Introduzione alla chimica

Termini

• minerarioL’attività di estrazione di oggetti solidi di valore dalla terra.
• legaUn metallo che è una combinazione di due o più elementi, almeno uno dei quali è un metallo.
• metallo nativoQualsiasi metallo che si trova nella sua forma metallica, puro o in lega, in natura.

metalli nativi

Un metallo nativo è qualsiasi metallo che si trova nella sua forma metallica in natura, puro o in lega. I metalli che possono essere trovati come depositi nativi singolarmente e/o in leghe includono antimonio, arsenico, bismuto, cadmio, cromo, cobalto, indio, ferro, nichel, selenio, tantalio, tellurio, stagno, titanio e zinco.

Due gruppi di metalli possono anche essere trovati in natura: il gruppo oro e il gruppo platino.

• Il gruppo dell’oro è composto da oro, rame, piombo, alluminio, mercurio e argento.
• Il gruppo del platino è composto da platino, iridio, osmio, palladio, rodio e rutenio.

Solo l’oro, l’argento, il rame e i metalli di platino si trovano in natura in grandi quantità. Su scale di tempo geologiche, pochissimi metalli possono resistere ai processi di invecchiamento naturale come l’ossidazione. Questo è il motivo per cui solo i metalli meno reattivi come l’oro e il platino si trovano come metalli nativi. Gli altri di solito si trovano come sacche isolate dove un processo chimico naturale riduce un composto comune o un minerale del metallo. Questo lascia il metallo puro come piccole scaglie o inclusioni.

I metalli nativi erano l’unico accesso dell’uomo preistorico al metallo. Si pensa che il processo di estrazione dei metalli dai loro minerali (chiamato fusione) sia stato scoperto intorno al 6500 a.C. Tuttavia, questi metalli potevano essere trovati solo in quantità relativamente piccole, quindi non potevano essere utilizzati in modo estensivo. Così, mentre il rame e il ferro erano conosciuti ben prima dell’Età del Rame e dell’Età del Ferro, non avrebbero avuto un grande impatto sull’umanità finché non fosse apparsa la tecnologia per fonderli dai loro minerali, e quindi produrli in massa.

Leghe

Una lega è una miscela di due o più elementi in soluzione solida in cui il componente principale è un metallo. La maggior parte dei metalli puri sono troppo morbidi, fragili o chimicamente reattivi per l’uso pratico. Combinando diversi rapporti di metalli come leghe si modificano le proprietà dei metalli puri per produrre caratteristiche desiderabili. Lo scopo di fare leghe è generalmente quello di rendere i metalli meno fragili, più duri, o più resistenti alla corrosione, o di migliorare il loro colore o la loro lucentezza.

Di tutte le leghe metalliche in uso oggi, le leghe di ferro (acciaio, acciaio inossidabile, ghisa, acciaio per utensili e acciaio legato) costituiscono la maggior parte sia per quantità che per valore commerciale. Il ferro legato con varie proporzioni di carbonio dà acciai a basso, medio e alto contenuto di carbonio; l’aumento dei livelli di carbonio riduce la duttilità e la tenacità. L’aggiunta di silicio produce ghise, mentre l’aggiunta di cromo, nichel e molibdeno agli acciai al carbonio (più del 10%) dà come risultato gli acciai inossidabili.

Altre leghe metalliche significative sono quelle di alluminio, titanio, rame e magnesio. Le leghe di rame sono conosciute fin dalla preistoria – il bronzo ha dato il nome all’età del bronzo – e hanno molte applicazioni oggi, soprattutto nel cablaggio elettrico. Le leghe degli altri tre metalli sono state sviluppate più recentemente; a causa della loro reattività chimica, richiedono processi di estrazione elettrolitica. Le leghe di alluminio, titanio e magnesio sono apprezzate per il loro alto rapporto forza-peso, e il magnesio può anche fornire una schermatura elettromagnetica. Questi materiali sono ideali per situazioni in cui l’alto rapporto forza-peso è più importante del costo del materiale, come nel settore aerospaziale e in alcune applicazioni automobilistiche. Leghe appositamente progettate per applicazioni molto esigenti, come i motori a reazione, possono contenere più di dieci elementi.

Prezzi

I metalli sono spesso estratti dalla terra per mezzo di miniere, con conseguente minerali che sono fonti relativamente ricche degli elementi richiesti. I minerali vengono localizzati con tecniche di prospezione, seguite dall’esplorazione e dall’esame dei depositi. Le fonti minerali sono generalmente divise in miniere di superficie, che sono estratte tramite scavi con attrezzature pesanti, e miniere sotterranee.

Dopo l’estrazione del minerale, i metalli devono essere estratti, solitamente tramite riduzione chimica o elettrolitica. La pirometallurgia usa alte temperature per convertire il minerale in metalli grezzi, mentre l’idrometallurgia usa la chimica acquosa per lo stesso scopo. I metodi usati dipendono dal metallo e dai suoi contaminanti.

Quando un minerale metallico è un composto ionico di quel metallo e di un non-metallo, il minerale deve solitamente essere fuso (o riscaldato con un agente riducente) per estrarre il metallo puro. Molti metalli comuni, come il ferro, sono fusi usando il carbonio come agente riducente. Alcuni metalli, come l’alluminio e il sodio, non hanno un agente riducente commercialmente pratico, e vengono invece estratti usando l’elettrolisi. I minerali di solfuro non vengono ridotti direttamente al metallo, ma vengono arrostiti all’aria per convertirli in ossidi.