L’elemento alluminio — Atomo di alluminio

L’alluminio (o aluminium in inglese nordamericano) è un elemento chimico della tavola periodica che ha il simbolo Al e il numero atomico 13. Membro argenteo e duttile del gruppo dei metalli poveri, l’alluminio si trova principalmente sotto forma di bauxite ed è notevole per la sua resistenza all’ossidazione (l’alluminio è in realtà quasi sempre già ossidato, ma è utilizzabile in questa forma a differenza della maggior parte dei metalli), la sua forza e il suo peso leggero. L’alluminio è usato in molte industrie per fare milioni di prodotti diversi ed è molto importante per l’economia mondiale. I componenti strutturali in alluminio sono vitali per l’industria aerospaziale e molto importanti in altri settori del trasporto e dell’edilizia in cui sono necessari leggerezza, durata e forza.

magnesio – alluminio – silicio B Al Ga
generale
Nome, simbolo, Numero	alluminio, Al, 13
Serie chimica	metalli poveri
Gruppo, Periodo, Blocco	13 (IIIA), 3, p
Densità, Durezza	2700 kg/m3, 2.75
Apparenza	argento
Proprietà atomiche
Peso atomico	26.981538 amu
Raggio atomico (calc.)	125 pm (118 pm)
Raggio covalente	118 pm
Raggio Van der Waals	nessun dato
Configurazione degli elettroni	3s2 3p1
e per livello energetico	2, 8, 3
Stati di ossidazione (ossido)	3 (anfotero)
Struttura cristallina	cubica a faccia centrata
Proprietà fisiche
Stato della materia	solido
Punto di fusione	933.47 K (1220.58 °F)
Punto di ebollizione	792 K (4566 °F)
Volume molecolare	10,00 ×10-6 m3/mol
Calore di vaporizzazione	293.4 kJ/mol
Calore di fusione	10,79 kJ/mol
Pressione di vapore	2.42 E-06 Pa a __ K
Velocità del suono	5100 m/s a 933 K
Varie
Elettronegatività	1.61 (scala Pauling)
Capacità termica specifica	900 J/(kg*K)
Conducibilità elettrica	37.7 106/m ohm
Conducibilità termica	237 W/(m*K)
1° potenziale di ionizzazione	577.5 kJ/mol
2° potenziale di ionizzazione	1816,7 kJ/mol
3° potenziale di ionizzazione	2744.8 kJ/mol
4° potenziale di ionizzazione	11577 kJ/mol
5° potenziale di ionizzazione	14842 kJ/mol
6° potenziale di ionizzazione	18379 kJ/mol
7° potenziale di ionizzazione	23326 kJ/mol
8° potenziale di ionizzazione	27465 kJ/mol
9° potenziale di ionizzazione	31853 kJ/mol
10° potenziale di ionizzazione	38473 kJ/mol
Sono usate unità & STP tranne dove indicato.

Caratteristiche notevoli

L’alluminio è un metallo morbido e leggero ma forte con un aspetto grigio argento opaco, dovuto ad un sottile strato di ossidazione che si forma rapidamente quando è esposto all’aria e che impedisce un’ulteriore corrosione. L’alluminio pesa circa un terzo dell’acciaio o del rame; è malleabile, duttile e facilmente lavorabile e fuso; ha un’eccellente resistenza alla corrosione e durabilità. È anche amagnetico e non scintillante ed è il secondo metallo più malleabile e il sesto più duttile.

2 Applicazioni

Misurato in termini di quantità o valore, l’uso dell’alluminio supera quello di qualsiasi altro metallo eccetto il ferro, ed è importante praticamente in tutti i segmenti dell’economia mondiale. L’alluminio puro è morbido e debole, ma può formare leghe con piccole quantità di rame, magnesio, manganese, silicio e altri elementi per fare leghe con una varietà di proprietà utili.

Queste leghe sono componenti vitali di aerei e razzi. Quando l’alluminio viene evaporato nel vuoto, forma un rivestimento che riflette sia la luce visibile che il calore radiante. Questi rivestimenti formano un sottile strato di ossido di alluminio protettivo che non si deteriora come i rivestimenti di argento. Il rivestimento degli specchi dei telescopi è un altro uso di questo metallo.

Alcuni dei molti usi dell’alluminio sono in

Il suo ossido, l’allumina, si trova in natura come corindone, smeriglio, rubino e zaffiro ed è usato nella fabbricazione del vetro. Il rubino e lo zaffiro sintetici sono usati nei laser per la produzione di luce coerente. L’alluminio si ossida molto energicamente e di conseguenza ha trovato impiego nei combustibili solidi per razzi e nella termite.

3 Storia

Il più antico riferimento sospetto (anche se non dimostrabile) all’alluminio si trova nella Naturalis Historia di Plinio il Vecchio:

Un giorno a un orafo di Roma fu permesso di mostrare all’imperatore Tiberio un piatto di un nuovo metallo. Il piatto era molto leggero, e quasi brillante come l’argento. L’orafo disse all’imperatore che aveva fatto il metallo da semplice argilla. Assicurò inoltre all’imperatore che solo lui, lui stesso, e gli dei sapevano come produrre questo metallo dall’argilla. L’imperatore si interessò molto, e come esperto di finanza era anche un po’ preoccupato. L’imperatore sentì subito, tuttavia, che tutti i suoi tesori d’oro e d’argento sarebbero diminuiti di valore se la gente avesse iniziato a produrre questo metallo brillante d’argilla. Perciò, invece di dare all’orafo la considerazione che si aspettava, ordinò che fosse decapitato.

Greci e Romani antichi usavano sali di questo metallo come mordenti per tingere e come astringenti per fasciare le ferite, e l’allume è ancora usato come antisettico. Nel 1761 Guyton de Morveau propose di chiamare l’allume base allumina. Nel 1808, Humphry Davy identificò l’esistenza di una base metallica di allume, a cui diede il nome (vedi Ortografia sotto per maggiori informazioni sul nome).

Friedrich Wöhler è generalmente accreditato con l’isolamento dell’alluminio (latino alumen, allume) nel 1827. Tuttavia, questo metallo fu prodotto per la prima volta in forma impura due anni prima dal fisico e chimico danese Hans Christian Ørsted.

Charles Martin Hall ricevette il brevetto (400655) nel 1886, sul processo elettrolitico per estrarre l’alluminio. Henri Sainte-Claire Deville (Francia) migliorò il metodo di Wohler (1846) e lo presentò in un libro nel 1859 con due miglioramenti al processo: sostituire il potassio al sodio e il doppio invece del semplice cloro. L’invenzione del processo di Hall-Héroult nel 1886 rese l’estrazione dell’alluminio dai minerali poco costosa, e così è ora di uso comune in tutto il mondo.

4 Occorrenza e risorse

Anche se Al è un elemento abbondante nella crosta terrestre (8,1%), è molto raro nella sua forma libera e una volta era considerato un metallo prezioso più prezioso dell’oro (si dice che Napoleone avesse un set di piatti di alluminio riservato ai suoi migliori ospiti. Gli altri dovevano accontentarsi di quelli d’oro). È quindi relativamente nuovo come metallo industriale e viene prodotto in quantità commerciali da poco più di 100 anni.

L’alluminio era, quando fu scoperto, estremamente difficile da separare dalle rocce di cui faceva parte. Poiché tutto l’alluminio della Terra era legato sotto forma di composti, era il metallo più difficile da ottenere, nonostante sia uno dei più comuni del pianeta.

Il recupero di questo metallo dai rottami (attraverso il riciclaggio) è diventato una componente importante dell’industria dell’alluminio. Il riciclaggio consiste semplicemente nel fondere il metallo, il che è molto meno costoso che crearlo dal minerale. Inoltre, la creazione dell’alluminio richiede enormi quantità di elettricità. Riciclarlo richiede il 95% in meno. Pratica comune dall’inizio del 1900, il riciclaggio dell’alluminio non è nuovo. Tuttavia, è stata un’attività di basso profilo fino alla fine degli anni ’60, quando il riciclaggio delle lattine di alluminio per bevande ha finalmente messo il riciclaggio nella coscienza pubblica. Le fonti di alluminio riciclato includono automobili, finestre e porte, elettrodomestici, contenitori e altri prodotti.

L’alluminio è un metallo reattivo e non può essere estratto dal suo minerale, la bauxite (Al2O3), tramite riduzione con carbonio. Invece viene estratto per elettrolisi – il metallo viene ossidato in soluzione e poi ridotto di nuovo al metallo puro. Il minerale deve essere in uno stato liquido perché questo avvenga. Tuttavia, la bauxite ha un punto di fusione di 2000°C, che è una temperatura troppo alta da raggiungere economicamente. Invece, la bauxite per molti anni è stata dissolta nella criolite fusa, che abbassa il punto di fusione a circa 900°C. Ma ora la criolite è stata sostituita da una miscela artificiale di fluoruri di alluminio, sodio e calcio. Questo processo richiede ancora una grande quantità di energia, e gli impianti di alluminio di solito hanno le loro centrali elettriche nelle vicinanze.

Gli elettrodi usati nell’elettrolisi della bauxite sono entrambi di carbonio. Una volta che il minerale è allo stato fuso, i suoi ioni sono liberi di muoversi. La reazione al catodo negativo è

Al3+ + 3e- ! Al

Qui lo ione alluminio viene ridotto (vengono aggiunti elettroni). Il metallo alluminio affonda poi sul fondo e viene spillato.

L’anodo positivo ossida l’ossigeno della bauxite, che poi reagisce con l’elettrodo di carbonio per formare anidride carbonica:

2O2- ! O2 + 2e- O2 + C ! CO2

Questo catodo deve essere sostituito spesso perché è una parte della reazione. Nonostante il costo dell’elettrolisi, l’alluminio è un metallo molto usato. L’alluminio può ora essere estratto dall’argilla, ma questo processo non è economico.

L’energia elettrica rappresenta circa un terzo del costo di raffinazione dell’alluminio. Per questa ragione, le raffinerie tendono ad essere situate dove l’energia elettrica è abbondante e poco costosa, come gli Stati Uniti nord-occidentali e il Quebec in Canada.

La Cina è attualmente (2004) il primo produttore mondiale di alluminio.

5 Isotopi

L’alluminio ha nove isotopi, i cui numeri di massa vanno da 23 a 30. Solo l’Al-27 (isotopo stabile) e l’Al-26 (isotopo radioattivo, t1/2 = 7,2 × 105 y) si presentano naturalmente. L’Al-26 è prodotto dall’argon nell’atmosfera per spallazione causata dai protoni dei raggi cosmici. Gli isotopi dell’alluminio hanno trovato applicazione pratica nella datazione di sedimenti marini, noduli di manganese, ghiaccio glaciale, quarzo in esposizioni rocciose e meteoriti. Il rapporto tra Al-26 e berillio-10 è stato utilizzato per studiare il ruolo del trasporto, della deposizione, dello stoccaggio dei sedimenti, dei tempi di sepoltura e dell’erosione su scale temporali da 105 a 106 anni.

L’Al-26 cosmogenico è stato applicato per la prima volta negli studi sulla Luna e sui meteoriti. I frammenti di meteoriti, dopo la partenza dai loro corpi madre, sono esposti ad un intenso bombardamento di raggi cosmici durante il loro viaggio nello spazio, causando una sostanziale produzione di Al-26. Dopo la caduta sulla Terra, la schermatura atmosferica protegge i frammenti di meteorite da un’ulteriore produzione di Al-26, e il suo decadimento può essere usato per determinare l’età terrestre del meteorite. La ricerca sui meteoriti ha anche dimostrato che l’Al-26 era relativamente abbondante al momento della formazione del nostro sistema planetario. È possibile che l’energia rilasciata dal decadimento dell’Al-26 sia stata responsabile della rifusione e differenziazione di alcuni asteroidi dopo la loro formazione 4.6 miliardi di anni fa

6 Precauzioni

L’alluminio è uno dei pochi elementi abbondanti che sembrano non avere alcuna funzione benefica nelle cellule viventi, ma alcuni per cento delle persone sono allergici ad esso – sperimentano dermatiti da contatto da qualsiasi forma di esso: un’eruzione cutanea pruriginosa per l’uso di prodotti stiptici o antitraspiranti, disturbi digestivi e incapacità di assorbire nutrienti per aver mangiato cibo cotto in pentole di alluminio, e vomito e altri sintomi di avvelenamento per aver ingerito prodotti come Kaopectate® (prodotto antidiarrea), Amphojel®, e Maalox® (antiacidi). In altre persone, l’alluminio non è considerato tossico come i metalli pesanti, ma ci sono prove di una certa tossicità se viene consumato in quantità eccessive, anche se l’uso di pentole in alluminio, popolare per la sua resistenza alla corrosione e buona conduzione del calore, non ha dimostrato di portare alla tossicità dell’alluminio in generale. Il consumo eccessivo di antiacidi contenenti composti di alluminio e l’uso eccessivo di antitraspiranti contenenti alluminio sono cause più probabili di tossicità. È stato suggerito che l’alluminio può essere collegato al morbo di Alzheimer, anche se questa ricerca è stata recentemente smentita.

7 Ortografia

L’ortografia ufficiale IUPAC dell’elemento è alluminio; tuttavia, gli americani e i canadesi generalmente lo scrivono e pronunciano alluminio. Nel 1808 Humphry Davy propose originariamente alumium per il nome di questo metallo allora sconosciuto, ma quattro anni dopo decise di cambiare il nome in alluminio. Questo cambiamento fu accettato in America, ma messo in discussione in Gran Bretagna perché non era conforme al precedente suffisso -ium stabilito da potassio, sodio, magnesio, calcio e stronzio (tutti scoperti da Davy). Così, l’ortografia aluminium divenne la più comune in Gran Bretagna. Gli Stati Uniti continuarono ad usare alluminio anche se il nome ufficiale usato sia negli Stati Uniti che in Gran Bretagna nel campo della chimica rimase alluminio. Nel 1926 l’American Chemical Society decise ufficialmente di usare alluminio nelle sue pubblicazioni.

Nel 1990 la IUPAC adottò alluminio come nome standard internazionale dell’elemento. Alluminio è anche il nome usato in francese, olandese, tedesco, danese, norvegese e svedese; l’italiano usa alluminio, il portoghese alumínio e lo spagnolo aluminio. (L’uso di queste parole in queste altre lingue è una delle ragioni per cui la IUPAC ha scelto aluminium piuttosto che alluminio). Nel 1993, IUPAC ha riconosciuto alluminio come una variante accettabile, ma preferisce ancora l’uso di alluminio.