Alluminio

L'alluminio è il metallo più diffuso nella crosta terrestre, ma vi è racchiuso in ossidi che né il fuoco né il carbone di legna riescono a spezzare. Dal 1886 si ottiene raffinando la bauxite in allumina, sciogliendo l'allumina nella criolite fusa e scomponendola con una forte corrente continua.

Che cos’è

L’alluminio è un metallo leggero e argenteo, con circa un terzo della densità dell’acciaio. Costituisce all’incirca l’8% della massa della crosta terrestre, più di qualunque altro metallo, eppure in natura non si trova quasi mai allo stato nativo. È legato all’ossigeno nelle argille, nei feldspati e nella maggior parte delle rocce comuni, e quel legame resiste al fuoco di carbone di legna che libera il ferro o il rame.

Il suo minerale è la bauxite, una roccia rossastra nata dall’alterazione dei suoli tropicali. Una raffineria la trasforma in allumina, una polvere bianca di ossido, e un impianto di elettrolisi scompone l’allumina con la corrente nella cella Hall-Héroult della tavola. È ancora l’unica via industriale per produrre alluminio nuovo.

Come funziona

Dal minerale al metallo: da due a tre tonnellate di bauxite danno una tonnellata di allumina, e due tonnellate di allumina una di alluminio.

Dalla bauxite all’allumina. Nel processo Bayer la bauxite macinata viene attaccata sotto pressione con soda caustica calda, tra 140 e 280 °C secondo il minerale. I minerali di alluminio si sciolgono; gli ossidi di ferro e la sabbia si depositano come un residuo rosso. Raffreddata e inseminata con cristalli di un ciclo precedente, la soluzione fa crescere idrossido di alluminio, che viene calcinato fino a circa 1100 °C e diventa allumina.

Dall’allumina al metallo. L’allumina fonde sopra i 2000 °C, ma un bagno di criolite fusa, un fluoruro di sodio e alluminio, con aggiunta di fluoruro di alluminio, la scioglie verso 950–980 °C. La cella è un cassone d’acciaio rivestito di blocchi di carbonio, che formano l’elettrodo negativo. Gli anodi di carbonio pescano nel bagno, appesi ad aste fissate a una pesante barra di alimentazione.

La corrente continua passa dagli anodi al rivestimento attraverso il bagno e scompone l’allumina disciolta. L’alluminio, più denso del bagno, si raccoglie liquido sul fondo. L’ossigeno va agli anodi e ne brucia il carbonio in anidride carbonica, da 0,4 a 0,5 kg di carbonio per chilogrammo di metallo, per cui gli anodi consumati vengono sostituiti a turno. Una crosta di bagno solidificato e allumina trattiene il calore. Attraverso di essa si aggiunge allumina, e il metallo viene aspirato a intervalli.

La corrente tiene anche fuso il bagno. Le celle sono collegate in serie e ognuna è attraversata da ben più di centomila ampere a soli quattro o cinque volt. Ogni atomo di alluminio richiede tre elettroni, così la cella consuma circa 13–15 kilowattora per chilogrammo, e meno della metà va nella reazione vera e propria. L’elettricità è la voce di costo più grande, perciò gli impianti sorgono dove costa poco, accanto alle dighe del Canada, della Norvegia o dell’Islanda o presso grandi centrali, con trasformatori e raddrizzatori per avere corrente continua.

All’aria sul metallo si forma subito una pellicola di ossido spessa pochi nanometri, che ferma la corrosione e si riforma se graffiata. Pochi punti percentuali di rame, magnesio, silicio o zinco lo rendono abbastanza resistente per l’aviazione. Il riciclo deve solo rifondere i rottami: 8,3 gigajoule per tonnellata contro 186 del metallo nuovo nel 2019, un risparmio di circa il 95%.

Come si costruisce

Non produrre né fondere alluminio in casa. Il bagno libera fumi fluorurati tossici e lavora vicino ai 1000 °C, e una goccia d’acqua intrappolata sotto il metallo liquido si trasforma di colpo in vapore e lo scaglia fuori; le lattine fuse aggiungono i fumi di vernici e rivestimenti. In officina si può smistare il metallo, lavorarlo a freddo e mostrare l’elettrolisi con pochi volt.

La calamita si attacca alla scatoletta d’acciaio e ignora la lattina d’alluminio.

Smistare. Una calamita attira l’acciaio, non l’alluminio. Per distinguerlo da altri metalli non magnetici si pesa un pezzo e si misura l’acqua che sposta: l’alluminio dà circa 2,7 grammi per centimetro cubo, rame e ottone più di 8. Sciacquare i residui di cibo e tenere a parte i pezzi verniciati o plastificati.

Piegare e forare. Le leghe dolci si piegano a freddo in morsa tra due tacchi di legno duro; quelle dure si incrinano su una piega viva, quindi vanno curvate attorno a un blocco arrotondato. Per forare si segna il punto con un bulino, si fissa la lamiera su un piano di legno e si usa una punta affilata con una goccia d’olio: una lamiera tenuta a mano può agganciarsi e girare.

Unire a freddo. L’alluminio si salda male: il suo ossido fonde sopra i 2000 °C, il metallo a 660 °C, e non diventa incandescente prima di afflosciarsi. Si unisce con rivetti, bulloni o adesivo strutturale, se possibile con elementi di fissaggio in alluminio. In ambiente umido, e soprattutto vicino al mare, l’alluminio si corrode a contatto con rame, acciaio e perfino acciaio inox; li separano rondelle di plastica o una mano di vernice.

Mostrare il principio. Mettere due mine di matita in un bicchiere d’acqua con un cucchiaino di soda Solvay e collegarle a una pila da 9 volt. Alla mina negativa sale idrogeno, alla positiva ossigeno: la corrente scompone l’acqua come la cella scompone l’allumina.

Sicurezza. Niente metallo fuso e niente elettrolisi di sali fusi fuori da un impianto industriale. La lamiera tagliata ferisce: guanti per maneggiarla e sbavatura di ogni taglio, ma i guanti vanno tolti prima di usare il trapano; occhiali durante la foratura. La soda Solvay irrita pelle e occhi, quindi servono occhiali protettivi. Non usare mai sale da cucina nella dimostrazione, perché libera cloro; tenere l’idrogeno lontano dalle fiamme e usare solo una piccola pila, mai la rete elettrica.

Storia ed evoluzione

Nel 1825 Hans Christian Ørsted ottenne dal cloruro di alluminio un campione minuscolo e impuro. Friedrich Wöhler preparò una polvere nel 1827 e piccole sfere nel 1845.

Posate d’alluminio del Secondo Impero, quando il metallo valeva quanto l’argento.

In Francia Henri Sainte-Claire Deville ridusse il cloruro con il sodio e presentò un lingotto all’Esposizione universale di Parigi del 1855. Napoleone III lo sostenne e, si racconta, riservava posate d’alluminio agli ospiti più importanti. Nel dicembre 1884 una piramide d’alluminio di 100 once fu posta in cima al Washington Monument, a 1,10 dollari l’oncia, più o meno il prezzo dell’argento.

Nel 1886 due ventiduenni trovarono la stessa soluzione. Il 23 febbraio, a Oberlin, in Ohio, Charles Martin Hall, con pile fatte in casa, ottenne globuli di alluminio da allumina sciolta nella criolite. Paul Héroult, che aveva speso l’eredità per una dinamo, depositò un brevetto francese il 23 aprile. La società di Hall a Pittsburgh, la futura Alcoa, avviò la produzione nel 1888; il procedimento di Héroult partì a Neuhausen, presso le cascate del Reno. Karl Josef Bayer brevettò nel 1887 la precipitazione dell’allumina con cristalli di innesco e nel 1892 l’attacco della bauxite sotto pressione; insieme resero economica l’allumina pura.

Una libbra costava circa 4,86 dollari nel 1888 e meno di un dollaro nei primi anni Novanta dell’Ottocento. Il motore dei fratelli Wright del 1903 aveva il basamento in alluminio; leghe da trattamento termico come il duralluminio, in vendita dal 1909 circa, passarono ai dirigibili e poi agli aerei. Nel 2025 gli impianti di elettrolisi hanno prodotto circa 74 milioni di tonnellate di metallo nuovo.