Al · Elemento 13 · Metallo post-transizione
Un tempo più prezioso dell'oro, oggi il metallo più utilizzato dopo il ferro — perché qualcuno ha trovato il modo di elettrolizzarlo a basso costo.
Struttura
Non è un diagramma di punti su gusci — è un campione Monte Carlo dell'effettiva densità di probabilità |ψ|² per ogni sottoguscio occupato. Trascinate per ruotare. Il blu e il violetto indicano i segni opposti della funzione d'onda, che rendono possibile la formazione dei legami.
Valori misurati
Ogni barra mostra dove si colloca alluminio tra tutti i 118 elementi per quella proprietà.
Fonti: masse atomiche standard IUPAC 2021 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. I valori contrassegnati con ~ sono previsti anziché misurati.
Dimensioni, in scala
Raggio 143 pm — cioè 0,143 nm, quindi ne servirebbero circa 3,5 milioni affiancati per coprire un millimetro.
Intervallo termico
Alluminio è liquido in un intervallo di 1859 K, da 933 K a 2792 K.
Dove si trova
La storia
L'alluminio è il metallo miracoloso passato da prezioso a onnipresente in soli 100 anni. Un tempo più prezioso dell'oro (Napoleone III serviva ai suoi ospiti più illustri posate di alluminio, mentre agli ospiti di rango inferiore venivano date posate d'oro), questo metallo leggero è oggi così comune che lo gettiamo via. Il Monumento a Washington è sormontato da un elemento di alluminio: nel 1884 era il metallo più costoso sulla Terra. Il processo Hall-Héroult cambiò tutto nel 1886, rendendo conveniente l'estrazione dell'alluminio e inaugurando l'era dell'aviazione. Gli aerei volano perché l'alluminio è resistente, ma pesa un terzo dell'acciaio. Il vostro antitraspirante contiene alluminio per bloccare le ghiandole sudoripare, mentre il foglio di alluminio in cucina riflette il 95% della radiazione infrarossa. Il riciclo dell'alluminio richiede solo il 5% dell'energia necessaria per produrre nuovo alluminio, rendendo quella lattina di bibita riciclabile all'infinito.
La scoperta dell'alluminio abbraccia più di due millenni, dalle civiltà antiche alle innovazioni chimiche del XIX secolo. Questa storia coinvolge menti brillanti, spionaggio industriale e la trasformazione del "metallo dei re" in un materiale di uso quotidiano.
La storia inizia nell'antica Roma intorno al 400 a.C., dove la parola "alumen" indicava sali astringenti usati per la tintura e la concia. Il naturalista romano Plinio il Vecchio (23-79 d.C.) documentò le proprietà dell'allume nella sua enciclopedia "Naturalis Historia", descrivendo inconsapevolmente composti dell'alluminio utilizzati da secoli.
Nel 1761, il chimico francese Louis-Bernard Guyton de Morveau propose che l'allume contenesse un metallo allora sconosciuto, coniando il termine "alumine" per quello che oggi chiamiamo ossido di alluminio. Questo preparò il terreno per il successivo isolamento del metallo.
Il chimico britannico Sir Humphry Davy (1778-1829) tentò per primo di isolare l'alluminio mediante elettrolisi nel 1807. Utilizzando la sua batteria elettrica appena inventata, Davy riuscì a isolare potassio e sodio, ma incontrò difficoltà a causa dell'elevato punto di fusione dell'ossido di alluminio (2,072°C). Sebbene non riuscisse a isolare alluminio puro, Davy chiamò il metallo ipotetico "aluminum" nel 1812, successivamente modificato in "aluminium" per uniformarlo agli altri nomi degli elementi che terminano in "-ium."
Il fisico e chimico danese Hans Christian Ørsted (1777-1851) ottenne il primo isolamento dell'alluminio il 29 agosto 1825. Utilizzando un amalgama di potassio per ridurre il cloruro di alluminio, Ørsted produsse minuscole goccioline metalliche. Il suo metodo prevedeva il riscaldamento del cloruro di alluminio con potassio in un tubo chiuso, creando i primi campioni conosciuti di alluminio metallico.
Il chimico tedesco Friedrich Wöhler (1800-1882) migliorò il metodo di Ørsted, utilizzando potassio metallico invece dell'amalgama. Il 21 luglio 1827, Wöhler produsse polvere di alluminio e piccole palline, diventando il primo a osservare le principali proprietà dell'alluminio: leggerezza, resistenza all'ossidazione e lucentezza metallica. Descrisse notoriamente l'alluminio come avente "il colore e la lucentezza dello stagno."
Il chimico francese Henri Étienne Sainte-Claire Deville (1818-1881) rivoluzionò la produzione dell'alluminio nel 1854. Il suo metodo di riduzione chimica mediante sodio rese l'alluminio commercialmente disponibile per la prima volta. L'imperatore Napoleone III di Francia finanziò le ricerche di Deville, immaginando armature e attrezzature in alluminio per il suo esercito.
Durante quest'epoca, l'alluminio era più prezioso dell'oro. Napoleone III mostrava posate di alluminio durante i banchetti di stato, riservandole agli ospiti più importanti, mentre gli altri utilizzavano utensili d'oro. Il pinnacolo del Washington Monument, completato nel 1884, era realizzato con 100 once di alluminio, che allora valevano quanto lo stipendio annuale di un operaio.
Due giovani chimici brillanti scoprirono indipendentemente il processo elettrolitico che rese l'alluminio accessibile a tutti:
A 22 anni, mentre lavorava nella legnaia della sua famiglia a Oberlin, Ohio, Hall scoprì l'elettrolisi dell'alluminio il 23 febbraio 1886. Utilizzando le padelle di ferro della sorella Julia e una batteria elettrica fatta in casa, Hall sciolse l'ossido di alluminio nella criolite fusa e vi fece passare corrente elettrica, producendo goccioline di alluminio puro.
Anche lui a 22 anni, Héroult fece la stessa scoperta appena due mesi dopo, il 9 aprile 1886. Lavorando nella conceria di suo padre a Gentilly, in Francia, Héroult sviluppò indipendentemente lo stesso identico processo. Entrambi gli uomini nacquero nel 1863 e morirono nel 1914: una coincidenza straordinaria nella storia della scienza.
Il processo Hall-Héroult ridusse il prezzo dell'alluminio da $545 per libbra (anni 1850) a $0.68 per libbra (1900), con una riduzione del prezzo del 99.8%. Questa svolta diede inizio all'industria moderna dell'alluminio:
Oggi l'industria dell'alluminio produce oltre 65 milioni di tonnellate all'anno, rendendo possibile l'aviazione moderna, l'esplorazione spaziale e un imballaggio sostenibile. Il processo Hall-Héroult, rimasto sostanzialmente invariato dal 1886, è ancora alla base della produzione di alluminio in tutto il mondo: una testimonianza del genio di due chimici di 22 anni che trasformarono la civiltà.
Applicazioni
La combinazione unica di leggerezza, resistenza e resistenza alla corrosione dell'alluminio lo rende indispensabile in numerosi settori. Con una densità di soli 2.7 g/cm³, circa un terzo di quella dell'acciaio, l'alluminio ha rivoluzionato i trasporti e l'edilizia.
L'industria aerospaziale consuma quasi il 20% della produzione mondiale di alluminio. Le strutture degli aeromobili utilizzano la lega di alluminio 2024 (Al-Cu-Mg) per la costruzione delle fusoliere, offrendo un eccezionale rapporto resistenza/peso. Il Boeing 787 Dreamliner contiene oltre il 20% di alluminio in peso, mentre i moderni caccia come l'F-35 Lightning II utilizzano leghe avanzate di alluminio-litio, che sono più leggere del 10% e più rigide del 15% rispetto alle leghe di alluminio convenzionali.
I veicoli moderni incorporano l'alluminio nei blocchi motore, nelle scatole del cambio e nei pannelli della carrozzeria. Il Ford F-150 (2015+) presenta una carrozzeria interamente in alluminio che ha ridotto il peso di 700 libbre, migliorando l'efficienza dei consumi del 20%. La Tesla Model S utilizza una struttura spaziale in alluminio, con la lega di alluminio 6061-T6 che offre una protezione ottimale dagli urti mantenendo l'integrità strutturale.
Le applicazioni architettoniche dell'alluminio includono facciate continue, telai per finestre e sistemi di copertura. Il processo di anodizzazione crea uno strato protettivo di ossido spesso fino a 25 micrometri, offrendo un'eccellente resistenza agli agenti atmosferici. Il Burj Khalifa di Dubai utilizza oltre 1,500 tonnellate di alluminio nel sistema della facciata, mentre i caratteristici gusci della Sydney Opera House sono rivestiti con piastrelle di alluminio disposte a motivo chevron.
La conduttività elettrica dell'alluminio (37.7 MS/m) lo rende ideale per la trasmissione di energia. I cavi Aluminum Conductor Steel Reinforced (ACSR) trasportano l'elettricità attraverso i continenti: l'alluminio fornisce la conduttività, mentre l'anima in acciaio aggiunge resistenza alla trazione. Le linee di trasmissione ad alta tensione utilizzano l'alluminio perché il suo peso ridotto richiede meno tralicci di sostegno rispetto al rame.
I dispositivi elettronici sfruttano la conducibilità termica dell'alluminio (205 W/m·K) per dissipare il calore. Gli involucri dei MacBook sono lavorati a partire da singoli blocchi di alluminio mediante fresatura CNC, mentre le cornici degli smartphone utilizzano la lega di alluminio 6013 per la schermatura elettromagnetica. I dissipatori di calore dei LED sfruttano le proprietà termiche dell'alluminio per prevenire il surriscaldamento e prolungare la vita utile dei componenti.
L'alluminio fa parte della nostra vita quotidiana in innumerevoli modi, spesso invisibili ma sempre essenziali. Dal momento in cui ci svegliamo fino a quando andiamo a dormire, i prodotti in alluminio ci circondano.
Gli americani consumano circa 54 miliardi di lattine di alluminio all'anno: sono circa 170 lattine per persona. Se queste lattine fossero disposte una di seguito all'altra, farebbero il giro della Terra più di 160 volte.
Da dove proviene
82300 mg/kg della crosta terrestre · più abbondante del 98% degli elementi
L'alluminio è il terzo elemento più abbondante nella crosta terrestre e ne costituisce circa l'8.23% in peso - risultando più comune del ferro. Nonostante questa abbondanza, in natura l'alluminio non si trova mai in forma metallica pura a causa della sua elevata reattività.
La bauxite contiene il 45-60% di ossido di alluminio (Al₂O₃) ed è la principale fonte mondiale di alluminio. Esistono importanti giacimenti in:
I minerali contenenti alluminio più abbondanti nella crosta terrestre, tra cui:
Minerali secondari dell'alluminio formati dall'alterazione meteorica:
Il viaggio cosmico dell'alluminio ebbe inizio nel cuore delle stelle massicce attraverso la nucleosintesi stellare. Durante la vita di una stella, i processi di combustione del silicio creano l'alluminio-26 (²⁶Al), un isotopo radioattivo con un tempo di dimezzamento di 720,000 anni. Quando queste stelle esplodono come supernove, disperdono l'alluminio in tutta la galassia.
Il nostro sistema solare contiene alluminio proveniente da molteplici generazioni stellari. I meteoriti, in particolare le condriti carbonacee, conservano composti di alluminio incontaminati della nebulosa solare di 4.6 miliardi di anni fa. Il meteorite Allende (caduto nel 1969) contiene inclusioni ricche di alluminio chiamate CAI (inclusioni ricche di Calcio e Alluminio), i materiali più antichi conosciuti nel nostro sistema solare.
Sebbene l'alluminio costituisca l'8% della crosta terrestre, non svolge alcun ruolo biologico essenziale noto. Tuttavia, influisce significativamente sulla crescita delle piante nei terreni acidi, dove gli ioni Al³⁺ diventano solubili e tossici per gli apparati radicali. Alcune piante, come il tè (Camellia sinensis) e alcune felci, hanno sviluppato meccanismi di tolleranza all'alluminio, accumulando effettivamente il metallo nei propri tessuti.
Era precambriana (3.8-0.54 miliardi di anni fa): Concentrazione iniziale dell'alluminio nella crosta terrestre attraverso la differenziazione e l'attività vulcanica.
Paleozoico-Mesozoico (540-66 milioni di anni fa): Formazione dei principali giacimenti di bauxite attraverso l'alterazione tropicale di rocce ricche di alluminio.
Era cenozoica (da 66 milioni di anni fa a oggi): Formazione continua di bauxite nelle regioni tropicali, con la formazione dei giacimenti australiani avvenuta 35-55 milioni di anni fa.
Manipolazione
Sebbene l'alluminio sia generalmente considerato sicuro per l'uso quotidiano, una manipolazione corretta e la consapevolezza dei potenziali pericoli sono essenziali, soprattutto negli ambienti industriali e per le persone con sensibilità specifiche.
OSHA PEL: 15 mg/m³ (polvere totale), 5 mg/m³ (frazione respirabile)
Rischio: L'inalazione di polvere di alluminio può causare fibrosi polmonare ("polmone da alluminio") nei lavoratori industriali. La saldatura dell'alluminio rilascia fumi di ossido di alluminio che possono causare la febbre da fumi metallici.
Sintomi: Tosse, respiro corto, oppressione toracica, sintomi simili a quelli influenzali
Stato della ricerca: Dati limitati suggeriscono che un'elevata esposizione all'alluminio possa contribuire a disturbi neurologici
Popolazioni a rischio: Persone affette da malattie renali che non riescono a eliminare efficacemente l'alluminio
Precauzione: Evitate di usare pentole di alluminio con alimenti acidi (pomodori, agrumi), che aumentano la lisciviazione dell'alluminio
Potenziale irritante: Rischio minimo causato dall'alluminio solido; i sali di alluminio possono provocare irritazione cutanea
Reazioni allergiche: Casi rari ma documentati di allergia all'alluminio, soprattutto causati dagli antitraspiranti
Sintomi: Arrossamento, prurito, dermatite da contatto nelle persone sensibili
Polvere di alluminio: La polvere fine di alluminio è altamente combustibile ed esplosiva
Fonti di ignizione: Elettricità statica, scintille, fonti di calore superiori a 760°C
Estinzione degli incendi: Usate estintori a polvere secca; NON usate mai acqua sugli incendi di alluminio
Conservazione: Conservate la polvere in contenitori sigillati e collegati a terra, lontano dagli ossidanti
Risciacquate immediatamente con acqua pulita per 15 minuti. Rimuovete le lenti a contatto se facilmente estraibili. Consultate un medico se l'irritazione persiste.
Lavate l'area interessata con acqua e sapone. Rimuovete gli indumenti contaminati. In caso di tagli causati dall'alluminio, pulite la ferita e applicate un antisettico.
Spostatevi immediatamente all'aria aperta. In caso di difficoltà respiratorie, somministrate ossigeno e consultate immediatamente un medico.
Sciacquate la bocca con acqua. NON provocate il vomito. Consultate un medico se sono state ingerite grandi quantità o se si manifestano sintomi.
• L'alluminio è generalmente sicuro nei prodotti di consumo quando viene usato come previsto
• I lavoratori industriali devono seguire tutte le linee guida OSHA e i protocolli di sicurezza aziendali
• Le persone affette da malattie renali devono consultare un medico in merito all'esposizione all'alluminio
• Leggete sempre le schede di dati di sicurezza (SDS) per i composti specifici dell'alluminio
Risposte rapide
Alluminio (simbolo Al) è l'elemento 13 nella tavola periodica, appartenente a metallo post-transizione nel periodo 3, gruppo 13. Un tempo più prezioso dell'oro, oggi il metallo più utilizzato dopo il ferro — perché qualcuno ha trovato il modo di elettrolizzarlo a basso costo. A temperatura ambiente è un solido.
[Ne] 3s² 3p¹, con 3 gusci occupati e la distribuzione 2, 8, 3. Il suo guscio esterno contiene 3 elettroni, e questo determina il suo comportamento nei legami.Alluminio fonde a 933.5 K (660.3 °C) ed entra in ebollizione a 2792 K (2518.9 °C).
La massa atomica standard di Alluminio è 26.982 u. Si tratta di una media ponderata dei suoi isotopi presenti in natura, per questo raramente è un numero intero.
Alluminio ha una densità di 2.7 g/cm³. L'acqua ha una densità di 1.0 g/cm³, quindi un blocco di Alluminio è circa 2.7× più pesante.
Alluminio ha un'elettronegatività di Pauling pari a 1.61. La scala va da 0.70 (francio, il meno incline ad attirare elettroni) a 3.98 (fluoro, il più incline). I valori in questa fascia intermedia tendono a formare legami covalenti anziché legami fortemente ionici.
Alluminio è stato scoperto nel 1825 da Hans Christian Orsted. Prende il nome da dal latino alumen, "allume".
Alluminio costituisce informazioni 8.23% della crosta terrestre: è uno degli elementi più abbondanti che esistano.