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Alluminio

 

Descrizione

L'Alluminio è l'elemento chimico di numero atomico 13. Il suo simbolo è Al ed è identificato dal numero CAS 7429-90-5.

Si tratta di un metallo duttile color argento. L'alluminio si estrae principalmente dai minerali di bauxite ed è notevole la sua resistenza all'ossidazione, la sua morbidezza, e la sua leggerezza. L'alluminio infatti si trova soprattutto in forma di minerale bauxite ed è interessante per la sua resistenza all'ossidazione; in realtà l'alluminio è quasi sempre ossidato, ma è utilizzabile in questa forma a differenza della maggior parte dei metalli).

L'alluminio viene impiegato nell'industria per la produzione di moltissimi prodotti differenti ed è molto importante per l'economia mondiale. L'alluminio grezzo viene lavorato tramite diversi processi di produzione industriale, quali ad esempio la fusione, la forgiatura o lo stampaggio.

Componenti strutturali fatti in alluminio sono vitali per l'industria aerospaziale e molto importanti in altri campi dei trasporti e delle costruzioni nei quali leggerezza, durata e resistenza sono necessarie.

L'uso dell'alluminio supera quello di qualunque altro metallo ad eccezione del ferro; l'alluminio puro forma facilmente leghe con molti elementi quale rame, zinco, magnesio, manganese e silicio.

L'alluminio è fra i metalli più difficili da raffinare esistenti sulla terra, il motivo è che esso si ossida molto velocemente ed il suo ossido è un composto estremamente stabile che, a differenza della ruggine sul ferro, non si sfalda.

Il recupero del metallo dai rottami (attraverso riciclaggio) è diventato una componente importante dell'industria di alluminio.

 

Caratteristiche

Proprietà atomiche

- Peso atomico: 26,981538 amu;

- Raggio atomico (calc.): 125 pm;

- Raggio covalente: 118 pm;

- Raggio di van der Waals: 227 pm;

- Configurazione elettronica: [Ne]3s23p1;

- e- per livello energetico: 2, 8, 3;

- Stati di ossidazione: 3 (anfotero);

- Struttura cristallina: cubica.

 

Proprietà fisiche

- Stato della materia: solido;

- Punto di fusione: 933,47 K (660,32°C);

- Punto di ebollizione: 2792 K (2518,85°C);

- Volume molare: 9.99 · 10−6 m³/mol;

- Entalpia di vaporizzazione: 293,4 kJ/mol;

- Calore di fusione: 10,79 kJ/mol;

- Tensione di vapore: 2,42 · 10−5 Pa;

- Velocità del suono: 5100 m/s a 933 K;

- Potenziale standard: - 1.67 V.

 

Altre proprietà dell'Alluminio

- Numero CAS: 7429-90-5;

- Elettronegatività: 1,61;

- Calore specifico: 900 J/(kg K);

- Conducibilità elettrica: 37,7 · 106 /m Ω;

- Conducibilità termica: 237 W/(m K);

- Energia di prima ionizzazione: 577,5 kJ/mol;

- Energia di seconda ionizzazione: 1816,7 kJ/mol;

- Energia di terza ionizzazione: 2744,8 kJ/mol;

- Energia di quarta ionizzazione: 11577 kJ/mol;

- Energia di quinta ionizzazione: 14842 kJ/mol;

- Energia di sesta ionizzazione: 18379 kJ/mol;

- Energia di settima ionizzazione: 23326 kJ/mol;

- Energia di ottava ionizzazione: 27465 kJ/mol;

- Energia di nona ionizzazione: 31853 kJ/mol;

- Energia di decima ionizzazione: 38473 kJ/mol.

 

Cenni storici

Anche se l'alluminio è un elemento molto abbondante nella crosta terrestre (stimato essere compreso tra 7.5% e 8.1%), è molto raro nella sua forma libera ed una volta era considerato un metallo prezioso più importante dell'oro. Gli antichi greci e romani usavano l'allume che era prodotto dalla lavorazione della alunite, un solfato d'alluminio che si trova in natura.

Il nome alluminio è derivato dal nome antico per l'allume (solfato alluminoso di potassio), quale era alumen. L'alluminio era il nome originale dato all'elemento da Humphry Davy ma altri iniziarono a chiamarlo alluminio ed esso divenne il nome accettato in tutta Europa. Tuttavia, negli Stati Uniti il nome preferito era di aluminum e quando la società chimica americana dibattè su tale argomento, nel 1925, decise di chiamarlo aluminum.

L'alluminio è un metallo morbido e leggero con un colore argenteo vivo, dovuto ad uno strato sottile di ossidazione che si forma rapidamente quando è esposto all'aria. L'alluminio è (come gli altri metalli) non magnetico non tossico e non-infiammabile.

L'allume era fondamentale nell'industria tessile come fissatore per colori, per le stampe su pergamena, per la concia delle pelli, la produzione del vetro e, come emostatico, per curare le ferite.

Nel 1761 Guyton de Morveau propose di chiamare l'alluminio base, allumina. Il metallo fu identificato per la prima volta da H.Davy, nell'allume KAl(SO4)2 · 12H2O, però non riuscì ad isolarlo, propose pertanto il nome alumium (dal Latino alumen, alum, sale amaro), poi modificato in aluminium, quindi in alluminio.

Il primo scienziato ad isolare, in forma impura, il metallo fu H. C. Ørsted sfruttando la reazione tra l'amalgama di potassio ed AlCl3; Friedrich Wöhler è generalmente accreditato per aver isolato l'alluminio in forma massiva, nel 1827, migliorando il metodo di Ørsted.

Henri Sainte-Claire Deville introdusse il metodo di riduzione diretta del metallo, per via elettrolitica a partire da NaAlCl4 fuso, processo studiato in modo indipendente pure da Bunsen.

L'invenzione del processo di Hall-Héroult nel 1886, ovvero elettrolisi di allumina disciolta in criolite (NaAlF4) rese economica l'estrazione dell'alluminio dai minerali, ed è comunemente in uso in tutto il mondo.

 

Caratteristiche

L'alluminio è un metallo leggero ma resistente, con un aspetto grigio argento a causa del leggero strato di ossidazione che si forma rapidamente quando è esposto all'aria e che previene la corrosione in quanto non solubile. L'alluminio ha un peso specifico di circa un terzo dell'acciaio, o del rame; è malleabile, duttile e può essere lavorato facilmente; presenta una eccellente resistenza alla corrosione e durata. Inoltre non è magnetico, non fa scintille, ed è il secondo metallo per malleabilità e sesto per duttilità.

L'alluminio è uno degli elementi più diffusi sulla Terra (8,3% in peso), secondo solo a ossigeno (45,5%) e silicio (25,7%) e paragonabile al ferro (6,2%) e al calcio (4,6%). In natura si trova sempre combinato con altri elementi; è presente in numerosi minerali. Dal punto di vista industriale questo metallo leggero (la sua densità è di 2,71 g/cm³) viene prodotto a partire dalla bauxite, roccia rosso bruno o giallo, diffusa soprattutto negli USA, in Russia, Guyana, Ungheria, nei territori dell'ex-Jugoslavia. Le proprietà salienti dell'alluminio sono:

- basso peso specifico, pari a circa un terzo di quello dell'acciaio o delle leghe di rame;

- elevata resistenza alla corrosione;

- alta conducibilità termica ed elettrica;

- elevata plasticità;

- eccellente duttilità e malleabilità;

- basso potere radiante;

- difficile saldabilità (per la formazione di allumina, per saldare l'alluminio occorre isolare il giunto di saldatura dall'ossigeno dell'aria attraverso particolari paste che producono gas ionizzanti o plasma).

 

Pochi elementi in natura si prestano a costituire un numero così elevato di leghe come l'alluminio. Per migliorare le caratteristiche meccaniche si aggiungono all'alluminio determinati quantitativi di elementi alliganti. Quando si combina con altri elementi, le caratteristiche di questo metallo, che allo stato puro è tenero e duttile, cambiano radicalmente. Basta un solo esempio: l'ossido di alluminio (Al2O3) o corindone (i cristalli trasparenti della migliore qualità sono più conosciuti come zaffiri e rubini), è la sostanza naturale più dura dopo il diamante, con durezza relativa 9 nella scala di Mohs. Per quanto riguarda le leghe metalliche formate dall'alluminio, le peculiarità in comune per tutte sono:

- Bassa temperatura di fusione (compresa tra i 510 ed i 650 °C);

- Basso peso specifico, compreso tra 2,66 e 2,85 g/cm³;

- Elevatissima conducibilità elettrica e termica;

- Contenuto di alluminio maggiore del 95%.

 

Gran parte degli elementi metallici sono solubili nell'alluminio, tuttavia rame (Cu), silicio (Si), magnesio (Mg), zinco (Zn), manganese (Mn) sono i leganti utilizzati per l'alluminio a costituire le leghe madri; accanto ad essi si possono impiegare elementi che migliorano alcuni aspetti prestazionali delle leghe, conosciuti come correttivi. Si trovano aggiunte, per scopi particolari, piccole percentuali di nichel, titanio, zirconio, cromo, bismuto, piombo, cadmio, scandio ed anche stagno e ferro, quest'ultimo peraltro sempre presente come impurezza. Quando gli elementi sopra menzionati vengono aggiunti all'alluminio di base da soli si hanno leghe binarie, quando aggiunti a due a due o a tre a tre si hanno rispettivamente leghe ternarie o leghe quaternarie. Ogni elemento possiede il suo particolare effetto, per esempio:

- Silicio: migliora la colabilità e riduce il coefficiente di dilatazione;

- Magnesio: aumenta la resistenza alla corrosione in ambiente alcalino e in mare;

- Manganese: aumenta la resistenza meccanica e alla corrosione;

- Rame: accresce la resistenza meccanica, soprattutto a caldo;

- Zinco: soprattutto se associato al magnesio, conferisce un'elevata resistenza meccanica.

 

Commercialmente esistono sette grandi famiglie di leghe d’Alluminio, ciascuna delle quali è caratterizzata dalla presenza di certi elementi alliganti, i quali impartiscono ad esse la capacità di indurire per deformazione plastica o trattamenti termici; queste leghe leggere ad alta resistenza vengono solitamente impiegate in applicazioni critiche o architettonico-strutturali, nelle quali non si può tollerare l’insorgenza di fenomeni di corrosione.

 

Isotopi

L'alluminio ha nove isotopi, la cui massa atomica varia da 23 a 30. Solo 27Al (isotopo stabile) e 26Al (isotopo radioattivo, emivita = 0,72 · 106 anni) si trovano in natura. 26Al viene prodotto dall'argon nell'atmosfera terrestre, dalla spallazione causata dai protoni dei raggi cosmici. Gli isotopi di alluminio hanno trovato un'applicazione pratica nella datazione dei sedimenti marini, dei noduli di manganese, dei ghiacci nei ghiacciai, del quarzo nelle rocce e nei meteoriti. Il rapporto tra 26Al e berillio-10 è stato usato per studiare il ruolo di trasporto, deposizione, sedimentazione ed erosione sulla scala temporale che va da 105 a 106 anni.

Il 26Al cosmogenico venne usato per la prima volta negli studi sulla Luna e i meteoriti. I frammenti di meteoriti che si staccano dal corpo principale, sono esposti a un intenso bombardamento di raggi cosmici durante il loro viaggio nello spazio, che causa una sostanziale produzione di 26Al. Dopo essere caduti sulla Terra, lo scudo dell'atmosfera protegge i frammenti dall'ulteriore produzione di 26Al, e il suo decadimento può essere usato per determinare la durata della loro presenza sulla Terra. La ricerca sui meteoriti ha anche mostrato che 26Al era relativamente abbondante all'epoca della formazione del nostro sistema planetario. È possibile che l'energia rilasciata dal decadimento di 26Al sia responsabile della rifusione e differenziazione di alcuni asteroidi dopo la loro formazione 4,6 miliardi di anni fa.

 

Produzione

Nonostante l'alluminio sia il 3º elemento chimico in ordine d'abbondanza sulla crosta terrestre, è molto raro in forma libera, per cui in passato era considerato un metallo prezioso, con un valore superiore a quello dell'oro. È quindi relativamente nuovo come metallo industriale e la sua produzione in quantità commerciali avviene da poco più di 200 anni.

Quando venne scoperto l'alluminio era estremamente difficile da separare dalle rocce di cui faceva parte, e poiché si trovava solo legato in qualche composto era l'elemento chimico più difficile da ottenere, nonostante fosse uno dei più abbondanti disponibili sulla Terra.

Il principale minerale d'alluminio è la bauxite: un ossido-idrossido misto di alluminio, dalla composizione molto variabile a seconda dei giacimenti. Può pertanto contenere Al2O3 40-60%, H2O 12-30%, SiO2 1-15%, Fe2O3 7÷30%, altri composti quali ossidi di titanio, vanadio, fosforo, o fluoruri.

L'alluminio è un metallo reattivo e non può essere prodotto dalla bauxite tramite riduzione con carbonio, come si fa con il ferro. Viene invece prodotto con un procedimento a 2 stadi:

  1. Produzione di allumina Al2O3 dalla bauxite (processo Bayer);

  2. Elettrolisi di allumina fusa in criolite (processo di Hall-Héroult).

Attualmente uno dei più grandi produttori di alluminio è il Canada, che grazie ai suoi grandi impianti idroelettrici importa bauxite ed esporta alluminio metallico. Nonostante il costo dell'elettrolisi, l'alluminio è economico e ampiamente utilizzato. L'alluminio può essere estratto anche dall'argilla, ma il processo è costoso.

 

Processo Bayer

L'allumina si ottiene trattando la bauxite con idrossido di sodio concentrato a caldo, che reagendo con l'alluminio produce idrossido di alluminio, che calcinato a 1200°C si decompone in ossido di alluminio e acqua.

Oggi questa operazione rientra all'interno del ciclo di lavorazione detto processo Bayer.

 

Processo di Hall-Héroult

Per un periodo l'alluminio costò più dell'oro, ma i prezzi scesero fino a collassare quando nel 1886 venne messo a punto, in Francia da Paul Héroult e in America da Charles Martin Hall, il metodo elettrolitico di produzione dell'alluminio a partire da allumina (ossido di alluminio: Al2O3).

Nel processo di Hall-Héroult l'alluminio viene prodotto in una cella elettrolitica in cui l'elettrolita è costituito da un bagno di criolite e allumina. L'alluminio fuso viene prodotto al catodo, che è costituito da una vasca di materiale refrattario all'interno del quale sono posizionate delle barre portacorrente (che fungono da elettrodo).

 

Saldatura dell'alluminio

Saldatura TIG

Esistono tecniche di saldatura specifiche per l'alluminio, in particolare la tecnica TIG (Tungsten Inert Gas), in modalità alternata; la saldatura avviene per mezzo di un arco elettrico scoccato tra il pezzo da saldare e un elettrodo al tungsteno specifico per saldatura alluminio; l'arco è sotto protezione gassosa (per la saldatura di alluminio si usa Argon). La corrente e quindi l'arco di saldatura che il macchinario TIG deve far uscire è di tipo alternato (AC), in modo da "rompere" attraverso la frequenza di saldatura la patina di allumina che si forma col riscaldamento del metallo; in questo modo si ha la possibilità di saldare o direttamente "pezzo su pezzo", oppure si possono usare bacchette di riporto per saldatura (le più comuni sono leghe di alluminio e magnesio o alluminio e silicio).

 

Saldatura MIG

Altro modo di saldare l'alluminio è l'utilizzo di macchinari tipo MIG (Metal Inert Gas); in questo caso il filo di saldatura è in una bobina che scorrendo attraverso una guida all'interno della torcia di saldatura, spinto o trascinato da rulli, permette il riporto del materiale necessario per la fusione, sempre con arco elettrico in protezione gassosa (Ar). A differenza della saldatura TIG, l'arco elettrico è scoccato dal filo nel processo MIG e non da un elettrodo come nel TIG.

La saldatura dell'alluminio con macchinari MIG è molto più veloce, ma esteticamente meno apprezzabile rispetto alla saldatura TIG a causa degli spruzzi di materiale che si generano dall'arco elettrico scoccato che non parte da un elettrodo al tungsteno, ma direttamente dal filo di riporto generando schizzi di alluminio fuso che si fissano sulle zone vicine al punto di saldatura.

 

Applicazioni

L’industria dei metalli leggeri appartiene principalmente alla storia di quest’ultimo secolo, ma nonostante la relativa giovinezza, questo settore è in continua accelerazione nello sviluppo di nuove tecnologie. Il ruolo che l’Alluminio riveste nella vita quotidiana è tale che risulta difficile pensare che solo ottanta anni fa questo metallo non era altro che una rarità.

Che venga misurato in termini di quantità o di valore, l'uso dell'alluminio oltrepassa infatti quello di tutti gli altri metalli ad eccezione del ferro, ed è importante praticamente in tutti i segmenti dell'economia mondiale. L'alluminio puro è soffice e debole, ma può formare leghe con piccole quantità di rame, magnesio, manganese, silicio e altri elementi, che hanno un'ampia gamma di proprietà utili.

Tali leghe vengono utilizzate anche in campo aeronautico e aerospaziale. Quando l'alluminio viene fatto evaporare nel vuoto forma un rivestimento che riflette sia la luce visibile che il calore radiante. Questi rivestimenti formano un sottile strato protettivo di ossido di alluminio che non si deteriora come fanno i rivestimenti di argento. L'alluminio viene usato anche come rivestimento per gli specchi dei telescopi.

Alcuni dei molti campi in cui viene usato l'alluminio sono:

- Trasporti (in quasi ogni tipo di mezzo di trasporto);

- Imballaggio (lattine, pellicola d'alluminio ecc...);

- Costruzioni (finestre, porte, strutture per facciate continue, rivestimenti metallici, in lamiera scatolata alla pressopiegatrice ecc...);

- Beni di consumo durevoli (elettrodomestici, attrezzi da cucina ecc...);

- Linee elettriche;

- Macchinari;

- Ottiche, quali cannocchiali e binocoli portatili;

- Armi da sparo e parti di esse. Fusti, carcasse, telai, componenti di scatto, mira, calciature, basi e anelli per sistemi di puntamento e mira ecc.... Utilizzato ove possibile per il peso ridotto e la resistenza agli agenti atmosferici, oggi è in parte soppiantato da materiali plastici e compositi;

- Bossoli e proiettili per munizioni. Poco utilizzati e diffusi;

- Quasi tutti gli specchi moderni sono fatti usando un rivestimento riflettente sottile di alluminio sulla superficie posteriore di un foglio di vetro galleggiante. Anche gli specchi dei telescopi sono ricoperti da una strato sottile di alluminio.

Il suo ossido, l'allumina, si trova in natura sotto forma di corindone, smeriglio, rubino, e zaffiro ed è usato nella produzione del vetro. Rubini e zaffiri sintetici sono usati nei laser per la produzione di luce coerente.

L'alluminio in polvere si ossida in maniera energica e per questo ha trovato uso nei propellenti solidi per i razzi (specie sotto forma di alluminio scuro detto anche alluminio pirotecnico). Per il medesimo motivo viene utilizzato nel processo di saldatura alluminotermica, mescolato con ossido di ferro per formare la termite, secondo la seguente reazione esotermica:

2Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2Fe

 

Il calore sprigionato da tale reazione è pari a 198.000 calorie.

 

Riciclaggio dell'alluminio

Il recupero di questo metallo dai rifiuti (attraverso il riciclaggio) è diventato una parte importante dell'industria dell'alluminio. Il riciclaggio dell'alluminio è una pratica comune fin dai primi del Novecento. Era comunque un'attività a basso profilo fino ai primi anni sessanta quando il riciclaggio dell'alluminio delle lattine pose questa pratica sotto l'attenzione pubblica. Le fonti per il riciclaggio dell'alluminio comprendono automobili e serramenti, elettrodomestici, contenitori e altri prodotti. Il riciclaggio è molto conveniente: infatti produrre un chilo di alluminio pronto all'uso a partire da scarti costa meno di 1 kWh, contro i 13÷14 circa della produzione dal minerale.

 

Precauzioni

L'alluminio puro in polvere è un materiale combustibile facilmente infiammabile all'aria.

4 Al + 3 O2 --> 2 Al2O3

 

e molto reattivo in acqua, nei confronti di ossidanti forti, basi e acidi forti.

2 Al + 6 H2O --> H2 + 2 Al(OH)3

 

Reagisce inoltre con gli alcoli e con gli alogenuri alchilici formando composti metallo-organici. La maggior parte della letteratura è concorde nel considerare l'alluminio non pericoloso per la salute umana in quanto esso viene scarsamente assimilato nel tratto gastrointestinale e viene espulso tramite la funzione renale. Si ritiene tuttavia che, in caso di contatto prolungato, le polveri di alluminio abbiano effetti negativi sui polmoni. Una bassa percentuale della popolazione è allergica all'alluminio, e sperimenta dermatiti da contatto, problemi digestivi e l'incapacità di assorbire le sostanze nutritive se mangiano cibo cotto in pentole d'alluminio, vomito e altri sintomi di avvelenamento qualora vengano ingeriti farmaci contenenti antiacidi a base di idrossidi di alluminio e magnesio o alcuni prodotti contro la diarrea.

L'assunzione di alluminio può avvenire attraverso il cibo, attraverso la respirazione e tramite il contatto con la pelle. Un'assunzione continuata di concentrazioni significative di alluminio può provocare seri effetti sulla salute, come:

- danneggiamento del sistema nervoso centrale;

- demenza;

- perdita della memoria;

- indebolimento;

- severo tremore.

L'alluminio, dunque, è tossico per il SNC come i metalli pesanti nel caso in cui in l'organismo non sia in grado di espellerlo, ad esempio in caso di gravi malattie renali. Alcune ricerche cliniche sembrano dimostrare la correlazione tra assunzione cronica di alluminio e lo sviluppo di gravi malattie neurodegenerative, quali Alzheimer, Parkinson, SLA, sclerosi multipla, demenza.

Altri effetti di una intossicazione da alluminio possono essere: perdita della memoria, indebolimento e tremore. Tuttavia la comunità scientifica non ha riconosciuto del tutto la validità di questi studi ed esistono numerose controversie in merito.

Le principali cause di assunzione di alluminio sono l'uso indiscriminato di farmaci antiacidi e antidiarroici a base di idrossido di alluminio, pentole di alluminio nudo (in particolare nella cottura di cibi acidi come il pomodoro), caffettiere in alluminio, cibi e bevande contenuti in barattoli, lattine o fogli che possono essere lentamente corrosi, favorendo la dissoluzione di alluminio negli alimenti e la sottoposizione a vaccini (nei quali è presente come eccipiente e conservante).

 

Voci correlate

- Geologia;

- Minerale;

- Chimica;

- Industria;

- Metallo;

 

Tratto da Wikipedia, elaborato e modificato.