SICSI VIII CICLO CHIMICA DEGLI ELEMENTI NELL’AMBIENTE Docente prof. Salvatore ANDINI ALLUMINIO

DESTINATARI. Studenti di un ITIS ad indirizzo chimico PREREQUISITI. Tavola periodica legami chimici OBIETTIVI. Conoscere le principali caratteristiche e gli utilizzi dell’alluminio

Alcune caratteristiche dell’alluminio

L’alluminio è un metallo leggero con un aspetto grigio argenteo a causa del leggero strato di ossido. Il suo peso specifico è circa un terzo dell’acciaio o del rame è duttile e malleabile e di facile lavorazione presenta una eccellente resistenza alla corrosione. L’alluminio è uno degli elementi più diffusi sulla terra secondo solo a ossigeno e silicio si trova sempre combinato con altri elementi; è presente in numerosi minerali. Dal punto di vista industriale viene prodotto a partire dalla bauxite roccia rosso bruno o gialla diffusa soprattutto in USA, Russia, Guyana, Ungheria, ex Jugoslavia.

Proprietà Chimicamente reattivo, è un forte agente riducente Riduce vari composti metallici allo stato fondamentale, e questa proprietà è sfruttata in alcuni processi industriali tra i quali, ad esempio, il processo Thermit per la saldatura del ferro Tra i più importanti composti dell'alluminio sono da citare l'ossido, noto come allumina, l'idrossido, un precipitato bianco che manifesta proprietà anfotere, il solfato, detto anche allume, e alcune miscele di composti di zolfo. L'alluminio è il più abbondante costituente metallico delle rocce terrestri; si ritrova generalmente come silicato, sia solo sia mescolato con altri metalli come il sodio, il potassio, il ferro, il calcio e il magnesio, ma mai allo stato libero. Il processo di estrazione dai silicati è tuttavia complesso ed estremamente costoso, pertanto la bauxite, un ossido di alluminio idrato e impuro, rappresenta la più importante fonte commerciale del metallo e dei suoi composti.

Il rubino è la più nobile varietà monocristallina dell' ossido di alluminio (Al 2 O 3 ), un minerale noto come corindone, sostanza naturale di durezza 9 nella Scala di Mohs.ossido di alluminiocorindone Scala di Mohs

Lo zaffiro è una varietà nobile monocristallina dell'ossido di alluminio (Al 2 O 3 ), un minerale noto come corindone, sostanza naturale di durezza 9 nella Scala di Mohs.ossido di alluminiocorindone Scala di Mohs Il colore blu- azzurro tipico della gemma deriva da inclusioni di ematite e rutilo. gemma ematiterutilo

La bauxite è una roccia sedimentaria che costituisce la principale fonte per la produzione dell'alluminio. La sua composizione è caratterizzata dalla presenza di diverse specie mineralogiche tra cui prevalgono gli ossidi e gli idrossidi di alluminio e di ferro. La quantità di idrossido di alluminio varia nei differenti depositi tra il 30 e il 75%, Il colore della bauxite è in genere rosso cupo con irregolari macchie biancastre.roccia sedimentariaalluminioossidi idrossidialluminioferroidrossido di alluminio

IL PROCESSO DI ESTRAZIONE DA BAUXITE AD ALLUMINA DA ALLUMINA AD ALLUMINIO (CICLO BAYER) (CICLO HALL-HEROULT)

ດ Il processo Bayer Dal processo Bayer si ottiene l’idrossido di alluminio che viene trattato per l’ottenimento di allumina pura o alluminio metallico. Questo processo consiste nella lisciviazione della bauxite a pressione e temperatura elevate (140 – 250 °C, 15bar) con soda caustica in soluzione (15%NaOH) per estrarre l’allumina presente nella bauxite in forma idrata, portandola in soluzione come alluminato di sodio nella liscivia di attacco. L’allumina contenuta nella bauxite in quantità superiori al 50% va in soluzione mentre restano in sospensione tutti gli altri componenti della bauxite (Al 2 O 3, Fe 2 O 3, TiO 2, SiO 2, CaO, Na 2 O combinato e altri). Le sostanze insolute vengono separate per decantazione e filtrazione, costituendo dei fanghi chiamati “fanghi rossi” (colorazione dovuta all’elevato contenuto di ossido di ferro) che dopo lavaggio in controcorrente a 5 stadi vengono inviati al bacino fanghi. Una volta separati dal processo i fanghi rossi, la soluzione di alluminato di sodio viene raffreddata ed inviata in appositi serbatoi di precipitazione, o cristallizzazione, dove riceve l’aggiunta di idrato di alluminio che ha la funzione di innesco germinativo. Durante questo processo l’alluminato di sodio si decompone portando alla cristallizzazione di allumina idrata (Al 2 O 3 ∙3H 2 O) che viene in parte riciclata come innesco germinativo e in parte come prodotto. L’allumina idrata dopo essere sottoposta a lavaggio e filtrazione viene calcinata in forni rotativi o a letto fluido a 1000 – 1100°C ottenendo così allumina idrata di elevata purezza (Al 2 O 3 99%, % Fe 2 O 3, % SiO 2 e % Na 2 O ) in forma di solido cristallino bianco di granulometria pari a circa 90 micron.

Elettrolisi di allumina fusa in criolitecriolite Si esegue la riduzione del metallo in cella elettrolitica utilizzando come elettrolita una miscela di criolite 80% / allumina 10% più altri fondenti (fluoruro di calcio, carbonato di litio), necessari a causa dell'alto punto di fusione dell'allumina, oltre °C. Grazie a questi additivi la miscela ha punto di fusione di circa 900 °C, Gli elettrodi usati nell'elettrolisi della bauxite sono entrambi di carbonio: la reazione al catodo èelettrodi carboniocatodo Al3+ + 3e− → Al Qui gli ioni di alluminio vengono ridotti, l'alluminio metallico affonda nella miscela fusa e può esser separato. All'anodo si ha invece l'ossidazione dell'elettrodo di carbonio per formare anidride carbonica:anodoanidride carbonica 2O2− + C → CO2 + 4e− all'anodo si ha pertanto il consumo di carbone per l'elettrodo, che si trasforma in anidride carbonica. Questo processo richiede, per una tonnellata di alluminio, 1,89 t di allumina, 0,07 t di criolite, 0,45 t di C per gli elettrodi e kWh di energia elettrica: il costo dell'energia è il fattore critico di tale processo.

Composti dell’alluminio L'alluminato di potassio KAlO2 è il sale di potassio dell'acido alluminico.salepotassioacido alluminico È un sale alcalino utilizzato, come l'alluminato di sodio, come acceleratore nella solidificazione del cemento.alluminato di sodiocemento L' alluminato di sodio è il sale di sodio dell'acido alluminico.salesodioacido alluminico È un importante composto chimico inorganico che viene prodotto principalmente dall'idrossido di alluminio.idrossido di alluminio Nella tecnologia edilizia, l'alluminato sodico viene addizionato al cemento per accelerare la sua solidificazione. È anche utilizzato nella produzione della carta.cementocarta

Il clorato di alluminio AlClO 4 è il sale di alluminio dell'acido clorico. È fotosensibile, quindi viene conservato generalmente in recipienti di vetro ambrato. Come tutti i clorati, è un forte ossidante solubile in acqua.salealluminioacido cloricovetro ambratoossidanteacqua Il cloruro di alluminio è il sale dell'alluminio con l'acido cloridrico. Può essere anidro (AlCl3) o esaidrato (AlCl3 · 6H2O).salealluminioacido cloridricoesaidrato Il prodotto anidro è una polvere gialla corrosiva e dall'odore irritante che in presenza di acqua subisce idrolisi liberando acido cloridrico.idrolisi La criolite Na3AlF6 è un sale complesso di alluminio, fluoro e sodio.salealluminiofluoro sodio A temperatura ambiente si presenta come un solido grigio- bianco inodore. È un composto tossico, pericoloso per l'ambiente. In forma liquida è utilizzata per la produzione industriale dell'alluminio. Composti dell’alluminio

Il nitrato di alluminio A l(NO3)3 è un nitrato con formula Al(NO3)3.alluminionitrato È un sale che si ottiene dalla reazione dell'alluminio con l'acido nitrico, dalla struttura normale di idrato cristallino. La sua forma più comune è il nitrato di alluminio nonaidrato (Al(NO3)3·9H2O).saleacido nitriconitrato di alluminio nonaidrato Il nitrato di alluminio è un forte ossidante, usato per la tintura del cuoio, la produzione di antitraspiranti e inibitori di corrosione, per l'estrazione dell'uranio, la raffinazione del petrolio e per la nitrurazione di componenti chimiciuranio petrolionitrurazione Il solfato di alluminio e potassio dodecaidrato (o allume potassico) KAl(SO4)2 · 12H2O è un sale misto di alluminio e potassio dell'acido solforico.salealluminiopotassioacido solforico A temperatura ambiente si presenta come un solido incolore inodore. Sin dall'antichità era usato in numerose attività produttive, in vari settori. Nelle industrie tessili era usato come fissante per colori, il suo uso era quindi basilare nella tintura della lana, nella realizzazione delle miniature su pergamena e nella concia delle pelli. Serviva poi alla produzione del vetro ed in medicina era usato come emostatico.industrie tessilitinturalanaminiaturepergamena conciapellivetro emostatico

Il nitruro di alluminio è il composto binario formato da alluminio e azoto,compostoalluminioazoto Le ceramiche di Nitruro di alluminio in atmosfera normale vengono sintetizzate a pressione, ad una temperatura di circa 1800 °C. Con l'aiuto di opportuni sinterizzatori giunge alla fase di sinterizzazione fluida. In pratica viene dopato con ossidi di Calcio e Yttrio, procedimento standard ampiamente utilizzato.sintetizzate La ceramica AlN ha un'ottima conducibilità termica, pari a 180 W/mK, che lo rendono un substrato dalle elevate prestazioni in elettronica (come isolante elettrico, ma conduttore di calore). La ceramica AlN risulta interessante in numerosi impieghi, poiché se il calore viene efficacemente trasportato, il pezzo non è buon conduttore elettrico. Il nitruro di alluminio viene modellato tramite tecniche a spruzzo. L'AlN è debolmente piezoelettrico.tecniche a spruzzopiezoelettrico Storia [modifica]modifica L'AlN è stato sintetizzato per la prima volta nel 1877, ma il suo potenziale impiego nell'optoelettronica fu compreso solo negli anni 80 grazie alla conducibilità termica relativamente elevata per isolamento elettrico ceramica ( Wm −1 K −1 per materiali plicristallini, e alto 275 Wm −1 K −1 per singolo cristallo). Questo materiale è interessante come alternativa non tossica al berillio. Metodi di metallizzazione sono disponibili per usare AIN al posto dell'alluminio e BeO per le più importanti applicazioni elettroniche. L'AlN è sintetizzato attraverso la riduzione carbotermica di alluminio o attraverso la diretta nitrizzazione dell'alluminio.1877conducibilità termicaceramicaberillioBeOalluminio L'alluminio nitruro è un materiale legato prevalentemente in modo covalente, ed ha una struttura cristallina esagonale isomorfa con uno dei polimorfi di zinco solfuro conosciuto come wurtzite. Il gruppo spaziale di questa struttura è P6 3 mc. L'uso di sintetizzatori e la compressione a caldo sono necessari per ottenere un materiale denso ad uso professionale. Il materiale è stabile ad alte temperature se è in atmosfera inerte. All'aria, l'ossidazione superficiale avviene a circa 700 °C, ed anche a temperatura ambiente sono state rilevate ossidazioni di Questo strato ossidato protegge l'interno fino a 1370 °C. Oltre questa temperatura avviene un'ossidazione massiccia. L'alluminio nitruro è stabile in atmosfera di idrogeno e diossido di carbonio fino a 980 °C. Il materiale si scioglie in acidi minerali sotto l'attacco di granuli superficiali, e in alcali forti se attaccato ai granuli di alluminio nitruro. il materiale si idrolizza lentamente in acqua. Il nitruro di alluminio è resistente ad attacchi dalla maggior parte dei sali inclusi e criolite.covalentezinco solfurowurtziteidrogenodiossido di carbonioalcaliidrolizzacriolite Applicazioni [modifica]modifica Le ceramiche di Nitruro di alluminio in atmosfera normale vengono sintetizzate a pressione, ad una temperatura di circa 1800 °C. Con l'aiuto di opportuni sinterizzatori giunge alla fase di sinterizzazione fluida. In pratica viene dopato con ossidi di Calcio e Yttrio, procedimento standard ampiamente utilizzato.sintetizzate La ceramica AlN ha un'ottima conducibilità termica, pari a 180 W/mK, che lo rendono un substrato dalle elevate prestazioni in elettronica (come isolante elettrico, ma conduttore di calore). La ceramica AlN risulta interessante in numerosi impieghi, poiché se il calore viene efficacemente trasportato, il pezzo non è buon conduttore elettrico. Il nitruro di alluminio viene modellato tramite tecniche a spruzzo. L'AlN è debolmente piezoelettrico.tecniche a spruzzopiezoelettrico Storia [modifica]modifica L'AlN è stato sintetizzato per la prima volta nel 1877, ma il suo potenziale impiego nell'optoelettronica fu compreso solo negli anni 80 grazie alla conducibilità termica relativamente elevata per isolamento elettrico ceramica ( Wm −1 K −1 per materiali plicristallini, e alto 275 Wm −1 K −1 per singolo cristallo). Questo materiale è interessante come alternativa non tossica al berillio. Metodi di metallizzazione sono disponibili per usare AIN al posto dell'alluminio e BeO per le più importanti applicazioni elettroniche. L'AlN è sintetizzato attraverso la riduzione carbotermica di alluminio o attraverso la diretta nitrizzazione dell'alluminio.1877conducibilità termicaceramicaberillioBeOalluminio L'alluminio nitruro è un materiale legato prevalentemente in modo covalente, ed ha una struttura cristallina esagonale isomorfa con uno dei polimorfi di zinco solfuro conosciuto come wurtzite. Il gruppo spaziale di questa struttura è P6 3 mc. L'uso di sintetizzatori e la compressione a caldo sono necessari per ottenere un materiale denso ad uso professionale. Il materiale è stabile ad alte temperature se è in atmosfera inerte. All'aria, l'ossidazione superficiale avviene a circa 700 °C, ed anche a temperatura ambiente sono state rilevate ossidazioni di Questo strato ossidato protegge l'interno fino a 1370 °C. Oltre questa temperatura avviene un'ossidazione massiccia. L'alluminio nitruro è stabile in atmosfera di idrogeno e diossido di carbonio fino a 980 °C. Il materiale si scioglie in acidi minerali sotto l'attacco di granuli superficiali, e in alcali forti se attaccato ai granuli di alluminio nitruro. il materiale si idrolizza lentamente in acqua. Il nitruro di alluminio è resistente ad attacchi dalla maggior parte dei sali inclusi e criolite.covalentezinco solfurowurtziteidrogenodiossido di carbonioalcaliidrolizzacriolite Applicazioni [modifica]modifica La ceramica AlN ha un'ottima conducibilità termica, pari a 180 W/mK, che lo rendono un substrato dalle elevate prestazioni in elettronica (come isolante elettrico, ma conduttore di calore).. Le ceramiche di Nitruro di alluminio in atmosfera normale vengono sinterizzate a pressione, ad una temperatura di circa 1800 °C. Con l'aiuto di opportuni sinterizzatori giunge alla fase di sinterizzazione fluida.sinterizzate La principale applicazione del nitruro di alluminio è definita nel campo della conduttività elettrica

Leghe di alluminio