Significations et usages de Alluminio

Alluminio
13 Al                                                                                                                                                                                                                                                                                   magnesio ← alluminio → silicio
Aspetto
Bianco argenteo
Linea spettrale
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico	alluminio, Al, 13
Serie	metalli del blocco p
Gruppo, periodo, blocco	13 (IIIA), 3, p
Densità	2 700 kg/m³
Durezza	1,5
Configurazione elettronica
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	2 792 K (2 518,85 °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	5 100 m/s a 933 K
Altre proprietà
Numero CAS	7429-90-5
Elettronegatività	1,61
Calore specifico	896,9 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	2 744,8kJ/mol
Energia di quarta ionizzazione	11 577 kJ/mol
Energia di quinta ionizzazione	14 842 kJ/mol
Energia di sesta ionizzazione	18 379 kJ/mol
Energia di settima ionizzazione	23 326 kJ/mol
Energia di ottava ionizzazione	27 465 kJ/mol
Nona energia di ionizzazione	31 853 kJ/mol
Decima energia di ionizzazione	38 473 kJ/mol
Isotopi più stabili
iso NA TD DM DE DP 26Al sintetico 7,17 · 105  anni ε 4,004 26Mg 27Al 100% È stabile con 14 neutroni
iso: isotopo NA: abbondanza in natura TD: tempo di dimezzamento DM: modalità di decadimento DE: energia di decadimento in MeV DP: prodotto del decadimento

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.^[1] L'alluminio si estrae principalmente dai minerali di bauxite^[1] ed è notevole la sua resistenza all'ossidazione, la sua morbidezza e la sua leggerezza.^[1] L'alluminio grezzo viene lavorato tramite diversi processi di produzione industriale, quali ad esempio la fusione, la forgiatura o lo stampaggio.

L'alluminio viene usato in molte industrie per la fabbricazione di milioni di prodotti diversi ed è molto importante per l'economia mondiale. 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.

  Cenni storici

  La statua di Anteros come angelo della carità cristiana (comunemente scambiato per Eros) in Piccadilly Circus a Londra (1893), è una delle prime statue in alluminio, allora considerato metallo prezioso.

Gli antichi greci e romani usavano l'allume che era prodotto dalla lavorazione dell'alunite, un solfato d'alluminio che si trova in natura.

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.^[2]

  Caratteristiche

  Blocco di alluminio

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; ha 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 Stati Uniti, 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;
• 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)^[3]
• 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.

  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 nelle 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

  I maggiori paesi produttori di alluminio.

  Produzione mondiale di alluminio.

Nonostante l'alluminio sia il 3º elemento chimico in ordine d'abbondanza sulla crosta terrestre (8,1%), 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 avviene per il ferro, ma viene invece prodotto con un procedimento in due stadi:

1. Produzione di allumina Al₂O₃ dalla bauxite (processo Bayer);
2. Elettrolisi di allumina fusa in criolite^[1] (processo di Hall-Héroult).

Attualmente uno dei più grandi produttori di alluminio è il Canada, anche se non uno dei maggiori produttori di bauxite. Infatti grazie ai suoi potenti impianti idroelettrici, dispone di grandi quantità di energia elettrica a basso costo, quindi importa la bauxite ed esporta l'alluminio metallico. Nonostante l'elevato costo dell'elettrolisi, l'alluminio è comunque un metallo sufficientemente economico ed è quindi ampiamente utilizzato. L'alluminio può essere estratto anche dall'argilla, ma il processo è più costoso.

  Processo Bayer

Per approfondire, vedi la voce 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 approfondire, vedi la voce Processo di Hall-Héroult.

  Schema del 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).^[2]

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

Per approfondire, vedi la voce Saldatura TIG.

  Saldatura TIG (ingrandimento).

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

Per approfondire, vedi la voce Saldatura MIG/MAG.

  Schema di funzionamento di una torcia per 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

Che venga misurato in termini di quantità o di valore, l'uso dell'alluminio oltrepassa 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^[4]
• 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.

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:^[5]

2Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2Fe

Il calore sprigionato da tale reazione è pari a 198.000 calorie.^[5]

• 

  Una lattina in alluminio

• 

  Una borraccia in alluminio

• 

  Caffettiera moka in alluminio

• 

  Mestolo in alluminio

• 

  Fogli di alluminio per alimenti

• 

  Albero di Natale artificiale in alluminio

• 

  Decorazione di un infisso in alluminio

• 

  Monete in alluminio

• 

  Pacco pignoni di bicicletta in alluminio

• 

  Case di un computer in alluminio

• 

  Dissipatori di calore in alluminio

• 

  Convergence, scultura in alluminio di Jean-Pierre Morin

  Riciclaggio dell'alluminio

Per approfondire, vedi la voce Riciclaggio dell'alluminio.

  Blocchi di lattine di alluminio compresso presso l'impianto di riciclaggio di Central European Waste Management.

  Codice di 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^[8].

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^[9] 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 come il maalox o alcuni prodotti contro la diarrea.

L'alluminio è tossico per il SNC come i metalli pesanti nel caso in cui l'organismo non sia in grado di espellerlo, ad esempio in caso di gravi malattie renali. Alcune ricerche cliniche sembrano dimostrare^[10] 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^[11] del tutto la validità di questi studi ed esistono numerose controversie^[12] 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).

  Note

1. ^ ^{a b c d} Rolla, op. cit., p. 373
2. ^ ^{a b} Ullmann's, op. cit., cap. 4
3. ^ Bassa se confrontata con le temperature di fusione degli altri metalli.
4. ^ Anche se la sua conduttività elettrica è solo il 60% di quella del rame viene impiegato sulle linee aeree per il suo peso ridotto e per quelle in cavo a causa dell'elevato costo del rame.
5. ^ ^{a b} Rolla, op. cit., P. 374
6. ^ In caso di incendio estinguere con sabbia asciutta o estintori a schiuma.
7. ^ scheda dell'alluminio in polvere su IFA-GESTIS; l'alluminio in pezzi è considerato non pericoloso.
8. ^ ICSC:NENG0988 International Chemical Safety Cards (WHO/IPCS/ILO) | CDC/NIOSH
9. ^ Ullmanns Encyclopedia of industrial chemistry
10. ^ Aluminium and Alzheimer's disease - Alzheimer's Society
11. ^ Aluminum and Alzheimer’s disease: A Vexata Questio between uncertain data and a lot of imagination (Articolo del dipartimento di Biologia dell'Università di Padova)
12. ^ Can the controversy of the role of aluminum in Alzheimer's disease be resolved? (Articolo di PubMed)

  Bibliografia

• Francesco Borgese, Gli elementi della tavola periodica. Rinvenimento, proprietà, usi. Prontuario chimico, fisico, geologico, Roma, CISU, 1993. ISBN 88-7975-077-1
• R. Barbucci, A. Sabatini, P. Dapporto, Tavola periodica e proprietà degli elementi, Firenze, Edizioni V. Morelli, 1998. ISBN 88-1020-000-0
• Luigi Rolla, Chimica e mineralogia. Per le Scuole superiori, 29^a ed., Dante Alighieri, 1987.
• William B. Frank; Warren E. Haupin, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, "Aluminium" (in inglese), Wiley-VCH, 2000. DOI:10.1002/14356007.a01_459.

  Voci correlate

• Aldrey
• Alfol
• Alluminio nativo
• CIAL
• Duralluminio
• Formiato d'alluminio
• Leghe di alluminio
• London Metal Exchange
• Processo di Hall-Héroult
• Rusal
• Uncsaal

  Altri progetti

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  Collegamenti esterni

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