alluminio

Elemento chimico trivalente, di simbolo Al, numero atomico 13, peso atomico 26,97, di cui è noto un solo isotopo stabile ²₁⁷₃Al.

Generalità

Scoperto da H. Davy nel 1812 e isolato da H.C. Oersted nel 1825 per riscaldamento del cloruro di a. con amalgama di potassio, fu ottenuto, sotto forma di piccole particelle di qualche cg di massa, da F. Wöhler, nel 1827, per riduzione del cloruro con potassio. Nel 1854 il francese Sainte-Claire Deville mise a punto il primo processo di preparazione industriale dell’a., basato sulla riduzione del cloruro doppio di sodio e a. con sodio metallico. Infine, nel 1886 in Francia per opera di P.-L.-T. Héroult e contemporaneamente negli Stati Uniti per opera di Ch.M. Hall, fu brevettato il processo di preparazione dell’a. per elettrolisi dell’allumina disciolta nella criolite fusa.

Dopo l’ossigeno e il silicio l’a. è l’elemento più diffuso in natura: costituisce infatti circa l’8% della crosta terrestre. Non si trova libero, ma sempre in combinazione allo stato di ossido (corindone), di ossido idrato (bauxite ecc.), di alluminato (crisoberillo, spinello ecc.), di silicato (leucite, argilla, feldspato, mica ecc.), di solfato (alunite), di fosfato, di fluoruro doppio ecc. È un metallo di colore bianco argenteo, duttile, malleabile, di densità 2,699 g/cm³ se laminato o trafilato e quindi ricotto (allo stato di getto la densità può risultare leggermente inferiore), buon conduttore di calore ed elettricità; fonde a 660,1 °C, bolle a 2327 °C. All’aria è stabile perché si ricopre di una sottile pellicola di allumina che lo protegge da ogni ulteriore attacco corrosivo. Si scioglie facilmente in acido cloridrico, meno in acido solforico; è insolubile in acido nitrico, da cui viene passivato; con gli alcali reagisce sviluppando idrogeno e formando alluminati. A causa della sua grande affinità per l’ossigeno, l’a. riduce molti ossidi metallici; la riduzione, che avviene con forte sviluppo di calore, iniziata in un punto si propaga da sé al resto della massa.

Chimica industriale

Il processo metallurgico di produzione dell’a. si svolge in due tempi distinti e indipendenti: l’estrazione dell’allumina dalla bauxite e la riduzione dell’allumina ad a. metallico.

Il processo Bayer

fig. 1

Per la prima fase il processo Bayer (fig. 1) ha attualmente soppiantato tutti gli altri: operando a umido, la bauxite (composta da Al₂O₃ per 55-65% sotto forma idrata, Fe₂O₃ per 15-25%, SiO₂ max 3%, TiO₂ 3-4%) viene macinata, essiccata e calcinata e finemente polverizzata in molini a palle. Il prodotto viene immesso in autoclavi, riscaldate a 170-180 °C e alla pressione di 10-15 atmosfere, in miscela con una soluzione di soda caustica a 40-42 Bé. In tal modo si ha formazione di alluminato sodico (NaAlO₂) solubile e si separano i cosiddetti fanghi rossi, costituiti da ossido di ferro (57-63%), metatitanato di sodio e silicoalluminato sodico. La soluzione di alluminato sodico viene diluita con aggiunta delle acque di lavaggio dei fanghi rossi (separati dal liquido per filtrazione con filtropresse o a mezzo di decantatori Dorr), quindi inviata ai decompositori, vasche in cui si opera una lenta agitazione meccanica alla temperatura di 30-40 °C e s’innesca l’idrolisi dell’alluminato sodico con formazione di idrato di a., la cui precipitazione è favorita dalla presenza di un dato quantitativo di idrato residuato dalla precedente operazione. Il prodotto separatosi (Al₂O₃•3H₂O) viene filtrato con filtri rotativi e calcinato a circa 1200 °C in forni rotativi tradizionali ad asse orizzontale (o, più recentemente, in forni a letto fluido che consentono di ridurre le perdite di calore): così si ottiene l’allumina anidra pura. La soluzione diluita di soda caustica residuata viene concentrata in evaporatori a multiplo effetto e riammessa nel ciclo. Si consumano 1,2-1,4 t di carbon fossile e 2 t di bauxite per t di allumina prodotta.

Quando la bauxite sottoposta al processo Bayer è ricca in silice, una parte dell’a. resta indisciolta sotto forma di silicoalluminato sodico. In questo caso conviene effettuare la digestione in autoclave a temperature più basse e per tempi molto brevi, sottoponendo poi i fanghi rossi così ottenuti, ancor ricchi di allumina estraibile, a un ritrattamento. Questo consiste essenzialmente in una calcinazione a 1100-1200 °C insieme con calcare e carbonato sodico, e in una lisciviazione con acqua della miscela calcinata così da estrarre l’alluminato sodico la cui soluzione è poi trattata come nel processo tradizionale, mentre i fanghi rossi ormai esauriti vengono avviati allo scarico.

La riduzione dell’allumina

fig. 2

Si realizza per elettrolisi ignea in celle dette usualmente forni (fig. 2). L’allumina si trova allo stato fuso, disciolta in un bagno di fluoruro doppio di a. e sodio (criolite), con cui forma una miscela ternaria liquida a 940-980 °C. La cella è costituita da una vasca di ferro, ricoperta internamente di carbone compresso che forma la suola catodica sulla quale si accumula l’alluminio. Gli anodi, che penetrano nel bagno dall’alto, in numero di uno o più, debbono essere di carbone puro e particolarmente povero di ceneri. L’ossigeno proveniente dalla riduzione dell’allumina reagisce con il carbonio degli anodi formando anidride carbonica e ossido di carbonio e sviluppando calore che contribuisce a mantenere fuso il bagno. Le celle più moderne sono di grandi dimensioni e possono operare a un amperaggio molto elevato (anche più di 100.000 A) e con un rendimento di corrente che può raggiungere valori di 93÷94%; ciò è stato reso possibile dall’acquisita capacità di progettare molto accuratamente i campi magnetici di forte intensità dovuti alla corrente continua di elettrolisi, neutralizzando le loro perturbazioni sul processo. Di conseguenza è diminuito notevolmente il consumo specifico di energia elettrica che negli impianti più moderni è sceso a circa 13 kWh per kg di alluminio. Per ridurre l’impatto nell’ambito esterno e per migliorare le condizioni di lavoro nelle sale di elettrolisi, le celle più moderne sono chiuse superiormente da una cappa metallica e le emissioni di composti fluorati sono aspirate e convogliate a un impianto di abbattimento dove il fluoro è adsorbito in allumina fluidificata che viene poi inviata alle celle. Conseguentemente, sono molto diminuite le emissioni di composti fluorurati nell’ambiente esterno. L’a., detto di prima fusione, spillato periodicamente dalla suola delle celle, è colato in pani. Le impurezze principali sono il ferro e il silicio, quelle secondarie il titanio, il rame e lo zinco. Per successiva raffinazione, che si esegue operando una seconda elettrolisi su una lega di a. impura, con un consumo di energia di circa 20 kWh per kg di metallo, si può ottenere a. iperpuro (99,99% di Al), che presenta particolare resistenza alla corrosione.

Principali utilizzazioni

L’a., per la sua elevata resistenza alla corrosione e per la sua bassa densità, trova vasta applicazione, sia da solo sia sotto forma delle numerose sue leghe, nella costruzione di parti di mezzi di trasporto (aeroplani, automobili, treni, navi ecc.), di apparecchi e utensili per uso domestico, di infissi, pannelli, profilati ecc., nell’industria edilizia. È usato per la fabbricazione di cavi (data la sua relativamente elevata conducibilità elettrica), di motori, di scambiatori di calore (data la sua buona conducibilità termica) ecc.; in quella metallurgica come disossidante, come riducente, come agente protettivo (rivestimenti ottenuti per calorizzazione, a spruzzo, per immersione ecc.) L’a. in polvere è usato nella preparazione di pigmenti, in pirotecnica (dà fuochi bianchi brillanti), nella fabbricazione di esplosivi; in miscela con il cemento permette di preparare manufatti porosi e leggeri.

Leghe
Leghe da fonderia

Comprendono prodotti commercialmente noti con i nomi silumin, silumin β, silumin γ, cuprosilumin, anticorodal ecc.; adatte per colate in sabbia, in conchiglia, in terra o sotto pressione.

Leghe da lavorazione plastica

Comprendono il duralluminio, l’avional, la lega V, accanto a qualche lega già citata nel gruppo ‘da fonderia’; di queste, alcune sono suscettibili del trattamento di bonifica che consente il raggiungimento di elevate caratteristiche meccaniche di resistenza (500 N/mm² e oltre), e tuttavia permette ancora di conservare un buon valore dell’allungamento. La lavorazione su tali leghe si può effettuare per laminazione a freddo, trafilatura, estrusione, imbutitura ecc.

Leghe per pressofusione

Sono prodotti contenenti in genere il 6-8% di rame, l’1,5% di silicio (il resto è a.) e adatti per getti (sotto pressione) con contorni precisi e piccole tolleranze. Prospettive promettenti presentano i composti a matrice di a., costituiti da fibre di carburo di silicio, allumina, boro ecc., caratterizzate da alta resistenza e da elevato modulo elastico, disperse in una matrice di alluminio.

Composti

Acetato di a. Sale dell’acido acetico, Al(CH₃COO)₃; si ottiene per reazione, a 90 °C, di etilato di a. e anidride acetica; polvere bianca amorfa, instabile al calore, solubile in acqua, usata in medicina, in soluzione acquosa al 5%, come astringente e antisettico. È noto in diverse forme basiche di cui il diacetato si usa in soluzione acquosa, come mordente in tintoria, per impermeabilizzare tessuti. È dotato di proprietà antiessudative, decongestionanti nelle contusioni ecc.

Alluminioalchile Composto dell’a. con radicali alchilici (R), AlR₃, preparato per reazione del cloruro di a. anidro con i sali di alchilmagnesio e impiegato nei processi di polimerizzazione delle olefine. I derivati trimetilici e trietilici sono liquidi che si accendono all’aria e si decompongono con esplosione al contatto dell’acqua. Arseniato di a. Sale dell’acido arsenico AlAsO₄; polvere bianca, insolubile in acqua, solubile negli acidi, dotata di azione insetticida.

Bromuro di a. Sale dell’acido bromidrico, AlBr₃; si ottiene per combinazione diretta degli elementi; cristalli bianchi o gialli deliquescenti, solubili in alcol ed etere; usato in sintesi organiche e come catalizzatore nelle reazioni di Friedel-Crafts, in quelle d’isomerizzazione e nel cracking.

Carburo di a. Composto del carbonio con a., Al₄C₃; si ottiene per riscaldamento in forno elettrico di un miscuglio di ossido di a. e coke; cristalli gialli che in acqua si decompongono con sviluppo di metano e con formazione di idrossido di alluminio. Si usa in sintesi organiche (produzione d’idrocarburi alifatici ecc.).

Fluoruro di a. Ha formula AlF₃ e viene preparato o dalla fusione del solfato di alluminio con criolite o con fluoruri di sodio e di magnesio o per attacco al calor rosso dell’allumina con acido fluoridrico. Trova applicazione quale additivo nei bagni elettrolitici di preparazione del metallo.

Formiato di a. Sale dell’acido formico, Al(HCOO)₃∙3H₂O; polvere bianca, cristallina, finemente suddivisa; si ottiene per evaporazione di una soluzione di idrossido di a. contenente un eccesso di acido formico; usato come impermeabilizzante per tessuti, come mordente in tintoria, come coagulante del lattice di gomma ecc.

Fosfato di a. Sale dell’acido fosforico, AlPO₄; si ottiene per doppio scambio da solfato di a. e fosfato di sodio; cristalli bianchi impiegati in ceramica, nella preparazione di cementi per dentisti ecc. Naftenato di a. Sale dell’acido naftenico; si prepara per doppio scambio da un naftenato alcalino con un sale di a.; massa gialla gommosa impiegata come essiccativo per vernici e come insetticida.

Nitrato di a. Sale dell’acido nitrico, Al(NO₃)₃∙9H₂O; si ottiene sciogliendo in tale acido l’a.; cristalli bianchi solubili in acqua, alcol e acetone, impiegati come mordenti in tintoria, nella concia del cuoio ecc. Oleato di a. Sale dell’acido oleico, di formula Al(C₁₈H₃₃O₂)₃; è una massa viscosa gialla insolubile in acqua, solubile in alcol e benzene, che si ottiene per reazione fra idrossido di a. e acido oleico; impiegato come impermeabilizzante, come essiccativo per vernici, come addensante per oli lubrificanti e in medicina come antisettico nelle malattie della pelle.

Solfato di a. Sale dell’acido solforico Al₂ (SO₄)₃, noto nella forma anidra e in diverse forme idrate e basiche, alcune delle quali si ritrovano in natura come minerali. Per il commercio si prepara trattando con acido solforico la bauxite bianca o il caolino o l’idrossido di a.; forma cristalli bianchi, solubili in acqua, insolubili in alcol. Viene impiegato nella concia delle pelli, nell’industria della carta, come deodorizzante e decolorante di prodotti petroliferi e principalmente come chiarificante per acqua, oli, grassi ecc. È dotato di azione astringente ed emostatica locale.

Solfato di a. e sodio Allume sodico, solfato doppio di a. e sodio, Al₂(SO₄)₃∙Na₂SO₄∙24H₂O, noto anche in natura come minerale con il nome di mendozite. Si ottiene aggiungendo al solfato di a. una soluzione di solfato di sodio; cristalli incolori di sapore astringente, efflorescenti all’aria, solubili in acqua, insolubili in alcol; usato come mordente in tintoria, come impermeabilizzante per tessuti, nella raffinazione dello zucchero, nella chiarificazione delle acque ecc.

Tricloruro di a. Sale dell’acido cloridrico, AlCl₃; si ottiene facendo passare una corrente di cloro sopra un miscuglio di allumina e carbone; il composto esiste in realtà sotto forma di molecole Al₂Cl₆. Cristalli bianchi, solubili in acqua e alcol; impiegato come catalizzatore in sintesi organiche (reazioni di Friedel-Crafts) e in diversi processi industriali.

Per l’ossido di a. ➔ allumina. Per il solfato di a. e potassio ➔ allume.

Produzione

La metallurgia dell’a. è un’industria di base per le moltissime utilizzazioni del prodotto. La produzione mondiale di a., che superava appena i 2 milioni di t intorno al 1950, era più che raddoppiata dieci anni dopo e raggiungeva i 13 milioni di t nel 1974 (comprendendo la prima e la seconda fusione). Nel corso degli anni 1990, ha proseguito nell’andamento ascendente, fino a raggiungere nel 2006 più di 33 milioni di t, anche se i tassi di incremento si sono progressivamente ridotti. L’incidenza dei paesi a ritardo economico è di anno in anno maggiore: in particolare una considerevole espansione produttiva si è avuta in Brasile, India e Cina, che ha prodotto circa 9,2 milioni di t di a. nel 2007. La localizzazione degli impianti di trasformazione inizialmente è stata poco richiamata dalla materia prima, cioè i giacimenti di bauxite (per gran parte ubicati in paesi del Terzo Mondo o in via di sviluppo), subendo invece l’attrazione delle fonti di energia elettrica oltre che dei mercati di consumo. Successivamente si è manifestata un’ampia diffusione di questo tipo di metallurgia, con nuovi impianti realizzati in prossimità del minerale, anche al fine di innescare processi di crescita in regioni dall’economia arretrata; mentre alcuni paesi produttori di bauxite si sono dotati di impianti di prima lavorazione, esportando così anche allumina.