UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI
S.I.C.S.I.
Scuola Interuniversitaria Campana
di Specializzazione all’ Insegnamento
VII Ciclo
Chimica degli elementi nell’ambiente
Professore
S. Andini
Unità didattica sull’Alluminio
Ist. tecnico, classe 2a
Prerequisiti:
Conoscenze della chimica generale
• Tavola periodica
• Le reazioni chimiche
• Nomenclatura
• Acidi e basi
• Elettrolisi
Obiettivi:
• Conoscenza delle caratteristiche chimiche e fisiche
dell’alluminio e dei suoi composti
• Conoscenza delle applicazioni dell’alluminio come elemento e
come composto e del processo di estrazione dalla bauxite
• Stimolare la conoscenza dell’alluminio, l’importanza della
raccolta e del riciclaggio
L’alluminio nella tavola periodica
Al
Dati[Ne]3s²3p¹
essenziali
• Nome: Alluminio
• Nome internazionale: aluminium
• Simbolo: Al
• Numero atomico: 13
• Peso atomico: 26.98
• Gruppo: 13
• Periodo: 3
• Numero di ossidazione: +3
• Elettronegatività: 1.61
• Stato a 20 C°(T di fusione 660°C): solido
• Colore: argenteo
• Classificazione: metallo
3° periodo, 3° gruppo
Metallo
Un po’ di storia
L’alluminio è di gran lunga il più giovane tra i metalli di uso industriale, essendo stato
prodotto per la prima volta su larga scala industriale poco più di 100 anni fa.
L'alluminio deriva il suo nome dall’allume K Al(SO4)2 · 12H2O, un solfato di alluminio e potassio
conosciuto ed utilizzato sin dall’antichità per la preparazione di tinture e medicinali
L’alluminio è uno degli elementi che ha un simbolo alchemico
Il metallo fu identificato per la prima volta nel 1807, quando il chimico
inglese Sir Humphrey Davy ipotizzò che l’allume fosse il sale di un metallo
ancora sconosciuto. Il tentativo di Davy di ottenere l'alluminio attraverso
un processo di elettrolisi di una soluzione di ossido di alluminio e potassa
non diede, però, esiti positivi. Siccome non riuscì ad isolarlo, propose
pertanto il nome ‘Alum’ (dal Latino alumen, alum, sale amaro), poi
modificato in aluminium, quindi in alluminio.
Solo nel 1825 il fisico danese Hans Cristian Oersted riuscì a produrre
alcune gocce di alluminio, tramite l'applicazione di una fonte di calore
ad un amalgama di potassio(una lega di potassio e mercurio) e cloruro
di Alluminio (AlCl3).
Le ricerche furono proseguite in Germania dal discepolo di
Oersted, Freidirich Wohler, che dimostrò molte delle proprietà
del metallo, non ultima la sua leggerezza.
Nel 1854, il chimico francese Henri Sainte-Claire Deville sviluppò un
complesso processo termo-chimico che permetteva una limitata
produzione industriale.
Tuttavia il processo, diffuso in tutta Europa, era estremamente
costoso e rendeva il metallo addirittura più caro dell’oro.
Sainte-Claire Deville, Henri
(1818 - 1881)
Nel 1886 l'americano Charles Martin Hall e il giovane scienziato
francese Paul Heroult, scoprono contemporaneamente, seppur in
modo indipendente, il primo processo di fusione elettrolitica per la
produzione di alluminio metallico dall’allumina.
Il metodo di Hall – Heroult, è ancora oggi il sistema
utilizzato per la produzione di alluminio ed è stato
migliorato dalle successive scoperte, quale quella
dell’austriaco Karl Bayer, che nel 1888 brevettò la tecnica
per l'estrazione dell'ossido di alluminio dalla bauxite.
DA SAPERE…
1911 Ha inizio l’impiego del foglio sottile per la
protezione degli alimenti. Fu impiegato per la
prima volta per il confezionamento delle
tavolette di cioccolato.
1919 Inizia la produzione di tubetti per pomate
e dentifricio in alluminio.
1924 Negli USA si effettuano i primi
esperimenti per la chiusura delle bottiglie con
tappo a vite in alluminio.
1955 Nascono le prime lattine per bevande
1962 Emie Frazie inventa il sistema ‘easy open’ - apertura facilitata con
linguetta a strappo.
1978 Negli USA ,in nome della salvaguardia dell’ambiente, appaiono le
prime lattine ‘Stay on tab’, in cui la linguetta rimane attaccata.
.
1990 Inizia la produzione di imballaggi per dosi singole e nuove forme di
contenitori asettici. ‘Stay on tab’ viene importato in Europa.
Alluminio in natura
L’alluminio è il terzo elemento in ordine di abbondanza
sulla terra (circa l'8% in peso della litosfera) dopo
l'ossigeno e il silicio, presente in natura sotto forma di
minerali e gemme.
Il più importante minerale di alluminio
è la Bauxite. (Al2O3·nH2O)
l’alluminio esiste in natura solo sottoforma di composto.
La principale caratteristica che distingue le bauxiti
è la forma in cui contengono l'idrato di alluminio:
questo può essere presente come tri-idrato Al2O33H2O (gibbsite),
o nella forma mono- idrata Al2O3H2O (boemite), o in un'altra forma
mono- idrata (diasporo).
Altre caratteristiche importanti delle bauxiti sono il contenuto in
silice e carbonio.
E’ presente inoltre come ossido anidro (Al2O3) chiamato
Corindone
Ha una densità vicina a 4 e una durezza uguale a 9,
inferiore solo a quella del diamante
Il Corindone può essere variamente colorato
per la presenza di ossidi metallici e prende
altri nomi :
Rosso Rubino
Blu Zaffiro
giallo Zaffiro giallo
Arancio Padparadshah
sono possibili sfumature di viola Ametista orientale
verde Smeraldo orientale
rosa Patmaraga
Ulteriore presenza dell’alluminio è nei Feldspati,
quale l’Ortoclasio KAlSi3O8 e l’Albite tra i più diffusi
nella criolite (3NaF · AlF3)
nell’allume di rocca (KAl(SO4)2 · 12H2O)
e nei cosiddetti alluminosilicati quali:
Processo di produzione
L'alluminio si può produrre a partire
• dal minerale, la Bauxite
• dalla rifusione del metallo
stesso, ovvero dal riciclo
dei rottami di alluminio.
L'alluminio prodotto a
partire dal minerale è
detto alluminio primario,
quello ottenuto dalla
rifusione dei rottami di
alluminio, riciclato o
secondario.
Estrazione dell’ Alluminio
L’alluminio viene ottenuto dal minerale bauxite. Il processo per isolarne il contenuto in
alluminio è alquanto complesso e viene completato in due fasi successive:
Primo stadio: processo Bayer
purificazione del minerale da cui si ottiene l’allumina (Al2O3)
Secondo stadio: processo Hall-Hèroult
ottenimento dell'alluminio attraverso l'elettrolisi dell'allumina
• Sono richieste grosse quantità di energia
• Nonostante il costo dell'elettrolisi, l'alluminio è economico e
ampiamente utilizzato.
• Uno dei più grandi produttori di alluminio è il Canada che esporta
alluminio metallico.
Primo stadio
Processo Bayer per l’eliminazione delle impurità
(Fe2O3, SiO2 ):
•frantumazione ed essiccazione della bauxite
•La “farina di bauxite” è trattata con NaOH a 175°C. Si ottiene una soluzione di
idrossido di alluminio, silicati di sodio, ossido di Fe e Ti insolubili raccolti come
“fanghi rossi”.
•L’idrossido di alluminio viene raccolto per filtrazione, lavato e riscaldato(fase di
calcificazione) per formare allumina pura: Al2O3.
Secondo Stadio: processo Hall-Hèroult
Elettrolisi:
Elettrodi di carbonio.
Reazione al catodo (pareti della cella) : Al3+ + 3e- → Al
Il metallo di alluminio quindi affonda e viene separato.
Reazione all’anodo immerso nella massa fluida: ossidazione dell'ossigeno
della bauxite,
2O2- → O2 + 2eO2 + C → CO2
Reazione di elettrolisi:
2Al2O3 + 3C → 4Al + 3CO2
Schema di cella elettrolitica per la produzione di alluminio: 1) refrattario; 2) crosta solida di allumina e criolite;
3) anodo di carbone; 4) elettrolita fuso; 5) alluminio fuso; 6) suola conduttrice di carbone grafitato
Per produrre 1 kg di alluminio si utilizzano 2 kg di allumina e 4 kg di bauxite e sono necessari
circa 20 kWh. Ad oggi le riserve di bauxite garantiscono alluminio per oltre 1000 anni.
Chimica dell’Alluminio
• Metallo del terzo gruppo, confinante con la linea di
separazione fra i metalli e non metalli
• Stato di ossidazione trivalente: sia nei suoi composti
inorganici che organici
• Forma legami ionici (cedendo 3 elettroni) e covalenti
• L’alluminio si scioglie e reagisce sia con gli acidi sia con le
basi dando rispettivamente sali di alluminio e alluminati
(carattere anfotero)
• Molto resistente all’attacco degli agenti corrosivi, quali acqua
e ossigeno, perché si ossida, ricoprendosi di una sottile
pellicola di ossido che lo difende da ulteriori azioni esterne
(passivazione)
Reazioni chimiche
Reazione dell’alluminio con l’aria
La superficie dell’alluminio è coperta da un sottile strato di ossido che aiuta a proteggere il
metallo dall’attacco dell’aria. Così, normalmente, l’alluminio non reagisce con l’aria.
Se lo strato di ossido viene danneggiato, l’alluminio è esposto ad un attacco.
L’alluminio brucia in presenza di ossigeno con fiamma bianca brillante formando triossido di
alluminio, Al2O3, e la reazione è fortemente esotermica
4Al(s) + 3O2(l) → 2Al2O3(s) + energia
L’alluminio presenta un pericolo di accensione quando è in polvere.
La grande affinità dell’alluminio per l’ossigeno viene sfruttata nell’estrazione
di altri metalli dai loro ossidi
8Al + 3Mn3O4 → 4Al2O3 + 9Mn
più utilizzata nei processi di saldatura del ferro
2 Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2 Fe
Reazione termìte
ha trovato uso nei carburanti solidi per i razzi
Reazione dell’alluminio con gli alogeni
L’alluminio reagisce vigorosamente con tutti gli alogeni formando alogenuri di alluminio.
2Al(s) + 3Cl2(l) 2AlCl3(s)
2Al(s) + 3Br2(l) Al2Br6(s)
2Al(s) + 3I2(l) Al2I6(s)
i cloridrati di alluminio
AlnCl(3n-m)(OH)m
(ACH, Aluminium Chlorohydrate),
(AZAG, Aluminium zirconium tetrachlorohydrex GLY
Reazione dell’alluminio con gli acidi
L’alluminio si dissolve rapidamente negli acidi minerali diluiti, formando una soluzione
acquosa contenente ioni di alluminio (III) insieme a idrogeno in forma gassosa, H2.
L’acido nitrico concentrato passiva il metallo(produce strato protettivo di ossido sulla
superficie)
2Al(s) + 6HCl (aq)
2Al3+ (aq) + 6Cl- (aq) + 3H2(g)
2Al(s) + 3H2SO4(aq)
2Al3+(aq) + 2SO42-(aq) + 3H2(g)
Reazione dell’alluminio con le basi
L’alluminio si dissolve pure in idrossido di sodio con sviluppo di idrogeno in forma gassosa, H2,
e la formazione di alluminati del tipo [Al(OH)4]-.
2Al(s) + 2NaOH(aq) + 6H2O
2NaAl(OH)4 (aq) + 3H2(g)
Proprietà dell’alluminio:
leggero ma resistente agli urti;
durevole;
resistente alla corrosione, quindi atossico e capace di non alterare il gusto e il colore
degli alimenti che contiene;
igienicamente sicuro (protegge dalla luce, dall’aria, dall’umidità, dagli odori e dai
microrganismi);
a-magnetico: non è attratto dalle calamite e perciò si utilizza nella realizzazione di
apparecchi come radio, radar e stereo;
ottimo conduttore termico;
eccellente conduttore elettrico: viene impiegato nei conduttori ad alto voltaggio, dove
viene preferito al rame per la sua leggerezza, e nelle filettature delle lampadine;
riciclabile al 100%.
Ha aspetto grigio argento a causa del leggero strato di
ossidazione che si forma rapidamente quando è esposto all'aria
e che previene la corrosione
Applicazioni
Generalmente l’alluminio richiede l’aggiunta di piccole
quantità di altri metalli che ne esaltino determinate proprietà.
Qualunque sia la lega il contenuto di alluminio è comunque superiore al 90%.
Le riciclabilissime lattine per le bibite, ad esempio, sono fatte con leghe contenenti
basse percentuali di magnesio e manganese che migliorano la rigidità e la malleabilità.
Leghe con piccole quantità di
Cu, Mg, Mn, Si e altri elementi
prerogative meccaniche di gran lunga superiori
ampia gamma di proprietà utili
(componenti vitali in campo aeronautico e
aerospaziale)
•Si:
•Mg:
•Mn:
•Cu:
•Zn:
migliora la colabilità e riduce il coefficiente di dilatazione
aumenta la resistenza alla corrosione in ambiente alcalino e in mare
aumenta la resistenza meccanica e alla corrosione
accresce la resistenza meccanica, soprattutto a caldo
soprattutto se associato al magnesio, conferisce una elevata
resistenza meccanica
Applicazioni
Quasi tutti gli specchi moderni sono fatti usando un rivestimento
riflettente sottile di alluminio sulla superficie posteriore di
un foglio di vetro.
Anche gli specchi dei telescopi
sono ricoperti da uno strato sottile di
alluminio.
•Rubini e zaffiri sintetici sono usati nei laser
per la produzione di luce coerente.
Un mondo di alluminio
Oggi è impossibile pensare ad un mondo senza alluminio
Le applicazioni dell’alluminio riguardano i settori più vari; tra i principali:
•Trasporti (in quasi ogni tipo di mezzo di
trasporto)
•Imballaggio e utensileria domestica.
(lattine, pellicola d'alluminio, ecc.)
•Costruzioni (finestre, porte, pannelli,
serramenti, infissi ecc.)
•Beni di consumo durevoli
(elettrodomestici, attrezzi da cucina,
ecc.)
•Linee di trasmissione elettrica (a causa
del suo peso leggero)
•Macchinari
Imballaggi in alluminio di uso quotidiano
Gli imballaggi più comuni che circolano in casa e in cui l’alluminio è presente sono:
Scatolette per cibo
lattine per bevande
bombolette aerosol
tubetti flessibili
vaschette per alimenti
foglio sottile
chiusure a vite
Riciclaggio
•Il recupero di questo metallo dai rifiuti (attraverso il
riciclaggio) è diventato una parte importante
dell'industria dell'alluminio.
•Il riciclaggio dell'alluminio è iniziata già nel 1900
•Le fonti per il riciclaggio dell'alluminio comprendono
automobili e serramenti, elettrodomestici, contenitori,
infissi e altri prodotti.
RI-PRODURRE ALLUMINIO
l’alluminio secondario è equivalente al metallo
primario ottenuto dal minerale,
anche dopo numerosi cicli di vita;
il riciclo consente:
recupero di materiale prezioso senza
decadimento di qualità;
risparmi dell’energia necessaria alla
produzione di primario
Per ricavare dalla bauxite 1 kg
di alluminio sono necessari 20 kWh,mentre
per ricavare 1 kg di alluminio nuovo
da quello usato servono solo 0,7 kWh
riduzione delle emissioni serra;
riduzione delle attività estrattive;
limitazione degli oneri di smaltimento.
Dall'alluminio usato se ne può ricavare sempre di nuovo senza dover
ricorrere all'estrazione di materia prima. Oggi circa il 30% della
produzione mondiale d'alluminio proviene da metallo recuperato
Tutti gli oggetti di alluminio che possono essere
riutilizzati portano la sigla "AL" oppure "alu".
L’alluminio si può riciclare solo se è pulito:
corpi estranei come ferro, sostanze sintetiche
o sporcizia debbono essere sottratti
con un procedimento adeguato,
manuale o meccanico.
Le fasi del riciclo dell’alluminio
•Pressatura in balle o paccotti
•Frantumazione in pezzi di
piccole dimensioni
•Separazione da eventuali
parti in materiale magnetico
(ferroso) e materiali diversi
dall’alluminio(vetro, rame, ecc)
(macinazione,separazione gravimetrica
ed elettro-magnetica).
•Trattamento a 500 °C
per eliminare vernici
o altre sostanze aderenti
http://www.matric.it
Le fasi del riciclo dell’alluminio
•Fusione in forno
•Degasaggio e filtraggio
•Colatura in placche
•Produzione di laminati per
formare nuove lattine o altri
manufatti
L’interesse per l’alluminio
selezionato da raccolta
differenziata è alto e costante
COSA DIFFERENZIARE
LO SAPEVATE CHE …
OCCORRONO
800
3
1 paio di occhiali
37
130
1 bicicletta completa
di accessori.
640
1 cerchione per auto.
1 caffettiera
1 monopattino
