Alluminio

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magnesio - alluminio - silicio
B Al Ga
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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, 2,75

Colore

bianco argenteo

Proprietà atomiche

Peso atomico

26,981538 amu

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 (amfoterico)

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

²⁶Al

sint

7,17 · 10⁵ anni

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 trova principalmente nei 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.

Caratteristiche

L'alluminio è un metallo tenero, 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. L'alluminio pesa 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, secondo solo a ossigeno e silicio. 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
Atossicità
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)

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 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, facciate continue per realizzare il rivestimento di intere costruzioni, ecc.)
Beni di consumo durevoli (elettrodomestici, attrezzi da cucina, ecc.)
Linee di trasmissione elettrica (a causa del suo peso leggero, anche se la sua conduttività elettrica è solo il 60% di quella del rame)
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 si ossida in maniera energica e, come risultato, ha trovato uso nei carburanti solidi per i razzi. Per il medesimo motivo viene utilizzato nel processo di saldatura per alluminotermia.

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 '60 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 contentere Al₂O₃ 40-60%, H₂O 12-30%, SiO₂ 1-15%, Fe₂O₃ 7-30%, altri composti queli ossidi di Ti, V, P, 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:

Produzione di allumina Al₂O₃ dalla bauxite
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 idrogeno.

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 + 2e⁻

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

frasi R: R 15-17
frasi S: S 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, anche se l'uso di pentolame in alluminio, popolare a causa della sua resistenza alla corrosione e alla buona conduzione del calore, non ha mostrato effetti tossici di alcun tipo. Il consumo eccessivo di medicinali contenenti alluminio può invece essere causa di tossicità. È stato suggerito che l'alluminio possa essere collegato al morbo di Alzheimer, anche se questa ricerca è stata recentemente confutata.