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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
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| 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 |
| Varie |
| Elettronegatività |
1,61 |
| Capacità calorica specifica |
900 J/(kg*K) |
| Conducibilità elettrica |
37,7 × 106/m·ohm |
| Conducibilità termica |
237 W/(m*K) |
| Prima energia di 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
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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 [modifica]
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 ad 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
- Ottima saldabilità (a gas, ad arco elettrico, per resistenza)
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 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.
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.
Friedrich Wöhler è generalmente accreditato per aver isolato l'alluminio (dal Latino alumen, alum) nel 1827. Comunque, questo metallo venne prodotto per la prima volta, in forma impura, due anni prima dal chimico e fisico danese Hans Christian Ørsted. Henri Sainte-Claire Deville presentò in un libro del 1859 due miglioramenti al processo di produzione, sostituendo il potassio al sodio e usando un dicloruro invece che un cloruro semplice. L'invenzione del processo Hall-Heroult nel 1886 rese economica l'estrazione dell'alluminio dai minerali, ed è comunemente in uso in tutto il mondo.
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.
Nonostante l'alluminio sia un elemento abbondante della 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 estrazione. 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 1900. 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 normali.
L'alluminio è un metallo reattivo e non può essere estratto dal suo minerale, la bauxite (Al2O3), tramite riduzione con il carbonio. Viene invece estratto tramite elettrolisi: il metallo viene ossidato in soluzione a quindi nuovamente ridotto a metallo puro. Il minerale deve essere in stato liquido perché ciò avvenga. Comunque, la bauxite ha un punto di fusione di 2000°C, che è una temperatura troppo alta per essere ottenuta in maniera economica. Per molti anni la bauxite veniva disciolta nella criolite fusa, che abbassa il punto di fusione a circa 900°C. Attualmente la criolite è stata rimpiazzata da una miscela artificiale di alluminio, sodio, e fluoruro di calcio. Questo processo richiede ancora grosse 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.
Gli elettrodi usati nell'elettrolisi della bauxite sono entrambi di carbonio. Una volta che il minerale è fuso, i suoi ioni sono liberi di muoversi. La reazione al catodo negativo è
- Al3+ + 3e- → Al
Qui gli ioni di alluminio vengono ridotti (vengono aggiunti elettroni). Il metallo di alluminio quindi affonda e viene separato.
L'anodo positivo ossida l'ossigeno della bauxite, che quindi reagisce con il carbonio dell'elettrodo per formare anidride carbonica:
- 2O2- → O2 + 2e-
- O2 + C → CO2
Questo catodo deve essere sostituito spesso perché si trasforma in anidride carbonica. 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.
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.
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.
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