I metalli

Metalli e leghe

I metalli sono tra i materiali più utilizzati in ogni campo, dall’edilizia, all’industria (meccanica, aerospaziale, elettrica, chimica…), all’arredamento, all’arte… Essi hanno caratteristiche comuni, che elencheremo brevemente. Tra gli elementi della tavola periodica essi rappresentano oltre il 78 %. Tranne alcuni casi, però (ad es. il rame per i cavi elettrici), essi non vengono usati puri, in quanto hanno caratteristiche meccaniche scarse (ad es. il ferro puro è tenero e facilmente deformabile), ma in leghe, che sono materiali formati da due o più elementi e che possono essere soluzioni solide (come l’ottone, formato da rame e zinco) o contenere veri e propri composti chimici, come nel caso dell’acciaio (lega di ferro e carbonio, che contiene composti del tipo Fe3C, detto cementite).

Lo stato metallico
Lo stato metallico si caratterizza per un aspetto tipico (lucentezza metallica), buona conducibilità termica ed elettrica, duttilità e malleabilità (cioè capacità di lasciarsi ridurre in fili o in lamine sottili). Tutte queste caratteristiche sono dovute al particolare legame esistente tra gli atomi del metallo (l. metallico), in cui tutti gli atomi del metallo condividono tutti i propri elettroni esterni o di valenza, che risultano così mobili all’interno del metallo stesso.
Dal punto di vista fisico, vi sono metalli che sono liquidi a temp. ambiente (mercurio), altri che fondono a temp. di poco superiori (es. cesio 28 °C e gallio 29,7 °C), mentre altri hanno temp. di fusione estremamente elevate (es. tantalio 2996 °C, renio 3180 °C e tungsteno 3410 °C).
Dal punto di vista chimico, la maggior parte dei metalli (con l’eccezione dei metalli nobili come oro, platino ecc.) tende a formare composti con l’ossigeno detti ossidi, e quindi ad alterarsi all’aria, specie se umida e in presenza di sali. Molti metalli, tuttavia, si ricoprono di uno strato compatto ed impermeabile di ossido che protegge così il metallo sottostante. È il caso di alluminio, zinco, piombo, rame. Il ferro, al contrario, forma un ossido idrato poroso  (ruggine), con aumento di volume di 6 volte. Il materiale così si disgrega un po’ alla volta, sino alla completa distruzione del manufatto. Gli oggetti in ferro (o in acciaio), specie se destinati all’esterno, devo quindi essere opportunamente protetti, mediante verniciatura, ricopertura con materie plastiche, zincatura ecc..

Principali metalli, leghe e loro usi.

Alluminio. È un metallo leggero (peso spec. 2,7, ca. 1/3 di quello del ferro), di colore bianco-argenteo. Si ricava dal suo ossido bauxite per elettrolisi. Duttile e malleabile, si usa soprattutto per costruzione aeronautiche e automobilistiche, per contenitori, anche alimentari (es. i tubetti di dentifricio), nell’edilizia (telai di porte e finestre). Per proteggerlo maggiormente dalla corrosione e per migliorarne l’aspetto si usa la anodizzazione, che consiste in un’elettrolisi effettuata sull’alluminio (che funge da anodo, cioè da elettrodo positivo) in acido solforico. In questo modo si forma sul materiale una pellicola di ossido duro e resistente, che si può anche colorare aggiungendo al bagno apposite lacche. Frequentemente, in luogo dell’alluminio puro, si usano le sue leghe come il duralluminio (a base di Al e Cu). In polvere è usato per produrre le vernici metallizzate.

Rame. È un metallo impiegato fin dall’antichità, dal caratteristiche colore rosso, leggermente più pesante del ferro. Si ottiene dai suoi minerali quali la calcopirite (CuFeS2), la malachite (CuCO3 ∙  Cu(OH)2), la cuprite Cu2O ecc.. Per le sue caratteristiche di ottimo conduttore termico ed elettrico viene impiegato nella condutture dell’acqua e nei cavi elettrici, anche perché ha una discreta resistenza alla corrosione. È stato a lungo impiegato anche per produrre pentole, paioli ecc.. La sua resistenza agli agenti atmosferici lo rende adatto a produrre grondaie, converse ecc.. All’aria diventa scuro per la formazione di ossido CuO o verde per la formazione del verderame (malachite). Le sue due principali leghe sono il bronzo, assieme allo stagno, e l’ottone, in lega con lo zinco. Il bronzo ha un’ottima resistenza alla corrosione, unita ad una notevole durezza. È largamente impiegato nell’industria meccanica (ad es. per le bronzine). Di bronzo sono fabbricate le campane; si usa anche, dato che si lavora bene per fusione, per statue, oggetti d’arte ecc.. L’ottone, dal caratteristico colore oro, è anch’esso resistente alla corrosione ed è impiegato, oltre che nell’industria e  nella saldatura dei metalli, per molti oggetti nel campo dell’edilizia (maniglie di porte e finestre) e dell’arredamento (maniglie di mobili, accessori per la casa ed il bagno altre finiture). Per garantirne la conservazione è spesso trattato con vernici trasparenti.
Piombo. È un metallo pesante (peso spec. 11,3), di colore grigio-azzurro, che si ricopre facilmente di ossido di colore grigio opaco. Si ricava soprattutto dalla galena (PbS). Tenero e molto malleabile, può sopportare senza fratturarsi notevoli deformazioni. Per queste sue caratteristiche è stato largamente impiegato, fin dall’epoca romana, per fabbricare tubi. La sua tossicità l’ha poi fatto abbandonare, e in epoca più recente è stato usato solo per fabbricare tubi di scarico, per la sua facile lavorabilità e saldabilità. Attualmente è stato sostituito per questi impieghi dal PVC. Per la sua resistenza alla corrosione è stato impiegato in lastre per la copertura di terrazze e tetti. Si usa anche per produrre le batterie al piombo, e in lega con l’antimonio per produrre pallini da caccia e caratteri da stampa. Lo stagno per saldare è una lega di stagno e piombo.

Zinco. È un metallo di colore bianco-bluastro, leggermente più leggero del ferro. Si ricava soprattutto dal solfuro blenda (ZnS). All’aria umida si ricopre di uno strato di ossido di ossido color cenere, che protegge il metallo sottostante. Per questo motivo è usato soprattutto per rivestire l’acciaio (zincatura), rendendolo così resistente alla corrosione. Si usa anche da solo, soprattutto in lastre, per rivestimenti e coperture che debbano resistere all’aria e all’acqua.

Ferro. È il metallo in assoluto più utilizzato. Di colore grigio lucente, ha un peso specifico di 7,87 e fonde a circa 1500 °C. Viene ottenuto dai suoi minerali, principalmente ossidi come l’ematite (Fe2O3), usata anche, in polvere fine, come pigmento rosso sangue, da cui il nome, la limonite (Fe2O3 ∙ H2O), la magnetite (Fe3O4), carbonati come la siderite (FeCO3) e solfuri come la pirite (FeS2). In ogni caso questi ultimi i minerali vengono trasformati in ossidi prima di essere immessi nell’altoforno, dove avviene la riduzione a ferro metallico ad opera del CO prodotto dal coke. Il ferro puro resiste molto bene alla corrosione, ma ottenerlo puro è difficile e costoso (ferro elettrolitico). Dall’altoforno esce invece una lega di ferro e carbonio ricca di quest’ultima, detta ghisa. La ghisa è una lega ferro-carbonio in cui il C è in genere il 4-6 %, comunque mai meno del 2%. È un materiale duro e fragile, impiegato per produrre (essenzialmente per fusione) blocchi motore, parti di macchine utensili, termosifoni, vasche da bagno (un tempo) ecc., in quanto presente buona resistenza all’usura e alla corrosione. Diminuendo la quantità di C attraverso i processi di affinazione si hanno gli acciai, con % di C dall’1,8 allo 0,15 %. L’acciaio è il materiale da costruzione per eccellenza, essendo elastico, duttile, plastico, malleabile, meno duro ma anche meno fragile della ghisa. Esso può essere temprato, cioè riscaldato ad alta temperatura e raffreddamento velocemente in acqua o olio, assumendo particolare durezza e resistenza meccanica. L’acciaio viene comunemente usato nel campo edile, da solo o assieme al calcestruzzo (cemento armato), nell’industria meccanica, ferroviaria, automobilistica, chimica ecc. Il suo principale difetto è la facilità con cui, esposto all’aria umida, si corrode, fino alla totale distruzione, per cui i manufatti in acciaio, specie se esterni, devono essere adeguatamente protetti, mediante verniciatura, zincatura ecc.. Con quantità di C inferiori allo 0,1 % si ha il ferro dolce, impiegato in genere per fabbricare laminati (lamiera) e fili (filo di ferro). Tra gli acciai speciali, leghe che contengono, oltre che Fe e C come gli acciai comuni, anche altri metalli, ricordiamo l’acciaio inox, che contiene nichel e cromo che lo rendono non ossidabile. È usato per produrre oggetti di uso domestico (pentole, posate ecc.), in campo medico-sanitario, nel campo delle costruzioni per oggetti destinati a rimanere all’aperto (grondaie, tubi ecc.).

Nichel  e cromo. Metalli di colore argenteo, che si ricavano rispettivamente da minerali quali le piriti e calcopiriti nichelifere  e dalla cromite (FeO ∙ Cr2O3). Sono molto resistenti alla corrosione, per cui vengono usati per la produzione dell’acciaio inox. Vengono inoltre usati per ricoprire, mediante un processo elettrolitico detto galvanostegia, oggetti in acciaio comune, proteggendoli così – entro certi limiti, perché lo strato che si ottiene è sottile e alquanto poroso – dalla corrosione. Si parla allora di nichelatura e di cromatura.

Titanio. Metallo leggero, di colore argenteo, che ossidandosi all’aria assume un caratteristico e piacevole colore grigio-azzurro opaco. Per le sua leggerezza (peso spec.  4,51) e le sue caratteristiche meccaniche, è usato nelle costruzioni aerospaziali in luogo dell’alluminio e delle sue leghe, per la sua maggiore temperatura di fusione (1668 °C contro i 660 °C dell’alluminio). Ha un’elevata resistenza alla corrosione, anche in ambienti altamente aggressivi, per cui è utilizzato anche per parti di impianti industriali, protesi dentarie, parti esterne di piccoli oggetti (orologi, macchine fotografiche ecc.).  

Qui sotto le foto di alcuni metalli, comuni e non comuni (il rodio è uno dei metalli più rari e costosi - attualmente circa 150 € al grammo) [da http://www.tavolaperiodica.it/index.html]