Chimica degli elementi nell’ambiente UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI S.I.C.S.I. Scuola Interuniversitaria Campana di Specializzazione all’ Insegnamento VII Ciclo Professore S. Andini

Unità didattica sull’Alluminio 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 Ist. tecnico, classe 2 a

L’alluminio nella tavola periodica Al [Ne]3s²3p¹ 3° periodo, 3° gruppo Metallo Dati essenziali Nome: Alluminio Nome internazionale: aluminium Simbolo: Al Numero atomico: 13 Peso atomico: 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

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. 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. L'alluminio deriva il suo nome dall’allume K Al(SO 4 ) 2 · 12H 2 O, un solfato di alluminio e potassio conosciuto ed utilizzato sin dall’antichità per la preparazione di tinture e medicinali 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 (AlCl 3 ). L’alluminio è uno degli elementi che ha un simbolo alchemico

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 ( ) 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. 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.

DA SAPERE….  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.  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.

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. (Al 2 O 3 ·nH 2 O) La principale caratteristica che distingue le bauxiti è la forma in cui contengono l'idrato di alluminio: questo può essere presente come tri-idrato Al 2 O 3 3H 2 O (gibbsite), o nella forma mono- idrata Al 2 O 3 H 2 O (boemite), o in un'altra forma mono- idrata (diasporo). Altre caratteristiche importanti delle bauxiti sono il contenuto in silice e carbonio.  l’alluminio esiste in natura solo sottoforma di composto.

E’ presente inoltre come ossido anidro (Al 2 O 3 ) chiamato Corindone Il Corindone può essere variamente colorato per la presenza di ossidi metallici e prende altri nomi : Rosso  Rubino Blu  Zaffiro Arancio  Padparadshah sono possibili sfumature di viola  Ametista orientale verde  Smeraldo orientale Ha una densità vicina a 4 e una durezza uguale a 9, inferiore solo a quella del diamante rosa  Patmaraga giallo  Zaffiro giallo

Ulteriore presenza dell’alluminio è nei Feldspati, quale l’Ortoclasio KAlSi 3 O 8 e l’Albite tra i più diffusi e nei cosiddetti alluminosilicati quali: nella criolite (3NaF · AlF 3 ) nell’allume di rocca (KAl(SO 4 ) 2 · 12H 2 O)

Processo di produzione dal minerale, la Bauxite dalla rifusione del metallo stesso, ovvero dal riciclo dei rottami di alluminio. L'alluminio si può produrre a partire L'alluminio prodotto a partire dal minerale è detto alluminio primario, quello ottenuto dalla rifusione dei rottami di alluminio, riciclato o secondario.

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. 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 (Al 2 O 3 ) Estrazione dell’ Alluminio Secondo stadio: processo Hall-Hèroult  ottenimento dell'alluminio attraverso l'elettrolisi dell'allumina

Primo stadio Processo Bayer per l’eliminazione delle impurità (Fe 2 O 3, SiO 2 ): 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: Al 2 O 3.

Elettrolisi: Elettrodi di carbonio. Reazione al catodo (pareti della cella) : Al e - → Al Il metallo di alluminio quindi affonda e viene separato. Reazione all’anodo immerso nella massa fluida: ossidazione dell'ossigeno della bauxite, 2O 2- → O 2 + 2e - O 2 + C → CO 2 Secondo Stadio: processo Hall-Hèroult 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. Reazione di elettrolisi: 2Al 2 O 3 + 3C → 4Al + 3CO 2

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 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, Al 2 O 3, e la reazione è fortemente esotermica 4Al(s) + 3O 2 (l) → 2Al 2 O 3 (s) + energia L’alluminio presenta un pericolo di accensione quando è in polvere. Reazione dell’alluminio con l’aria ha trovato uso nei carburanti solidi per i razzi Reazione termìte2 Al + Fe 2 O 3 → Al 2 O Fe La grande affinità dell’alluminio per l’ossigeno viene sfruttata nell’estrazione di altri metalli dai loro ossidi 8Al + 3Mn 3 O 4 → 4Al 2 O 3 + 9Mn  più utilizzata nei processi di saldatura del ferro

2Al (s) + 3H 2 SO 4 (aq) 2Al 3+ (aq) + 2SO 4 2- (aq) + 3H 2 (g) 2Al (s) + 2NaOH (aq) + 6H 2 O 2NaAl(OH) 4 (aq) + 3H 2 (g) Reazione dell’alluminio con gli alogeni L’alluminio reagisce vigorosamente con tutti gli alogeni formando alogenuri di alluminio. 2Al(s) + 3Cl 2 (l) 2AlCl 3 (s) 2Al(s) + 3Br 2 (l) Al 2 Br 6 (s) 2Al(s) + 3I 2 (l) Al 2 I 6 (s)  i cloridrati di alluminio Al Al n Cl (3n-m) (OH) m ClOH (ACH, Aluminium Chlorohydrate), (AZAG, Aluminium zirconium tetrachlorohydrex GLY Reazione dell’alluminio con le basi L’alluminio si dissolve pure in idrossido di sodio con sviluppo di idrogeno in forma gassosa, H 2, e la formazione di alluminati del tipo [Al(OH) 4 ] -. Reazione dell’alluminio con gli acidi 2Al (s) + 6HCl (aq) 2Al 3+ (aq) + 6Cl - (aq) + 3H 2 (g) L’alluminio si dissolve rapidamente negli acidi minerali diluiti, formando una soluzione acquosa contenente ioni di alluminio (III) insieme a idrogeno in forma gassosa, H 2. L’acido nitrico concentrato passiva il metallo(produce strato protettivo di ossido sulla superficie)

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%. Proprietà dell’alluminio: 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

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: migliora la colabilità e riduce il coefficiente di dilatazione Mg: aumenta la resistenza alla corrosione in ambiente alcalino e in mare Mn: aumenta la resistenza meccanica e alla corrosione Cu: accresce la resistenza meccanica, soprattutto a caldo Zn: soprattutto se associato al magnesio, conferisce una elevata resistenza meccanica Altri elementi quali cromo (resistenza a corrosione), zirconio, vanadio sono usati come correttivi (affinazione grano, bloccaggio di impurità...) ;nichel, titanio e zirconio (p. meccaniche),bismuto, piombo, cadmio e stagno,silicio per scopi particolari. Il ferro, é sempre presente come impurezza. 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.

Quasi tutti gli specchi moderni sono fatti usando un rivestimento riflettente sottile di alluminio sulla superficie posteriore di un foglio di vetro. Applicazioni 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.

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 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:

Imballaggi in alluminio di uso quotidiano Gli imballaggi più comuni che circolano in casa e in cui l’alluminio è presente sono: chiusure a vitehiusure a vite lattine per bevande bombolette aerosol ScatoletteScatolette per cibo vaschette per alimenti foglio sottile tubetti flessibili

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

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

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