Elementi della Tavola Periodica: Alluminio, Al

Alberto Zanelli*

L’alluminio (Al) è l’elemento con numero atomico 13 e si trova nel terzo periodo, tredicesimo gruppo (IIIA), dell’attuale sistema periodico degli elementi. Con una abbondanza relativa del 8% é il terzo elemento più presente sulla crosta terrestre dopo ossigeno e silicio. In natura si trova con i soli isotopi 27Al, quasi 100% del totale , 26Al (dalla spallazione dei raggi cosmici) ; sempre ossidato, sotto forma di feldspati, miche, argille e caolini. L’ossido puro è il corindone, gemma con durezza Mohs pari a 9 (il diamante sta a fondo scala cioè a 10), di cui alcune varietà sono note come rubino e zaffiro. Per l’estrazione del metallo si ricorre all’ossido idrato (bauxite). A causa del basso potenziale standard di riduzione (E0 = -1.66 V), non è possibile ottenere il metallo per riduzione ad alta temperatura con coke, come per ferro e rame, ma è necessario ricorrere ad un processo elettrochimico, come per magnesio e titanio.

Nel processo Hall-Heroult (1886) la bauxite viene fusa a circa 1000°C con criolite (3NaF·AlF3) che più recentemente è stata sostituita con miscele artificiali di fluoruri di sodio, alluminio e calcio. La riduzione avviene alla base della cella elettrolitica contro anodi di carbone con un dispendio di energia che oggi è circa 14 kWh per 1 kg di Al, secondo la reazione di cella: [1]

2Al2O3 + 3C → 4Al + 3CO2

Ne esce il metallo fuso (punto di fusione di Al 660°C) con un titolo del 99.4 – 99.9%. Recentemente Alcoa ha introdotto una preventiva conversione in carburo di Al e Calsmelt ha ridotto le temperature di esercizio aggiungendo rottami di alluminio nella miscela di minerali fusi, abbassando i consumi energetici.

Nel 2017 la produzione mondiale di Al primario è stata circa 63,4 milioni di tonnellate, di cui il 57% in Cina e solo il 12% in Europa, con un assorbimento di circa il 3,5% della produzione elettrica mondiale. L’elevato costo dell’energia, insieme alla riduzione della richiesta interna e all’aumento del riciclaggio, è il motivo per cui Italia, Paesi Bassi e Regno Unito hanno abbandonato, negli ultimi anni, la produzione di Al primario.[2] Nel 2012 in UE si estraevano poco più di due milioni di tonnellate di bauxite tra Grecia, Francia e Ungheria mentre la produzione di allumina, usata principalmente nei refrattari, raggiungeva 5,6 milioni di tonnellate. La produzione europea di Al soffre anche dell’incertezza sull’approvvigionamento di fluoruro di calcio (fluorite) che la UE importa peri il 70%, principalmente dalla Repubblica Popolare Cinese, responsabile di 2/3 dell’estrazione mondiale.[3] In Italia la bauxite non si estrae più dal 2016, l’allumina dal 2010 e si è ridotta drasticamente anche l’estrazione di fluorite. Era di fluorite la miniera per cui vennero maldestramente costruiti i bacini di decantazione dell’impianto di flottazione che crollarono il 19 luglio 1985 provocando 268 morti in Val di Stava (TN), ma questa è un’altra storia. Resta il fatto che i consumi energetici, le crisi nell’approvvigionamento delle materie prime e i rischi derivanti dall’attività industriale sono tre aspetti interconnessi su cui interrogarsi quando si ragiona sul nostro modello economico anche per un metallo così familiare come Al.

Dopo il ferro, Al è il metallo più utilizzato soprattutto grazie alla sua bassa densità (2690 kg m-3 a 20°C) e alla resistenza alla corrosione dovuta alla formazione spontanea di uno strato protettivo per reazione con l’ossigeno (passivazione). Grazie al punto di fusione relativamente basso Al può essere lavorato per pressofusione in stampi di acciaio o per idroformatura. Le leghe leggere basate su Al, magnesio, rame e zinco a seconda dell’uso, sono utilizzate in aeronautica, ma anche per scafi di imbarcazioni e particolari di automobili sportive. Lo strato di passivazione può essere ispessito con il così detto processo di anodizzazione che ne consente anche una tenace colorazione: per questo Al è largamente usato per la realizzazione di infissi in edilizia.

Figura 1. Manufatti in alluminio: bicicletta, cartellonistica, infissi e, riflessa sul vetro, linea di alta tensione (foto A. Zanelli).

Per la sua buona conducibilità elettrica Al, puro o in lega con Manganese e Silicio per aumentarne il carico di rottura in trazione, sostituisce il rame nelle linee elettriche aeree poiché consente di realizzare cavi che gravano meno sui tralicci di sostegno. Per la sua buona conducibilità termica invece viene utilizzato negli scambiatori di calore mentre leghe Al-silicio-rame si utilizzano per parti di motori.[4]

La versatilità di questo metallo e delle sue leghe ha consentito a ingegneri e stilisti una grande libertà di progettazione per realizzare una miriade di oggetti per uso professionale, sportivo e domestico. Al Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia “Leonardo da Vinci” di Milano, nell’esposizione permanente dedicata ad Al, è esposta un’ampia campionatura di questi oggetti.

Al è molto utilizzato anche per gli imballaggi tanto che, nel 2017 solo in Italia, ne sono stati immesse al consumo 65.000 tonnellate delle quali il 90% riguarda il settore alimentare e oltre 40.000 tonnellate sono ad uso domestico. In quell’anno il 63,4% degli imballaggi in Al è stato riciclato superando l’obiettivo per il 2025 (50%) e sfiorando quello per il 2030 (65%) che era stato superato però nel 2016 con un riciclaggio del 72%.[5] Per riciclare Al è sufficiente separarlo da altri rifiuti, pretrattarlo a 500°C per bruciare vernici ed etichette, rifonderlo a 800°C in atmosfera inerte, descorificare, e colare in lingotti o placche, la resa sul rottame iniziale è dell’87% ma il risparmio sull’energia ―e sulle relative emissioni di CO2― che si consumerebbe per la produzione del metallo primario dai minerali è del 95%.[6]

Figura 2. Utilizzo di Al come imballaggio.

Sempre nel settore imballaggi, piccole quantità di Al sono fatte aderire in fogli sottili o spruzzate su materiali diversi (cartone o plastiche) per ottenere un effetto barriera all’ingresso dell’ossigeno e consentire una maggiore durata delle derrate alimentari ivi contenute in atmosfera inerte. Il recupero da questi materiali poliaccoppiati è però estremamente difficile.

Nel corpo umano Al è presente in concentrazioni inferiori alla parte per milione e, in rapporto all’abbondanza relativa, si colloca al penultimo posto sopra al silicio nella graduatoria degli elementi su cui pare essersi evoluto Homo sapiens. In generale sembra che Al non sia essenziale per gli esseri viventi ma non sia neanche particolarmente tossico, nonostante l’elevata concentrazione nella litosfera e i complessi cicli geochimici che lo mettono continuamente in contatto con la biosfera. Ma se la lenta evoluzione della Vita è rimasta pressoché indifferente ad Al, l’Uomo, nella sua breve storia, ha dapprima sapientemente usato i minerali di Al poi, a partire dal ‘900, forse anche per il valore strategico nell’aereonautica, ha massicciamente introdotto il metallo nel suo armamentario tecnologico facendone uno dei materiali su cui si basa l’impennata del nostro sviluppo negli ultimi decenni. Il frequente uso dei Al nella vita di tutti i giorni, ma ancor di più l’inacidimento delle precipitazioni determinato dall’attività antropica sta aumentando l’esposizione ambientale ad Al e i sospetti di correlazione con l’aumento di casi di alcune patologie tipiche del nostro tempo. [7]

Proprio al controllo di Al nell’acqua potabile è legato un bel ricordo dei miei primi anni da laureato in chimica quando, nella calda mattina del ferragosto ’97, durante il mio stage estivo presso il laboratorio di controllo delle acque dell’allora SeaBo, la concentrazione di Al in un impianto di potabilizzazione sull’Appennino superò il livello di guardia.

Figura 3. Il cloruro di alluminio allo stato solido si presenta con catene di eleganti ottaedri uniti su un lato, centrati sul’atomo di Al e con gli atomi di cloro nei vertici (https://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium_chloride)

L’impianto usava “polialluminio cloruro” come agente floculante e, a causa di un anomalo aumento di temperatura del bacino di captazione, cominciò a liberare Al. L’unico tecnico in servizio quella mattina si mosse per andare a risolvere il problema e, non potendo entrare in impianto da solo per motivi di sicurezza, mi chiese di accompagnarlo, con l’unica consegna di chiamare i soccorsi in caso d’incidente. Così io potei fare la mia scampagnata di ferragosto. Grazie alluminio!

[1] World aluminium.

[2] M. Conserva, La produzione mondiale di alluminio primario, A&L 21/02/2019.

[3] Deloitte Sustainability, British Geological Survey, Bureau de Recherches Géologiques et Minières, Netherlands Organisation for Applied Scientific Research, Study on the review of the list of Critical Raw Materials. Critical Raw Materials Factsheets, 2017.

[4] AA. VV. Enciclopedia della Chimica Garzanti, Garzanti editore, Milano, 1998.

[5] I.S.P.R.A Rapporto rifiuti urbani edizione 2018.

[6] CIAL – Consorzio Imballaggi in Alluminio.

[7] C. Exley J. Inorg. Biochem. 97 (2003) 1–7.

* Alberto Zanelli, consigliere del Gruppo Interdivisionale per la Diffusione della Cultura Chimica della S.C.I., si è laureato in Chimica e si è specializzato in Metodologie chimiche di controllo e di analisi presso l’Università di Bologna. Si è occupato di elettrochimica ed igiene industriale è ricercatore presso l’Istituto per la Sintesi Organica e la Fotoreattività del Consiglio Nazionale delle Ricerche dove si è occupato di materiali organici per l’elettronica, sensori e processi avanzati di ossidazione per la riqualificazione delle acque. Consigliere nel Gruppo interdivisionale per la divulgazione della cultura chimica della Società chimica italiana, è coinvolto in alcuni progetti di divulgazione scientifica.

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