Alluminio
Proprietà e composti dell'alluminio
Il metallo alluminio, il cui nome deriva da allumina, uno dei suoi minerali, fu preparato per la prima volta da H.C.Oersted nel 1825.
L'alluminio, dopo l'ossigeno e il silicio, è l'elemento più abbondante nella litosfera, di cui costituisce circa l'8%.
È presente in forma di silicati e di ossidi in molti minerali della crosta terrestre ad esempio nei feldspati, miche, argille e corindone.
Varietà gemmologiche di corindone sono il rubino e lo zaffiro (entrambe con formula Al2O3).
È un metallo di colore bianco argenteo, ottimo conduttore di elettricità e di calore, leggero (ha peso specifico pari a circa un terzo di quello del ferro), duttile e malleabile.
L'alluminio è un metallo molto elettropositivo e facendo parte del III gruppo, presenta soltanto lo stato di ossidazione +3 (per info: numero di ossidazione alluminio).
Ha una grande affinità per l'ossigeno e, se finemente suddiviso, può bruciare all'aria formando l'ossido AI2O3 con una reazione fortemente esotermica (si veda il video della reazione chimica ); ciononostante puro e compatto è praticamente inattaccato sia dall'aria sia dall'acqua, poiché si ricopre rapidamente di una sottile e impenetrabile pellicola di ossido che lo protegge da un'ulteriore ossidazione (passivazione).
Viene attaccato (più rapidamente se impuro) con svolgimento di idrogeno dagli acidi non ossidanti come l'acido cloridrico e l'acido fosforico anche diluiti, e debolmente attaccato dagli acidi organici a caldo, mentre si "passiva" non disciogliendosi in acidi ossidanti come l'acido nitrico concentrato.
Dato il suo carattere anfotero, è inoltre facilmente attaccato dagli alcali con formazione dei corrispondenti alluminati:
2Al + 2OH− + 6H2O → 2 [Al(OH)4]− + 3H2
Con i sali di mercurio forma facilmente un amalgama che decompone l'acqua con svolgimento di idrogeno. Infine, l'alluminio reagisce facilmente con gli alogeni e, ad alta temperatura, con lo zolfo, l'azoto e il fosforo; forma inoltre nelle sue leghe molti composti intermetallici.
Alla temperatura di 20°C la densità dell'alluminio è pari a 2699 kg/m3; alla stessa temperatura il peso specifico dell'alluminio vale invece 26477 N/m3.
Il calore specifico dell'alluminio vale Cs = 0,215 cal / (g ·°C).
La temperatura di fusione dell'alluminio vale 660,3°C.
Composti dell'alluminio
Il legame ionico è il legame presente nei composti dell'alluminio; nei sali anidri esiste lo ione Al3+ (ione alluminio), che in soluzione acquosa, date le sue ridotte dimensioni e la grande carica, si idrata dando complessi tetra- o esa-coordinati che tendono a cedere protoni, per esempio
[Al(H2O)6]3+ + H2O ⇄ Al[(OH)(H2O)5]2+ + H3O+
Equilibri di questo tipo portano, in ambiente basico in cui risultano spostati verso destra, alla formazione dello ione idrossoalluminato Al[(OH)4(H2O)2]−.
L'ossido di alluminio Al2O3, è comunemente denominato allumina, base di partenza per la produzione industriale dell'alluminio. Viene utilizzata anche come materiale assorbente per cromatografia, come catalizzatore o supporto di catalizzatori, come materiale per la produzione di refrattari, abrasivi e pietre preziose sintetiche.
L'idrossido di alluminio Al(OH)3, esiste in varie forme cristalline (idrargillite, bayerite ecc.) oltreché sotto forma di gel amorfo. È una base molto debole, per cui tutti i sali di alluminio sono idrolizzati in soluzione acquosa; dato il suo carattere anfotero è solubile sia negli acidi (dà i sali) sia nelle basi (dà gli alluminati), formando tutta una serie di ioni complessi (generalmente esacoordinati) con ioni OH− e molecole H2O.
Il cloruro di alluminio AlCl3, è il più importante degli alogenuri di alluminio; è un solido bianco igroscopico che fuma all'aria, fortemente idrolizzato in soluzione acquosa dove libera HCl. A temperatura ambiente ha formula corrispondente al dimero Al2Cl6, a struttura ionica; in alcuni solventi capaci di coordinarsi (per esempio etere e piridina) e a elevate temperature si ha la dissociazione in molecole AlCl3. Si ottiene industrialmente per reazione diretta tra cloro e alluminio fuso. Anidro, viene largamente impiegato come catalizzatore data la sua caratteristica di acido di Lewis, cioè di accettore di elettroni.
Il solfato di alluminio [Al2(SO4)3] esiste in natura come idrato e sotto forma di solfati doppi; è un sale molto solubile in acqua dove è fortemente idrolizzato. Dalle soluzioni acquose cristallizza generalmente l'idrato Al2(SO4)3·18H2O, ma si conosce l'esistenza di altri idrati contenenti da 6 a 27 molecole di acqua. Si ottiene industrialmente facendo reagire con acido solforico a caldo bauxiti povere di ferro o idrossido di alluminio; viene utilizzato nella depurazione delle acque, come decolorante in varie industrie, come mordente in tintoria e nell'industria della carta.
L'acetato di alluminio Al(CH3COO)3, si può ottenere disciogliendo l'alluminio in miscela acido acetico-anidride acetica; è utilizzato, come gelatinizzante di oli lubrificanti e come mordente nella tintura con coloranti del tipo dell'alizarina.
Gli alluminoalchili sono composti metallorganici che contengono almeno un legame covalente alluminio-carbonio. Noti da tempo, hanno assunto importanza industriale solo negli ultimi decenni soprattutto quali componenti (generalmente associati a sali di titanio o vanadio) dei sistemi catalitici (cosiddetti Ziegler-Natta) utilizzati per la polimerizzazione degli alcheni. Sono impiegati inoltre come reattivi alchilanti in molte sintesi organiche.
Rubino
Utilizzo dell'alluminio
Dopo il ferro, l'alluminio è uno dei metalli più impiegati industrialmente, soprattutto per la sua leggerezza, l'alta conducibilità elettrica e termica, l'elevata plasticità e la grande resistenza alla corrosione.
Le caratteristiche meccaniche dell'alluminio puro (in particolare il carico di rottura a trazione) sono piuttosto scadenti, ma possono essere radicalmente migliorate nelle leghe con altri metalli; per esempio per alcune leghe Al-Zn-Mg-Cu si possono raggiungere valori del carico di rottura paragonabili a quelli dell'acciaio. Per tali motivi il 60% circa della produzione di alluminio viene impiegato in leghe, soprattutto con Mg, Si e Cu.
L'alluminio puro viene utilizzato anche in elettrotecnica per la fabbricazione di conduttori elettrici per linee ad alta tensione e nell'imballaggio (produzione di fogli sottili e contenitori ecc.).
Nel primo conflitto mondiale l'alluminio è stato utilizzato anche dall'industria bellica per la produzione dell'esplosivo denominato "Ammonal".
Sfruttando la sua elevata elettropositività, l'alluminio viene utilizzato anche nel processo chiamato alluminotermia. Questo processo consente di preparare metalli puri (Fe, Cr, Mn, W, ecc.) partendo dai loro ossidi. La temperatura sale a valori molto alti (anche 2800 °C). Il metallo ridotto, viene raccolto allo stato fuso sul fondo del recipiente.
2 Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2 Fe
Tale miscela di Al e Fe2O3 utilizzata in alluminotermia, durante la seconda guerra mondiale ha trovato applicazione anche come miscela incendiaria con il nome di "Termite".
L'alluminio trova impiego anche nella fabbricazione di aliscafi e nella produzione delle leghe "alnico".
Metodo di produzione dell'alluminio
La quasi totalità dell'alluminio viene attualmente prodotta per elettrolisi di allumina fusa (ossido di alluminio, Al2O3) a elevata purezza (ca. 99,5%) in criolite fusa, a circa 1000 °C (processo Hall-Héroult).
Il processo consta sostanzialmente di due fasi: preparazione dell'allumina pura; riduzione dell'allumina ad alluminio per elettrolisi "ignea". A queste può seguire una terza fase di ulteriore raffinazione dell'alluminio, sempre per via elettrolitica.
Essendo l'alluminio un metallo molto elettropositivo con grande affinità per l'ossigeno, l'unico processo praticamente utilizzabile per ottenerlo dall'ossido è quello di una riduzione per via elettrolitica di una miscela fusa di Al2O3 (2,5-8% ca) e criolite 3NaF·AlF3, contenente anche altri sali in piccole quantità, a temperature di circa 970°C (elettrolisi "ignea").
Le celle elettrolitiche in acciaio sono rivestite internamente di refrattario e quindi di carbone coke, quest'ultimo elettricamente collegato alle barre portacorrente catodiche; lo strato di alluminio fuso presente sul fondo costituisce quindi il catodo (elettrodo negativo). L'anodo, in carbone coke molto puro, può essere costituito da blocchi compatti alti circa 50 cm ottenuti da una miscela di coke e bitume pressata e "cotta" a ca 1200 °C in assenza di aria; dato il notevole consumo, gli anodi devono essere frequentemente regolati e sostituiti. Il bilancio stechiometrico del processo elettrolitico sembra essere il risultato della somma bilanciata di varie reazioni elettrodiche, e cioè della reazione globale:
2Al2O3 + 3 C → Al + 3CO2
II processo è molto dispendioso dal punto di vista energetico: occorrono ca 20 kWh per ottenere 1 kg di alluminio da 2 kg di allumina. L'alluminio così prodotto (detto di "prima fusione") ha un titolo già elevato (99,4-99,9%), contenendo quali principali impurezze ferro e silicio, e, in minori quantità, titanio, rame, zinco e altri elementi.
Per talune applicazioni particolari è necessaria un'ulteriore raffinazione per via elettrolitica, operando con il cosiddetto processo "a tre strati" dal quale si possono ottenere tre varietà commerciali di alluminio raffinato a titoli rispettivamente di 99,99% (denominazione commerciale Raffinal), 99,999% e 99,9999%.
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