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, durezza 2 700 kg/m³, 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 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 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. Indice 1 Cenni storici 2 Caratteristiche 2.1 Isotopi 3 Produzione 3.1 Processo Bayer 3.2 Processo di Hall-Héroult 4 Saldatura dell'alluminio 4.1 Saldatura TIG 4.2 Saldatura MIG 5 Applicazioni 6 Riciclaggio dell'alluminio 7 Precauzioni 8 Note 9 Bibliografia 10 Voci correlate 11 Altri progetti 12 Collegamenti esterni modifica 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 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 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] modifica 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 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)[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. modifica 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. modifica 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 si fa con il ferro. Viene invece prodotto con un procedimento a 2 stadi: Produzione di allumina Al2O3 dalla bauxite (processo Bayer); Elettrolisi di allumina fusa in criolite[1] (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. modifica 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. modifica 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). modifica Saldatura dell'alluminio modifica 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). modifica 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. modifica 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 modifica 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. modifica 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 un materiale combustibile facilmente infiammabile all'aria[6]. 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 [7] 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 in l'organismo non sia in grado di espellerlo, ad esempio in caso di gravi malattie renali. Alcune ricerche cliniche sembrano dimostrare[8] 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[9] del tutto la validità di questi studi ed esistono numerose controversie[10] 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). modifica Note ^ a b c d Rolla, op. cit., p. 373 ^ a b Ullmann's, op. cit., cap. 4 ^ Bassa se confrontata con le temperature di fusione degli altri metalli. ^ 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. ^ a b Rolla, op. cit., P. 374 ^ http://www.cdc.gov/niosh/ipcsneng/neng0988.html ^ Ullmanns Encyclopedia of industrial chemistry ^ http://alzheimers.org.uk/site/scripts/documents_info.php?categoryID=200137&documentID=99&pageNumber=1 ^ 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) ^ Can the controversy of the role of aluminum in Alzheimer's disease be resolved? (Articolo di PubMed) modifica 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, 29a 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. modifica Voci correlate Aldrey Alfol Alluminio nativo CIAL Formiato d'alluminio Leghe di alluminio London Metal Exchange Processo di Hall-Héroult Rusal Uncsaal modifica Altri progetti Commons Wikizionario Wikimedia Commons contiene file multimediali su Alluminio Wikizionario contiene la voce di dizionario «alluminio» modifica Collegamenti esterni Alluminio su Open Directory Project (Segnala su DMoz un collegamento pertinente all'argomento "Alluminio"). v · d · m Tavola periodica degli elementi H                                                             He Li Be   B C N O F Ne Na Mg   Al Si P S Cl Ar K Ca   Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr   Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo Uue Ubn Unbibidi Ubu Ubb Ubt Ubq Ubp Ubh Ubs Ubo Ube Utn Utu Utb Utt Utq Utp Uth Uts Uto Ute Uqn Superattinidi Uqu Uqb Uqt Uqq Uqp Uqh Uqs Uqo Uqe Upn Upu Upb Upt Portale Chimica Portale Cucina