Lalluminio è l'elemento chimico della tavola periodica degli elementi che ha come simbolo Al e come numero atomico 13. È il secondo elemento del gruppo 13 ed è collocato tra il boro e il gallio; si trova nel terzo periodo e fa parte del blocco p. È l'ultimo elemento metallico del terzo periodo, dopo sodio e magnesio.
Si tratta di un metallo duttile color bianco argenteo.. L'alluminio si estrae principalmente dai minerali di bauxite ed è un metallo tenero e malleabile, molto leggero, ottimo conduttore di elettricità e calore e molto riflettente. È notevole la sua resistenza all'ossidazione, dovuta alla formazione sulla sua superficie di un sottilissimo strato duro e compatto di ossido (Al2O3) che impedisce all'ossigeno dell'aria di penetrare e corrodere il metallo sottostante.
L'alluminio grezzo viene lavorato tramite diversi processi di produzione industriale, quali ad esempio la fusione, l'estrusione, 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.
Storia
Gli antichi greci e romani usavano l'allume (che era prodotto dalla lavorazione dell'alunite, un solfato d'alluminio che si trova in natura), per costruire statue, armi e armature.
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 con il nome di alumine (l'allumina, Al2O3). Il metallo fu identificato per la prima volta da Humphry Davy nell'allume KAl(SO4)2·12 H2O, senza però riuscire ad isolarlo; propose tuttavia il nome alumium, dal Latino alumen, sale amaro (non alum, che in latino è un tipo di aglio selvatico), modificandolo poi in aluminium; in italiano il termine è divenuto alluminio.
Il primo scienziato ad isolare il metallo in forma impura fu Hans Christian 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 1825, 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 (Na3AlF6) rese economica l'estrazione dell'alluminio dai minerali, ed è comunemente in uso in tutto il mondo..
Abbondanza e disponibilità L'alluminio è uno degli elementi più diffusi sulla crosta terrestre (8,3% in peso), terzo dopo ossigeno (45,5%) e silicio (25,7%) e paragonabile al ferro (6,2%) e al calcio (4,6%).
In natura si trova in minerali dove è sempre combinato con altri elementi (in particolare: zolfo, silicio e ossigeno). Uno dei minerali più ricchi di alluminio è la bauxite, una roccia dal colore rosso bruno o giallo, diffusa soprattutto negli Stati Uniti d'America, in Russia, Guyana, Ungheria, nei territori dell'ex Jugoslavia. La bauxite contiene circa il 45-60% di alluminio ed è il minerale maggiormente estratto per la produzione di alluminio.
Isotopi L'alluminio è il terzo elemento per abbondanza sulla crosta terrestre (8,3% in peso) e il primo tra gli elementi metallici. Come l'indio che lo segue nel gruppo 13 dopo il gallio, l'alluminio è un elemento monoisotopico, in quanto l'unico suo isotopo stabile è il 27Al; inoltre, è anche mononuclidico, dato che sulla crosta terrestre è presente essenzialmente solo tale isotopo. Questa circostanza permette di conoscere la sua massa atomica con grande accuratezza: 26,98153841 (24) u.
L'isotopo 27Al è un nuclide dotato di spin nucleare (S = 5/2) e come tale è attivo alla spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (27Al-RMN) e può essere usato per indagini sui suoi composti.
Si conoscono 22 isotopi dell'alluminio, aventi numeri di massa compresi tra A = 21 e A = 42.
Isotopi radioattivi Il 25Al (spin 5/2) per il 99,9% dei casi decade per emissione di positrone (decadimento β+) e, nello 0,083%, per cattura elettronica (ε), per dare in ogni caso magnesio-25, stabile; l'emivita complessiva è di soli 7,183 secondi; le energie rilasciate sono: Qε = 4 276 keV e Qβ+ = 3 254 keV.
Il 26Al (spin 5) per il 99,9% dei casi decade per emissione di positrone (β+) e, nello 0,08% per cattura elettronica (ε), per dare in ogni caso magnesio-26, stabile; l'emivita complessiva è di 716 641 anni; le energie rilasciate sono: Qε = 4 004 keV e Qβ+ = 2 982 keV.
Il 26Al è un nuclide cosmogenico e in natura è pertanto presente in tracce in quanto viene prodotto dall'argon nell'atmosfera terrestre per spallazione causata dall'impatto 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 nelle meteoriti. Il rapporto tra 26Al e berillio-10 (10Be) è stato usato per studiare il ruolo di trasporto, deposizione, sedimentazione ed erosione sulla scala temporale che va da 105 a 106 anni.
Questo isotopo 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.
Di questo isotopo è noto uno stato metastabile, eccitato di 228 keV rispetto al livello fondamentale (26mAl, spin 0, isomero nucleare) che decade nelle stesse modalità a magnesio-26, ma che invece ha un'emivita brevissima, 6,345 secondi.
Il 28Al (spin 3), che viene appena dopo l'unico isotopo stabile, decade β− per dare silicio-28, stabile; l'emivita è di 2,241 minuti e l'energia rilasciata è di 4 642 keV.
Il 29Al (spin 5/2) decade β− per dare silicio-29, stabile; l'emivita è di 6,567 minuti e l'energia rilasciata è di 3 680 keV.
Caratteristiche
L'alluminio è un metallo leggero ma resistente. La sua densità è di 2,71 g/cm³, a cui corrisponde un peso specifico di circa un terzo dell'acciaio e del rame.
Altre proprietà salienti dell'alluminio sono: eccellente resistenza alla corrosione e durata; il suo aspetto grigio argento è dovuto ad un sottile strato di ossidazione (detto "film di passivazione") che si forma rapidamente quando è esposto all'aria e che previene la corrosione bloccando il passaggio dell'ossigeno verso l'alluminio sottostante; alta conducibilità termica ed elettrica (circa due terzi di quella del rame); paramagnetismo; eccellente malleabilità e duttilità, grazie alle quali può essere lavorato facilmente; è il secondo metallo per malleabilità e sesto per duttilità; elevata plasticità; basso potere radiante; non genera scintille per sfregamento; saldabilità: moltissime leghe di alluminio sono saldabili con normali tecniche MIG, TIG e saldo brasatura, altre, in particolare quelle contenenti rame, non sono saldabili. In ogni caso il processo di saldatura deve essere effettuato con l'uso di gas inerti o paste, che producono gas ionizzanti, per evitare la formazione di allumina. superficie dei particolari trattabile con ossidazione anodica o protettiva (passivazione chimica e aumento della durezza superficiale, che può superare in 50 HRC) o estetica (elettrocolorazione). l'alluminio è facilmente riciclabile la massa volumica è molto bassa (2,7 kg/dm³)
Quando si combina con altri elementi, le caratteristiche di questo metallo, che allo stato puro è tenero e duttile, cambiano radicalmente. Ad 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.
Leghe di alluminio Pochi elementi in natura si prestano a formare un numero così elevato di leghe come l'alluminio. Per migliorare le caratteristiche meccaniche si aggiungono all'alluminio determinati quantitativi di elementi alliganti.
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)"Bassa" se confrontata con le temperature di fusione degli altri metalli. Bassa densità, compresa tra 2,66 e 2,85 g/cm³ Elevatissima conducibilità elettrica e termica Contenuto di alluminio maggiore del 70%.
Gran parte degli elementi metallici sono solubili nell'alluminio, tuttavia rame (Cu), silicio (Si), magnesio (Mg), zinco (Zn), manganese (Mn), nichel (Ni) 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 titanio, zirconio, cromo, bismuto, piombo, cadmio, scandio, litio, berillio 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; nelle leghe ipereutettiche (Si>12%) conferisce alla lega un certo potere autolubrificante. Magnesio: aumenta la resistenza alla corrosione in ambiente alcalino e in mare; aumenta il grado di incrudimento e di conseguenza le caratteristiche meccaniche conferibili al materiale per deformazione a freddo. Manganese: aumenta la resistenza meccanica e alla corrosione anche se in maniera più contenuta del magnesio; è elemento fondamentale per ridurre la formazione di precipitati ferrosi aghiformi (noti come "punte di spillo"). Rame: accresce la resistenza meccanica, soprattutto a caldo, la resilienza e la resistenza a fatica; rende non saldabile la lega. Zinco: soprattutto se associato al magnesio, conferisce un'elevata resistenza meccanica, migliora la temprabilità delle leghe (con Zn>4% e Cu<1% si ottengono leghe autotempranti), ma riduce la resilienza e l'elasticità del materiale. Nichel: accresce la resistenza meccanica a caldo. Boro-Magnesio: si forma una lega ceramica altamente resistente all'usura e con un coefficiente di attrito estremamente basso.
Produzione
La produzione industriale dell'alluminio risale a poco più di 150 anni fa, nonostante sia uno dei metalli più abbondanti sulla crosta terrestre. Ciò è dovuto alla necessità di separarlo dai minerali in cui è contenuto, essendo molto raro in forma libera. Per tale motivo in passato era considerato un metallo prezioso, con un valore superiore a quello dell'oro.
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%, e altri composti quali ossidi di titanio, vanadio, fosforo, o fluoruri.