mit der Oxidationsstufe -2, und Carbonyle mit nullwertigem Molybdän, wie das Molybdänhexacarbonyl.

Sicherheitshinweise

Molybdänstaub und -verbindungen wie Molybdän(VI)-oxid und wasserlösliche Molybdate weisen eine leichte Toxizität auf, wenn sie inhaliert oder oral eingenommen werden.

Tests lassen vermuten, dass Molybdän im Gegensatz zu vielen anderen Schwermetallen relativ wenig toxisch wirkt. Akute Vergiftungen sind wegen der dazu notwendigen Mengen unwahrscheinlich. Im Bereich von Molybdänbergbau und -herstellung könnten höhere Molybdänexpositionen vorkommen. Bisher sind aber keine Krankheitsfälle bekannt geworden.

Obwohl natürliches Molybdän zu 9,63 % das radioaktive Isotop 100Mo enthält, sind auf Grund der langen Halbwertszeit normalerweise keine besonderen Sicherheitsvorkehrungen zum Strahlenschutz erforderlich. Auch in der praktischen Anwendung kann in der Regel auf eine Abschirmung verzichtet werden, da die Strahlung nur mit hohem Aufwand gemessen werden kann.

Nachweis

Ein qualitativer Nachweis sechswertigen Molybdäns ist über die Bildung von Heteropolysäuren mit Phosphat möglich. Gibt man zu einer schwefelsauren molybdathaltigen Lösung Phosphorsäure, dann fällt kristallines Molybdängelb aus. Bei Zusatz des milden Reduktionsmittels Ascorbinsäure erfolgt starke Blaufärbung (Bildung von Molybdänblau). Bei geringeren Konzentrationen von Molybdat erfolgt keine Fällung, sondern nur Farbänderung der Lösung.

\mathrm{H_2PO_4^- + 12\ MoO_4^{2-} + 6\ H_3O^+ + 3\ NH_4^+ \longrightarrow (NH_4)_3[P(Mo_3O_{12})_4] (gelb) + 10\ H_2O}

Diese Reaktionen werden auch zur photometrischen Bestimmung von Molybdat oder Phosphat im Spurenbereich eingesetzt. Molybdän kann alternativ mittels Atomspektrometrie bestimmt werden. In der Polarografie ergibt sechswertiges Molybdän in Schwefelsäure einer Konzentration von 0,5 mol/l zwei Stufen bei −0,29 und −0,84 V (gegen SCE). Diese sind auf Reduktion zum Mo(V) bzw. Mo(III) zurückzuführen.

Einzelnachweise

  1. Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
  2. Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Molybdän) entnommen.
  3. N. N. Greenwood und A. Earnshaw: Chemie der Elemente, 1. Auflage, 1988, S. 1291, ISBN 3-527-26169-9.
  4. Weast, Robert C. (ed. in chief): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990. Seiten E-129 bis E-145. ISBN 0-8493-0470-9. Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.
  5. 5,0 5,1 Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. In: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, S. 328–337, doi:10.1021/je1011086.
  6. 6,0 6,1 Datenblatt Molybdenum bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 10. April 2011.
  7. 7,0 7,1 Statistik bei der United States Geological Society (Molybdaen)
  8. Mindat - Molybdenum (englisch)
  9. IMA/CNMNC List of Mineral Names - Molybenum (englisch, PDF 1,8 MB; S. 191: Status (N) = published without approval by the CNMNC)
  10. Lucien F. Trueb: Die chemischen Elemente, Ein Streifzug durch das Periodensystem, S. Hirzel Verlag, Stuttgart/Leipzig 1996, ISBN 3-7776-0674-X.
  11. G. Schwarz, R. R. Mendel, M. W. Ribbe: Molybdenum cofactors, enzymes and pathways. In: Nature. 460, Nr. 7257, 2009, S. 839–847. PMID 19675644.
  12. D-A-CH: Referenzwerte für die Nährstoffzufuhr, 2000.
  13. Jochen Reiss, Rita Hahnewald: Molybdenum cofactor deficiency: Mutations in GPHN, MOCS1, and MOCS2. In: Human Mutation. 32, 2011, S. 10–18, doi:10.1002/humu.21390.
  14. Heinrich Remy: Lehrbuch der Anorganischen Chemie Band II, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig Leipzig 1961, S. 200-208

Weblinks

Wiktionary Wiktionary: Molybdän – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
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