Se mai ci fosse stato un elemento che avrebbe potuto essere votato come "meno probabile che abbia successo, " sarebbe alluminio. Sebbene gli antichi ceramisti persiani aggiungessero alluminio alla loro argilla per rafforzare le loro ceramiche, l'alluminio puro non fu scoperto fino al 1825. A quel punto, gli umani usavano diversi metalli e leghe metalliche (o miscele di metalli come il bronzo) per migliaia di anni.
Anche dopo la sua scoperta, l'alluminio sembrava destinato all'oscurità. I chimici potevano isolare solo pochi milligrammi alla volta, ed era così raro che sedeva accanto all'oro e all'argento come metallo semiprezioso. Infatti, nel 1884, la produzione totale di alluminio negli Stati Uniti era di appena 125 libbre (57 chilogrammi) [fonte:Alcoa].
Avanti il prossimo
poi, nel 1886, L'americano Charles Martin Hall e il francese Paul L.T. Heroult, lavorare in autonomia, ideato un metodo per estrarre l'alluminio dall'ossido di alluminio. Il processo, un tipo di riduzione elettrolitica , richiedeva un'enorme quantità di energia elettrica, ma ha prodotto il metallo bianco-argenteo in grandi quantità. Nel 1891, la produzione di alluminio ha raggiunto ben oltre 300 tonnellate (272 tonnellate) [fonte:Alcoa]. E si stava facendo strada in una vasta gamma di prodotti, da pentole e padelle a lampadine e linee elettriche ad auto e moto.
Oggi, più di un secolo dopo, l'alluminio è il simbolo stesso dell'ubiquità. Ogni anno, gli Stati Uniti producono più di 5,6 milioni di tonnellate (5,1 milioni di tonnellate) [fonte:International Aluminium Institute]. Gran parte di quell'alluminio va nelle lattine di birra e bibite -- per la somma di 300 milioni di lattine di alluminio al giorno, 100 miliardi all'anno [fonte:Can Manufacturers Institute]. Non male per un elemento rimasto inesplorato per così tanto tempo.
In questo articolo, daremo un'occhiata più da vicino all'alluminio:le sue proprietà, occorrenza e comportamento. Esamineremo anche il ciclo di vita dell'alluminio, dalla sua produzione utilizzando il processo Hall-Heroult alla sua reincarnazione dopo il riciclaggio. E, finalmente, esploreremo tutti gli usi dell'alluminio, compresi alcuni usi futuri che potrebbero sorprenderti.
Partiamo dalle basi:l'alluminio dal punto di vista del chimico.Contenuti
Come dozzine di altri elementi della tavola periodica, l'alluminio è presente in natura. Come tutti gli elementi, l'alluminio è una sostanza chimica pura che non può essere scomposta in qualcosa di più semplice. Tutti gli elementi sono disposti nella tavola periodica in base alla loro numero atomico -- il numero di protoni nel loro nucleo. Il numero fortunato dell'alluminio è 13, quindi un atomo di alluminio ha 13 protoni. Ha anche 13 elettroni.
Gli elementi situati sopra e sotto l'alluminio sulla tavola periodica formano a famiglia, o gruppo , che condivide proprietà simili. L'alluminio appartiene al gruppo 13, che include anche il boro (B), gallio (Ga), indio (In) e tallio (Tl). La tabella a destra mostra come questi elementi sarebbero disposti sulla tavola periodica. Notare che ogni elemento è rappresentato da un simbolo e che il simbolo dell'alluminio è Al . Il numero sopra ogni simbolo è l'elemento peso atomico , misurato in unità di massa atomica ( amu ). Il peso atomico è la massa media di un elemento determinata considerando il contributo di ciascun isotopo naturale. Il peso atomico dell'alluminio è 26,98 amu. Il numero sotto il simbolo dell'alluminio è il suo numero atomico.
Gruppo 13
La famiglia Boro
10.81
B
5
26.98
Al
13
69.72
Ga
31
114.82
In
49
204.38
Tl
8
I chimici classificano gli elementi del gruppo 13 come metalli, tranne il boro, che non è un metallo a tutti gli effetti. Metalli sono generalmente elementi lucidi che conducono bene il calore e l'elettricità. Sono anche malleabile -- in grado di essere martellato in varie forme -- e duttile - in grado di essere trascinato in fili. Queste caratteristiche si applicano sicuramente all'alluminio. Infatti, l'alluminio è spesso usato nelle pentole perché conduce il calore in modo così efficiente. E solo il rame conduce meglio l'elettricità, che rende l'alluminio un materiale ideale per materiale elettrico, comprese le lampadine, linee elettriche e telefoniche. Altre importanti proprietà dell'alluminio sono elencate di seguito:
Queste ultime due proprietà rendono l'alluminio particolarmente utile. La sua resistenza alla corrosione è dovuta alle reazioni chimiche che avvengono tra il metallo e l'ossigeno. Quando l'alluminio reagisce con l'ossigeno, uno strato di ossido di alluminio si forma all'esterno del metallo. Questo sottile strato protegge l'alluminio sottostante dagli effetti corrosivi dell'ossigeno, acqua e altri prodotti chimici. Di conseguenza, l'alluminio è particolarmente prezioso per l'uso all'aperto. Inoltre non produce scintille quando viene colpito, il che significa che puoi usarlo vicino a materiali infiammabili o esplosivi.
L'alluminio esiste in natura in vari composti. Per sfruttare le sue proprietà, deve essere separato dagli altri elementi che si combinano con esso - un lungo, processo complesso che inizia con un materiale durissimo noto come bauxite .
Dopo aver subito questo processo, l'alluminio è molto morbido e leggero nella sua forma pura. A volte è desiderabile cambiare queste proprietà -- per rendere l'alluminio più forte e più duro, ad esempio. Per realizzare questo, i metallurgisti combineranno l'alluminio con altri elementi metallici, formando quelli che sono conosciuti come leghe . L'alluminio è comunemente legato con il rame, magnesio e manganese. Il rame e il magnesio aumentano la resistenza dell'alluminio, mentre il manganese migliora la resistenza alla corrosione dell'alluminio.
L'alluminio non si trova in natura come elemento puro. Presenta una reattività chimica relativamente elevata, il che significa che tende a legarsi con altri elementi per formare composti. Più di 270 minerali nelle rocce e nei terreni della Terra contengono composti di alluminio. Questo rende l'alluminio il metallo più abbondante e il terzo elemento più abbondante nella crosta terrestre. Solo il silicio e l'ossigeno sono più comuni dell'alluminio. Il metallo più comune dopo l'alluminio è il ferro, seguito da magnesio, titanio e manganese.
La fonte primaria di alluminio è un minerale noto come bauxite . Un minerale è qualsiasi materiale solido naturale da cui è possibile ottenere un metallo o un minerale prezioso. In questo caso, il materiale solido è una miscela di ossido di alluminio idrato e ossido di ferro idrato. Idratato si riferisce alle molecole d'acqua che sono legate chimicamente ai due composti. La formula chimica dell'ossido di alluminio è Al 2 oh 3 . La formula per l'ossido di ferro è Fe 2 oh 3 .
I depositi di bauxite si presentano come strati piatti che giacciono vicino alla superficie terrestre e possono coprire molte miglia. I geologi individuano questi depositi da prospezione -- Prelievo di carotaggi o perforazione in terreni sospettati di contenere il minerale. Analizzando i nuclei, gli scienziati sono in grado di determinare la quantità e la qualità della bauxite.
Dopo che il minerale è stato scoperto, le miniere a cielo aperto in genere forniscono la bauxite che alla fine diventerà alluminio. I primi bulldozer sgombrano il terreno sopra un deposito. Quindi i lavoratori allentano il terreno con esplosivi, che portano il minerale in superficie. Pale giganti poi raccolgono il terreno ricco di bauxite e lo scaricano in camion, che trasportano il minerale a un impianto di lavorazione. La Francia è stato il primo sito di estrazione di bauxite su larga scala. Negli Stati Uniti, L'Arkansas era un importante fornitore di bauxite prima, durante e dopo la seconda guerra mondiale. Ma oggi, il materiale è prevalentemente estratto in Australia, Africa, Sud America e Caraibi.
Il primo passo nella produzione commerciale di alluminio è la separazione dell'ossido di alluminio dall'ossido di ferro nella bauxite. Ciò si ottiene utilizzando una tecnica sviluppata da Karl Joseph Bayer, un chimico austriaco, nel 1888. Nel processo Bayer , la bauxite viene mischiata con la soda caustica, o idrossido di sodio, e riscaldato sotto pressione. L'idrossido di sodio dissolve l'ossido di alluminio, formazione di alluminato di sodio. L'ossido di ferro rimane solido e viene separato per filtrazione. Finalmente, l'idrossido di alluminio introdotto nell'alluminato di sodio liquido fa sì che l'ossido di alluminio precipitato , o uscire dalla soluzione come un solido. Questi cristalli vengono lavati e riscaldati per eliminare l'acqua. Il risultato è puro ossido di alluminio, una polvere bianca fine conosciuta anche come allumina .
L'allumina è un materiale utile a sé stante. La sua durezza lo rende utile come abrasivo e come componente negli utensili da taglio. Può essere utilizzato anche per purificare l'acqua e per realizzare ceramiche e altri materiali da costruzione. Ma il suo uso principale è quello di fungere da punto di partenza per estrarre alluminio puro. Nella sezione successiva, vedremo i passaggi necessari per trasformare l'allumina in alluminio.
Trasformare l'allumina - ossido di alluminio - in alluminio ha rappresentato una pietra miliare nella rivoluzione industriale. Fino all'evoluzione delle moderne tecniche di fusione, si potevano ottenere solo piccole quantità di alluminio. La maggior parte dei primi processi si basava sulla sostituzione dell'alluminio con metalli più reattivi, ma il metallo è rimasto costoso e relativamente sfuggente. Tutto cambiò nel 1886, l'anno in cui due aspiranti chimici e industriali svilupparono un processo di fusione basato sull'elettrolisi.
Elettrolisi letteralmente significa "decomposizione per elettricità, " e può essere utilizzato per decomporre una sostanza chimica in componenti chimici. La configurazione tradizionale per l'elettrolisi richiede che due elettrodi metallici vengano immersi in un campione liquido o fuso di un materiale contenente ioni positivi e negativi. Quando gli elettrodi sono collegati a una batteria, un elettrodo diventa un terminale positivo, o anodo . L'altro elettrodo diventa un terminale negativo, o catodo . Poiché gli elettrodi sono caricati elettricamente, attraggono o respingono le particelle cariche disciolte nella soluzione. L'anodo positivo attrae ioni carichi negativamente, mentre il catodo negativo attrae ioni carichi positivamente.
Sir Humphry Davy, il chimico britannico accreditato di aver dato il nome all'alluminio, tentò senza successo di produrre alluminio mediante elettrolisi all'inizio del 1800. Anche il maestro di scuola francese e chimico dilettante Henri Saint-Claire Deville si è presentato a mani vuote. Quindi, nel febbraio 1886, dopo diversi anni di sperimentazione, L'americano Charles Martin Hall ha trovato la formula giusta:far passare una corrente continua attraverso una soluzione di allumina disciolta in fuso criolite , o fluoruro di alluminio di sodio (Na 3 AlF 6 ). Fino al 1987, la criolite è stata estratta da depositi trovati sulla costa occidentale della Groenlandia. Oggi, i chimici sintetizzano il composto dalla fluorite minerale, che è molto più comune.
Le fasi della fusione dell'alluminio sono descritte di seguito:
2Al 2 oh 3 + 3C -> 4Al + 3CO 2
Il processo di fusione dell'alluminio sviluppato da Hall ha prodotto grandi quantità di alluminio puro. Ad un tratto, il metallo non era più raro. L'idea di produrre alluminio tramite la riduzione elettrolitica della criolite non era rara, o. Un francese di nome Paul L.T. Heroult ha avuto la stessa idea solo pochi mesi dopo. Sala, però, ha ricevuto un brevetto per il processo nel 1889, un anno dopo aver fondato la Pittsburgh Reduction Company, che sarebbe poi diventata la Aluminium Company of America, o Alcoa. Nel 1891, la produzione di alluminio ha raggiunto ben oltre 300 tonnellate (272 tonnellate) [fonte:Alcoa].
Nella pagina successiva, vedremo cosa succede all'alluminio dopo che è uscito dalle celle elettrolitiche.
I tini utilizzati nel processo Hall-Heroult sono noti come pentole . Una pentola grande può produrre più di 2 tonnellate di alluminio al giorno. Ma le aziende possono moltiplicare tale output collegando insieme diversi vasi in potline . Una fonderia può contenere una o più potline, ciascuno con 200 a 300 pentole. Dentro questi vasi, la produzione di alluminio continua giorno e notte per assicurarsi che il metallo rimanga nella sua forma liquida.
Una volta al giorno, gli operai sifonano l'alluminio dalle potline. Gran parte del metallo è messo da parte per diventare fabbricazione di lingotti . Per fare un lingotto di fabbricazione, l'alluminio fuso passa a grandi forni dove può essere miscelato con altri metalli per formare leghe. Da li, il metallo subisce un processo di pulitura noto come fondente . Il flussaggio utilizza gas come azoto o argon per separare le impurità e portarle in superficie in modo che possano essere scremate. L'alluminio purificato viene quindi versato negli stampi e raffreddato rapidamente spruzzando acqua fredda sul metallo.
Parte dell'alluminio travasato dalle potline non è legato o pulito. Anziché, si versa direttamente negli stampini, dove si raffredda lentamente e si indurisce a formarsi fonderia (o rifondere ) lingotti . Gli impianti di alluminio primario vendono lingotti rifusi alle fonderie. Le fonderie riportano l'alluminio allo stato liquido e procedono alla legatura e fonderia stesse. Quindi trasformano l'alluminio in varie parti:per elettrodomestici, automobili e altre applicazioni, utilizzando le seguenti tecniche di fabbricazione.
L'alluminio è un metallo attraente e spesso non richiede alcuna finitura. Ma può essere lucidato, verniciato ed elettrolitico. Per esempio, i produttori di birra e soda utilizzano un processo di stampa per apporre le etichette sulle lattine di alluminio (vedi barra laterale). Le tipiche formulazioni di stampa sono spesso rivestimenti laccati che aderiscono bene all'alluminio e forniscono un aspetto estetico. Certo, tali finiture sono una preoccupazione quando si tratta di riciclaggio perché devono essere rimosse. Nella sezione successiva, esploreremo in dettaglio come viene riciclato l'alluminio.
Per la sua versatilità, l'alluminio si presta a numerose applicazioni. Infatti, è il secondo metallo più usato dopo l'acciaio, con una produzione primaria annua che ha raggiunto 24,8 milioni di tonnellate (22,5 milioni di tonnellate) nel 2007 [fonte:International Aluminium Institute]. Gran parte di questa produzione va ai 187 miliardi di lattine di alluminio prodotte in tutto il mondo [fonte:Novelis]. L'industria automobilistica è il mercato in più rapida crescita dell'alluminio. Realizzazione di parti di automobili in alluminio:di tutto, dai cerchi delle ruote alle teste dei cilindri, pistoni e radiatori:rende l'auto più leggera, riduzione del consumo di carburante e dei livelli di inquinamento. Secondo alcune stime, un'auto che incorpora 331 libbre (150 kg) di alluminio dovrebbe vedere il consumo di carburante ridotto di 0,43 galloni per 100 miglia [fonte:Autoparts Report].
Ecco alcuni altri usi importanti dell'alluminio.
Alluminio dai numeri
*Fonte:Alcoa
Sorprendentemente, la maggior parte dell'alluminio mai prodotto è ancora in uso oggi. Questo perché può essere riciclato più e più volte senza perdere la sua qualità. La maggior parte dell'alluminio che viene riciclato proviene da una delle tre fonti seguenti:lattine per bevande usate, parti di vecchie automobili e rottami raccolti durante la fabbricazione di prodotti in alluminio [fonte:World Book]. Il riciclaggio delle lattine di alluminio è uno dei grandi successi del moderno movimento per la sostenibilità (Se sei un grande riciclatore, assicurati di leggere Che cosa dovrei riciclare?). Il primo programma nazionale di riciclaggio delle lattine è iniziato nel 1968, e oggi, circa 66 miliardi di lattine vengono riciclate ogni anno solo negli Stati Uniti [fonte:Alcoa].
Il riciclaggio delle lattine di alluminio è un processo a ciclo chiuso , il che significa che il nuovo prodotto realizzato dopo il processo di riciclaggio è lo stesso di quello precedente. Ci sono sei passaggi per il riciclaggio delle lattine a ciclo chiuso:
Gran parte dell'innovazione nell'industria dell'alluminio è legata al miglioramento dell'efficienza della produzione e del riciclaggio. Ma, come vedremo nella prossima sezione, la domanda di alluminio crescerà solo quando emergeranno nuove ed entusiasmanti applicazioni.
La produzione primaria di alluminio richiede un'enorme quantità di energia. Produce anche gas serra che influiscono sul riscaldamento globale. Secondo l'International Aluminium Institute, la produzione di nuove scorte di alluminio rilascia l'1% delle emissioni globali di gas serra indotte dall'uomo. Una delle principali priorità del settore è ridurre queste emissioni attraverso misure di riduzione, aumento del riciclaggio e dell'uso dell'alluminio nei veicoli, aereo, moto d'acqua e treni. Infatti, l'utilizzo di componenti in alluminio leggero nei veicoli è uno dei progressi più significativi nella progettazione e produzione automobilistica. Ogni chilogrammo (2,2 libbre) di materiale più pesante che viene sostituito dall'alluminio comporta l'eliminazione di 22 chilogrammi (44 libbre) di anidride carbonica durante la vita del veicolo [fonte:International Aluminium Institute].
Un'altra applicazione promettente è l'uso dell'alluminio nelle auto alimentate a celle a combustibile. I ricercatori della Purdue University hanno scoperto di recente che l'alluminio potrebbe essere utilizzato per produrre combustibile a idrogeno in modo efficiente. Il processo inizia con pellet di alluminio, che sono mescolati in gallio liquido per produrre alluminio-gallio liquido. Quando si aggiunge acqua, l'alluminio reagisce con l'ossigeno per formare un gel. gas idrogeno, che può essere raccolto e utilizzato per alimentare una cella a combustibile, viene anche prodotto.
Innovazioni come queste aumenteranno la domanda di alluminio. E anche se il metallo è relativamente giovane, è uno dei più importanti nella storia della civiltà umana. Quando gli archeologi e gli antropologi di domani riflettono sulla società del XIX secolo, XX e XXI secolo, potrebbero molto probabilmente etichettarlo come l'età dell'alluminio, ponendolo accanto alla Pietra, Età del bronzo e del ferro come uno dei periodi più significativi dello sviluppo culturale umano.
Articoli correlati a HowStuffWorks
Altri ottimi link
Fonti
