Alluminio

magnesio – alluminio – silicio
B Al Ga
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Generale Nome, Simbolo, N° Atomicoalluminio, Al, 13 Serie chimicametalli del blocco p Gruppo, Periodo, Blocco13 (IIIA), 3, p Densità, Durezza2700 kg/m³, 2,75 Colorebianco argenteo
Al,13.jpg Proprietà atomiche Peso atomico26,981538 amu Raggio atomico125 Raggio covalente118 pm Raggio di van der Waalsn.d. Configurazione elettronica Ne3s²3p¹ e^- per livello energetico2, 8, 3 Stato di ossidazione3 (amfoterico) Struttura cristallinaCubica Proprietà fisiche Stato di aggregazionesolido Punto di fusione933,47 K, 660,32 °C) Punto di ebollizione2792 K, (2518,85 °C) Volume molare m³/mol Calore di vaporizzazione293,4 kJ/mol Calore di fusione10,79 kJ/mol Pressione del vapore Pa Velocità del suono5100 m/s a 933 K Varie Elettronegatività1,61 Capacità calorica specifica900 J/(kg*K) Conducibilità elettrica/m·ohm Conducibilità termica237 W/(m*K) Prima energia di ionizzazione577,5 kJ/mol Energia di seconda ionizzazione1816,7 kJ/mol Energia di terza ionizzazione2744,8kJ/mol Energia di quarta ionizzazione11.577 kJ/mol Energia di quinta ionizzazione14.842 kJ/mol Energia di sesta ionizzazione18.379 kJ/mol Energia di settima ionizzazione23.326 kJ/mol Energia di ottava ionizzazione27.465 kJ/mol Nona energia di ionizzazione31.853 kJ/mol Decima energia di ionizzazione38.473 kJ/mol Isotopi stabili isoNATDDMDEDP ²⁶Alsint anniEpsilon4,004²⁶Mg ²⁷Al100%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

L'alluminio è l'elemento chimico della tavola periodica degli elementi, che ha come simbolo Al e come numero atomico il 13. 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 durezza, 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.

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 in praticamente 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 le lenti 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

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 dei 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.

Disponibilità

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:

2O^2- → 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.

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

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.

Collegamenti esterni

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