Alluminio

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magnesio - alluminio - silicio
B
Al
Ga

tavola periodica, alluminio
Configurazione elettronica
Generale
Nome, Simbolo, N° Atomico alluminio, Al, 13
Serie chimica metalli del blocco p
Gruppo, Periodo, Blocco 13 (IIIA), 3, p
Densità, Durezza 2700 kg/m³, 1,5 (scala di Mohs)
Colore bianco argenteo
aspetto dell'alluminio
Proprietà atomiche
Peso atomico 26,981538 uma
Raggio atomico 125
Raggio covalente 118 pm
Raggio di van der Waals n.d.
Configurazione elettronica Ne3s²3p¹
e- per livello energetico 2, 8, 3
Stato di ossidazione 3 (anfotero)
Struttura cristallina Cubica
Proprietà fisiche
Stato di aggregazione solido
Punto di fusione 933,47 K, (660,32 °C)
Punto di ebollizione 2792 K, (2518,85 °C)
Volume molare 10,00×10−3 m³/mol
Calore di vaporizzazione 293,4 kJ/mol
Calore di fusione 10,79 kJ/mol
Pressione del vapore 2,42×10−6 Pa
Velocità del suono 5100 m/s a 933 K
Resistenza a compressione (Kg/m²) Infinita (pressofuso)
Varie
Elettronegatività 1,61
Capacità calorica specifica 900 J/(kg*K)
Conducibilità elettrica 37,7×106/m·ohm
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 2744,8kJ/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 stabili
iso NA TD DM DE DP
26Al sint 7,17×105 anni ε 4,004 26Mg
27Al 100% Al 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

Blocco di alluminio comparato con un Penny americano

L'alluminio è l'elemento chimico di numero atomico 13. Il suo simbolo è Al.

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 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.

È identificato dal numero CAS 7429-90-5.

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; 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 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 alluminia, per saldare l'alluminio occorre isolare il giunto di saldatura dall'ossigeno dell'aria attraverso particolari paste che producono gas ionizzanti o plasma). Oggi giorno, si sono sviluppate nuove 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 - Ar). 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).

Altro modo 'moderno' di saldare l'alluminio è con 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). L'arco elettrico è però 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.

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)[1]
  • Basso peso specifico, compreso tra 2,66 e 2,85 gr/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.

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.

Queste leghe formano componenti vitali 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[2]
  • Macchinari.

Il suo ossido, l'allumina, si trova naturalmente in 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 sottoforma 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.

Storia

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 della 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 Hall-Heroult 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.

Produzione

Nonostante l'alluminio sia il 3° elemento in ordine d'abbondanza sulla crosta terrestre, (8,1%), è molto raro in forma libera ed era una volta 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 100 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 il più difficile da ottenere, nonostante fosse uno dei più abbondanti elementi disponibili sulla terra.

Per un periodo l'alluminio costò più dell'oro, ma i prezzi scesero fino a collassare quando nel 1889 venne scoperto un facile metodo di produzione. Solo in questa data infatti venne messo a punto, in Francia da Heroult e in America da Hall, il metodo elettrolitico di produzione del metallo da allumina (ossido di alluminio, Al2O3).

Il recupero di questo metallo dai rifiuti (attraverso il riciclaggio) è diventato una parte importante dell'industria dell'alluminio. Il riciclaggio dell'alluminio non è una novità, 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: 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.

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
  2. Elettrolisi di allumina fusa in criolite

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. Nel secondo passo si produce criolite sintetica dalla reazione:

Al(OH)3 + 6HF + 3NaOH → NaAlF6 + 3H2O

e si esegue la riduzione del metallo in cella elettrolitica utilizzando come elettrolita una miscela di criolite 80% / allumina 10% più altri fondenti (fluoruro di calcio, carbonato di litio), necessari a causa dell'alto punto di fusione dell'allumina, oltre 2 000 °C. Grazie a questi additivi la miscela ha punto di fusione di circa 900 °C, temperatura che può esser mantenuta dal calore generato dalla corrente elettrica per effetto joule durante il processo di elettrolisi. Durante il processo l'alluminio metallico, fuso, viene spillato dal fondo della cella elettrolitica (perché più denso della miscela di partenza) mentre dall'alto si introduce altra allumina da convertire.

Gli elettrodi usati nell'elettrolisi della bauxite sono entrambi di carbonio: la reazione al catodo negativo è

Al3+ + 3e → Al

Qui gli ioni di alluminio vengono ridotti, l'alluminio metallico affonda nella miscela fusa e può esser separato. All'anodo si ha invece l'ossidazione dell'elettrodo di carbonio per formare anidride carbonica:

2O2− + C → CO2 + 4e

all'anodo si ha pertanto il consumo di carbone per l'elettrodo, che si trasforma in anidride carbonica.

Questo processo richiede, per una tonnellata di alluminio, 1,89 t di allumina, 0,07 t di criolite, 0,45 t di C per gli elettrodi e 15 000 kWh di energia elettrica: il costo dell'energia è il fattore critico di tale processo.

Proprio a causa delle grandi quantità di energia, e le fabbriche di alluminio hanno normalmente una propria centrale elettrica nelle immediate vicinanze. 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.

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.

Precauzioni

Simboli di rischio chimico
facilmente infiammabile
frasi RR 15-17
frasi SS 2-7/8-43

Le sostanze chimiche
vanno manipolate con cautela
Avvertenze

L'alluminio puro in polvere è facilmente infiammabile all'aria e molto reattivo in acqua, con produzione di idrogeno.

L'alluminio è uno dei pochi elementi abbondanti che sembra non abbiano alcuna funzione benefica nelle cellule viventi, 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 se ingeriscono farmaci come il Maalox; o alcuni prodotti contro la diarrea.

Per le altre persone l'alluminio non è considerato tossico come i metalli pesanti, ma esistono prove di tossicità se consumato in quantitativi eccessivi, soprattutto in organismi con ridotta capacità di eliminare gli accumuli del metallo a causa di predisposizione genetica e dieta sbilanciata. Si ritiene che sia il sistema nervoso centrale a risentire maggiormente degli effetti tossici dell'alluminio e alcune ricerche cliniche sembrano dimostrare[senza fonte] la correlazione tra assunzione cronica di alluminio e lo sviluppo di gravi malattie neurodegenerative, quali Alzheimer, Parkinson, SLA, sclerosi multipla, demenza. Tuttavia la comunità scientifica non ha riconosciuto[3] del tutto la validità di questi studi ed esistono numerose controversie[4] in merito. Altri effetti possono essere perdita della memoria, indebolimento, tremore e, in caso di inalazione delle polveri, danni polmonari.

Le principali cause di assunzione di alluminio sono la sottoposizione a vaccini (nei quali è presente come eccipiente e conservante), l'uso di farmaci (antiacidi e antidiarroici), pentole di alluminio nudo (in particolare nella cottura di cibi acidi come il pomodoro), caffettiere in alluminio, cibi e bavande contenuti in barattoli, lattine o carta d'alluminio e talvolta anche deodoranti, dentifrici, saponi, acqua potabile e foglie di tè.

L'esame più diffuso per verificare la presenza di metalli nell'organismo è il mineralogramma tramite analisi del capello. Un esame più preciso pare essere l'esame differenziale delle urine prima e dopo la somministrazione di un chelante, ovvero particolari molecole (molto usata è l'EDTA) in grado di legarsi chimicamente ai metalli e trasportarli fuori dall'organismo tramite sudore e urine. Alcune testimonianze hanno riscontrato notevoli differenze tra gli esiti del mineralogramma e dell'esame differenziale delle urine dovute alla capacità personale di eliminare i metalli tramite il capello. Secondo tali testimonianze il secondo esame sarebbe molto più affidabile.

Un organismo in buona salute ha generalmente una certa capacità di disintossicarsi lentamente da metalli pericolosi. La detossificazione forzata dell'organismo dall'alluminio e da altri metalli tossici viene effettuata tramite cicli di somministrazione endovenosa di un chelante. Tale trattamento può tuttavia avere effetti collaterali.

Note

  1. ^ "Bassa" se confrontata con le temperature di fusione degli altri metalli.
  2. ^ 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.
  3. ^ 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
  4. ^ Can the controversy of the role of aluminum in Alzheimer's disease be resolved?(Articolo di PubMed)

Voci correlate

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