iso:isotopo NA: abbondanza in natura TD:tempo di dimezzamento DM: modalità di decadimento DE: energia di decadimento in MeV DP: prodotto del decadimento
Si tratta di unmetalloduttile color bianco argenteo.[3] L'alluminio si estrae principalmente dai minerali dibauxite[3] ed è un metallo tenero e malleabile, molto leggero, ottimoconduttore di elettricità e calore e moltoriflettente.[4] 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.[3][5]
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.
L'allume era fondamentale nell'industria tessile come fissatore per colori, per le stampe su pergamena, per laconcia delle pelli, la produzione delvetro e, comeemostatico, per curare le ferite.
Nel1761Guyton de Morveau propose di chiamare l'alluminio base con il nome dialumine (l'allumina, Al2O3).[6]Il metallo fu identificato per la prima volta daHumphry Davy nell'allume KAl(SO4)2·12 H2O, senza però riuscire ad isolarlo; propose tuttavia il nomealumium, dalLatinoalumen, sale amaro (nonalum, che in latino è un tipo di aglio selvatico[7]), modificandolo poi inaluminium;[8] in italiano il termine è divenuto alluminio.
Il primo scienziato ad isolare il metallo in forma impura fuHans Christian Ørsted sfruttando la reazione tra l'amalgama dipotassio edAlCl3;Friedrich Wöhler è generalmente accreditato per aver isolato l'alluminio in forma massiva, nel1825, migliorando il metodo di Ørsted.
Henri Sainte-Claire Deville introdusse il metodo di riduzione diretta del metallo, per viaelettrolitica a partire da NaAlCl4 fuso, processo studiato in modo indipendente pure daBunsen.
L'invenzione delprocesso di Hall-Héroult nel1886, ovveroelettrolisi di allumina disciolta incriolite (Na3AlF6) rese economica l'estrazione dell'alluminio dai minerali,[9] ed è comunemente in uso in tutto il mondo.[10]
L'alluminio è uno degli elementi più diffusi sullacrosta terrestre (8,3% in peso), terzo dopoossigeno (45,5%) esilicio (25,7%) e paragonabile alferro (6,2%) e alcalcio (4,6%).
In natura si trova in minerali dove è sempre combinato con altri elementi (in particolare: zolfo, silicio e ossigeno).[9] Uno dei minerali più ricchi di alluminio è labauxite, una roccia dal colore rosso bruno o giallo, diffusa soprattutto negliStati Uniti, inRussia,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.[9]
L'alluminio è il terzo elemento perabbondanza sullacrosta terrestre (8,3% in peso) e il primo tra gli elementi metallici.[11] Come l'indio che lo segue nel gruppo 13 dopo ilgallio, l'alluminio è unelemento monoisotopico,[12] in quanto l'unico suoisotopo stabile è il27Al; inoltre, è anchemononuclidico, dato che sulla crosta terrestre è presente essenzialmente solo tale isotopo. Questa circostanza circostanza permette di conoscere la suamassa atomica con grandeaccuratezza: 26,98153841 (24) u.[13]
L'isotopo27Al è unnuclide dotato di spin nucleare (S = 5/2)[14] e come tale è attivo alla spettroscopia dirisonanza magnetica nucleare (27Al-RMN) e può essere usato per indagini sui suoi composti.[15]
Si conoscono 22 isotopi dell'alluminio, aventinumeri di massa compresi traA = 21 eA = 42.[14]
Il26Al (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;[18] l'emivita complessiva è di 716 641 anni; le energie rilasciate sono: Qε = 4 004 keV e Qβ+ = 2 982 keV.[19]
Il26Al è un nuclidecosmogenico e in natura è pertanto presente in tracce in quanto viene prodotto dall'argon nell'atmosfera terrestre perspallazione causata dall'impatto deiraggi cosmici.[20] Gli isotopi di alluminio hanno trovato un'applicazione pratica nella datazione dei sedimenti marini, deinoduli di manganese, dei ghiacci nei ghiacciai, delquarzo nelle rocce e nelle meteoriti. Il rapporto tra26Al eberillio-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.[21]
Questo isotopo venne usato per la prima volta negli studi sullaLuna e imeteoriti. 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 di26Al.[22] Dopo essere caduti sullaTerra, lo scudo dell'atmosfera protegge i frammenti dall'ulteriore produzione di26Al, e il suo decadimento può essere usato per determinare la durata della loro presenza sullaTerra. La ricerca sui meteoriti ha anche mostrato che26Al era relativamente abbondante all'epoca della formazione del nostro sistema planetario.[23] È possibile che l'energia rilasciata dal decadimento di26Al sia responsabile della rifusione e differenziazione di alcuniasteroidi dopo la loro formazione 4,6 miliardi di anni fa.
Di questo isotopo è noto unostato 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.[24]
Il28Al (spin 3), che viene appena dopo l'unico isotopo stabile, decadeβ− per dare silicio-28, stabile; l'emivita è di 2,241 minuti e l'energia rilasciata è di 4 642 keV.[25]
Il29Al (spin 5/2) decadeβ− per dare silicio-29, stabile; l'emivita è di 6,567 minuti e l'energia rilasciata è di 3 680 keV.[26]
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 delrame.
Altre proprietà salienti dell'alluminio sono:
eccellente resistenza allacorrosione e durata; il suo aspetto grigio argento è dovuto ad un sottile strato di ossidazione (detto "film dipassivazione") che si forma rapidamente quando è esposto all'aria e che previene la corrosione[9] bloccando il passaggio dell'ossigeno verso l'alluminio sottostante;
alta conducibilità termica ed elettrica (circa due terzi di quella del rame);
saldabilità: moltissime leghe di alluminio sono saldabili con normalitecniche MIG,TIG e saldo brasatura, altre, in particolare quelle contenentirame, 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 diallumina.
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) ocorindone (i cristalli trasparenti della migliore qualità sono più conosciuti comezaffiri erubini), è la sostanza naturale più dura dopo ildiamante, con durezza relativa 9 nellascala di Mohs.
Pochi elementi in natura si prestano a formare un numero così elevato dileghe 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)[27]
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, tuttaviarame (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 dititanio,zirconio,cromo,bismuto,piombo,cadmio,scandio,litio,berillio ed anchestagno eferro, quest'ultimo peraltro sempre presente come impurezza. Quando glielementi 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'elevataresistenza 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.
I maggiori paesi produttori di alluminio.fornire fonte e esatto riferimento storico (anno)[non chiaro]Produzione mondiale di alluminio.
La produzione industriale dell'alluminio risale a poco più di 150 anni fa, nonostante sia uno dei metalli piùabbondanti sullacrosta 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 unmetallo prezioso, con un valore superiore a quello dell'oro.
Il principale minerale d'alluminio è labauxite: un ossido-idrossido misto di alluminio, dalla composizione molto variabile a seconda dei giacimenti. Può pertanto contenereAl2O3 40-60%,H2O 12-30%,SiO2 1-15%,Fe2O3 7÷30%, e altri composti qualiossidi di titanio,vanadio,fosforo, ofluoruri.
L'alluminio non può essere prodotto dalla bauxite tramite riduzione concarbonio, come avviene per il ferro. Viene invece prodotto con un procedimento in due stadi successivi, che sono:
Nonostante l'elevato costo dell'elettrolisi, l'alluminio è comunque un metallo sufficientemente economico ed è quindi ampiamente utilizzato. L'alluminio può essere estratto anche dall'argilla, ma il processo diventa più costoso e il suo costo dipende molto anche dal luogo di estrazione.
IlCanada, anche se non è uno dei maggiori produttori di bauxite, rientra tra i primi produttori di alluminio, dopoCina,India eRussia (dati 2019).[28] Infatti, grazie ai suoi potenti impianti idroelettrici, dispone di grandi quantità di energia elettrica a basso costo, quindi importa la bauxite ed esporta l'alluminio metallico.
L'allumina si ottiene trattando la bauxite conidrossido di sodio concentrato a caldo, che reagendo con l'alluminio produceidrossido di alluminio, che calcinato a1200°C si decompone in ossido di alluminio e acqua.
Oggi questa operazione rientra all'interno del ciclo di lavorazione dettoprocesso Bayer.
Per un periodo l'alluminio costò più dell'oro, ma i prezzi scesero fino a collassare quando nel1886 venne messo a punto, in Francia daPaul Héroult e in America daCharles Martin Hall, il metodoelettrolitico di produzione dell'alluminio a partire daallumina (ossido di alluminio, Al2O3).[10]
Tra i principali rifiuti della produzione di alluminio c'è il cosiddettofango rosso, tossico per l'ambiente a causa della sua alcalinità (pH 10-13) e difficilmente smaltibile.[29][30][31]
Esistono tecniche di saldatura specifiche per l'alluminio, in particolare latecnica TIG (Tungsten Inert Gas), in modalità alternata; la saldatura avviene per mezzo di un arco elettrico scoccato tra il pezzo da saldare e unelettrodo intungsteno specifico per saldatura alluminio; l'arco è sotto protezione gassosa (si usa generalmenteargon, più raramenteelio) che evita la formazione di ossido (Allumina) dovuto alla naturale reazione alle alte temperature dell'alluminio con l'ossigeno. In pratica se l'allumino surriscaldato entrasse in contatto con l'ossigeno dell'aria, formerebbe immediatamente l'ossido che provocherebbe una saldatura poco resistente. Per evitare questo il gas inerte viene soffiato da una cannula vicino all'elettrodo durante la saldatura, in modo che in quel punto sia evitato il contatto tra l'alluminio fuso e l'ossigeno dell'aria.
Nonostante la protezione del gas inerte, si forma comunque uno strato di ossido che rende difficile la saldatura. Per rompere tale strato è necessario fare in modo che la corrente fluisca dal pezzo verso l'elettrodo (decappaggio), mentre per saldare è necessario che la corrente fluisca dall'elettrodo verso il pezzo (trasferimento di calore/penetrazione). Per questo si usa la corrente alternata (AC): durante la semionda negativa salda, mentre durante quella positiva rompe l'ossido; in questo modo si ha la possibilità di saldare direttamente "pezzo su pezzo".
Schema di funzionamento di una torcia persaldatura MIG.
Altro modo di saldare l'alluminio è l'utilizzo dimacchinari tipo MIG (Metal Inert Gas); in questo caso il filo di saldatura è in una bobina che scorrendo attraverso una guida all'interno della torcia di saldatura, spinto o trascinato da rulli, permette il riporto del materiale necessario per la fusione, sempre con arco elettrico in protezione gassosa (Ar). A differenza della saldatura TIG, l'arco elettrico è scoccato dal filo nel processo MIG e non da un elettrodo come nel TIG.
La saldatura dell'alluminio con macchinari MIG è molto più veloce, ma esteticamente meno apprezzabile rispetto alla saldatura TIG a causa degli spruzzi di materiale che si generano dall'arco elettrico scoccato che non parte da un elettrodo al tungsteno, ma direttamente dal filo di riporto generando schizzi di alluminio fuso che si fissano sulle zone vicine al punto di saldatura.
In alternativa è spesso usata la brasatura, che si fa con specifiche bacchette di riporto per brasatura (le più comuni sono leghe di alluminio emagnesio, alluminio e zinco, o alluminio esilicio) contenenti un'anima di flussante. Fondendo a temperature significativamente inferiori a quella di fusione dell'alluminio, permettono di ottenere ottimi risultati anche a livello hobbistico senza l'utilizzo di macchinari specifici.
Che venga misurato in termini di quantità o di valore, l'uso dell'alluminio oltrepassa quello di tutti gli altri metalli ad eccezione delferro, 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 dirame,magnesio,manganese,silicio e altri elementi, che hanno un'ampia gamma di proprietà utili.
Tali leghe vengono utilizzate anche in campo aeronautico e aerospaziale. Quando l'alluminio viene fatto evaporare nel vuoto forma un rivestimento che riflette sia laluce visibile che ilcalore radiante. Questi rivestimenti formano un sottile strato protettivo di ossido di alluminio che non si deteriora come fanno i rivestimenti diargento. L'alluminio viene usato anche come rivestimento per gli specchi deitelescopi.
Alcuni dei molti campi in cui viene usato l'alluminio sono:
Trasporti (in quasi ogni tipo di mezzo di trasporto)
Armi da fuoco e parti di esse. Fusti, carcasse, telai, componenti di scatto, mira, calciature, basi e anelli per sistemi di puntamento e mira, ecc. Utilizzato ove possibile per il peso ridotto e la resistenza agli agenti atmosferici, oggi è in parte soppiantato da materiali plastici e compositi.
Bossoli e proiettili per munizioni. Poco utilizzati e diffusi.
L'alluminio in polvere si ossida in maniera energica e per questo ha trovato uso nei propellenti solidi per i razzi (specie sotto forma dialluminio scuro detto anche alluminio pirotecnico).Per il medesimo motivo viene utilizzato nel processo di saldaturaalluminotermica, mescolato con ossido di ferro per formare latermite, secondo la seguentereazione esotermica:[33]
Ilcalore sprigionato da tale reazione è pari a830 kJ.[33]
Blocchi di lattine di alluminio compresso presso l'impianto di riciclaggio di Central European Waste Management.Codice di riciclaggio dell'alluminio.
Il recupero di questo metallo dai rifiuti (attraverso ilriciclaggio) è diventato una parte importante dell'industria dell'alluminio. Il riciclaggio dell'alluminio è una pratica comune fin dai primi delNovecento. Era comunque un'attività a basso profilo fino ai primianni sessanta 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: infatti produrre un chilo di alluminio pronto all'uso a partire da scarti costa meno di1 kWh, contro i 13-14 circa della produzione dal minerale.
L'alluminio puro è un materiale combustibile facilmente infiammabile con l'ossigeno, per questo andrebbe sempre evitato nella composizione di tubazioni o strumenti di misura quando si ha a che fare con ossigeno puro o in alta concentrazione:[36]
e molto reattivo inacqua, nei confronti di ossidanti forti, basi e acidi forti.
Reagisce inoltre con glialcoli e con glialogenuri alchilici formando composti metallo-organici.La maggior parte della letteratura è concorde nel considerare l'alluminio non pericoloso per la salute umana[37] in quanto esso viene scarsamente assimilato nel tratto gastrointestinale e viene espulso tramite la funzione renale. Si ritiene tuttavia che, in caso di contatto prolungato, le polveri di alluminio abbiano effetti negativi sui polmoni. Una bassa percentuale della popolazione è allergica all'alluminio, e sperimentadermatiti da contatto, problemi digestivi e l'incapacità di assorbire le sostanze nutritive se mangiano cibo cotto in pentole d'alluminio, vomito e altri sintomi diavvelenamento qualora vengano ingeriti farmaci contenentiantiacidi a base di idrossidi di alluminio e magnesio come ilMaalox® o alcuniprodotti contro la diarrea.
Le principali cause di assunzione di alluminio sono l'uso indiscriminato di farmaci antiacidi e antidiarroici a base di idrossido di alluminio, stoviglie e pentole di alluminio nudo (in particolare se vi si lasciano cibi acidi come il pomodoro dopo la cottura), caffettiere in alluminio, cibi e bevande contenuti in barattoli,lattine ofogli, che possono essere lentamente corrosi favorendo la dissoluzione di alluminio negli alimenti, l'uso di deodoranti con cloridrato di alluminio e di quelli "naturali" come l'allume di rocca (esistono dubbi sulla possibilità di assorbimento cutaneo, in base allo spessore della molecola e alla presenza di microlesioni della cute, ovvero l'assenza di sostanze additive in grado dichelare l'alluminio prevenendone l'assorbimento). Il solfato e il fosfato di alluminio sono un comune componente del lievito per uso alimentare al fine di ritardare la lievitazione (quindi assente nel lievito chimico in polvere ad azione rapida).
^(EN) Mining, Society for, Metallurgy, e , Exploration U.S,Bauxite, inIndustrial minerals & rocks: commodities, markets, and uses, 5 marzo 2006, pp. 258–259,ISBN978-0-87335-233-8.
^Anche se la suaconduttività elettrica è solo il 60% di quella delrame viene impiegato sulle linee aeree per il suo peso ridotto e per quelle in cavo a causa dell'elevato costo del rame.
^In caso di incendio estinguere con sabbia asciutta o estintori a schiuma.
^scheda dell'alluminio in polvere suIFA-GESTIS, sugestis-en.itrust.de.URL consultato il 4 giugno 2021(archiviato dall'url originale il 16 ottobre 2019).; l'alluminio in pezzi è considerato non pericoloso.
