Metalli

Caratteristiche

Nel 1869 il chimico russo Dmitrij Mendeleev scoprì che gli elementi potevano essere classificati e ordinati sulla base delle loro caratteristiche chimiche e fisiche. Il risultato del suo lavoro e degli aggiustamenti successivi è la tavola periodica degli elementi.

Proprio a partire da queste proprietà è possibile distinguere due classi fondamentali di elementi: i metalli e i non metalli.

Quali sono le principali caratteristiche e proprietà dei metalli? Essi sono generalmente lucenti e buoni conduttori di calore e corrente elettrica. A temperatura ambiente tutti i metalli sono solidi, a eccezione del mercurio. Gran parte di essi può inoltre essere ridotto in fili o lamine, risultano perciò molto duttili. Sono infine molto malleabili, poiché è possibile modellarli con uno stampo a pressione o col martello per produrre oggetti di forma diversa.

Le proprietà dei non metalli sono opposte a quelle dei metalli: a temperatura ambiente si presentano sia allo stato solido, che liquido, che gassoso. Sono cattivi conduttori di calore ed elettricità. I non metalli solidi non sono né malleabili né duttili e si frantumano se colpiti con un martello.

A TAVOLA CON LA CHIMICA!

La tavola periodica degli elementi è lo schema col quale vengono ordinati gli elementi chimici sulla base del loro numero atomico Z. È organizzata in gruppi e periodi.

Immagine tavola periodica dal manuale

Ogni gruppo raccoglie elementi con caratteristiche simili e corrisponde a una colonna della tavola; tutti gli elementi che ne fanno parte sono caratterizzati dalla stessa disposizione degli elettroni intorno al nucleo, hanno cioè la stessa configurazione elettronica.

I periodi invece, che corrispondono alle righe, vedono gli elementi disposti secondo il loro numero atomico, dal più basso al più alto.

Nella tavola periodica gli elementi chimici si distinguono in metalli, non metalli e gas nobili; i metalli si dividono dai non metalli grazie a una linea di separazione molto netta, gli elementi a sinistra della linea sono metalli, quelli a destra sono definiti non metalli. L’ultimo gruppo, il 18°, raccoglie i gas nobili come il neon, elementi chimici gassosi incolori e inodori presenti in piccole quantità nell’atmosfera, caratterizzati da una elevata stabilità chimica, hanno cioè la tendenza a non reagire.

Proposta operativa

Consegna a ciascuno dei tuoi studenti la copia di una tavola periodica, raccontando loro di come esistano diversi tipi di metalli, ordinati nella tavola periodica in gruppi differenti; chiedi loro di associare a ogni gruppo di metalli un colore diverso e di evidenziarli sulla tavola periodica seguendo queste indicazioni:

metalli alcalini: sono gli elementi del 1° gruppo, a eccezione dell’Idrogeno H che è un non metallo

metalli alcalino-terrosi: sono gli elementi del 2° gruppo

metalli di transizione: sono gli elementi dei gruppi che vanno dal 3° al 12°, e tutti gli elementi al di sotto della linea di separazione metalli-non metalli

Curiosità. UN PO’ DI STORIA

Un tempo si credeva che l’atomo fosse la parte più piccola di ogni elemento esistente in natura. Verso la fine dell'Ottocento alcuni scienziati dimostrarono che l'atomo non era indivisibile, ma a sua volta era composto da particelle più piccole. In particolare ogni atomo è composto da un nucleo costituito da particelle cariche positivamente, chiamate protoni, e da particelle prive di carica, dette neutroni.Intorno al nucleo, inoltre, ruotano particelle cariche negativamente chiamate elettroni.

Il numero atomico Z, utilizzato da Mendeleev per costruire la tavola periodica, rappresenta il numero di protoni che caratterizza ogni atomo di quell'elemento.

In principio fu...

Hai mai sentito parlare di “età dei metalli”? È il nome con cui viene identificato un antichissimo periodo storico in cui gli uomini scoprirono e iniziarono a utilizzare i metalli per costruire i primi utensili, abbandonando quindi a poco a poco l'utilizzo della pietra. La scoperta che fece cambiare la storia fu casuale: i primitivi si accorsero infatti che alcune pietre, esposte al calore del fuoco, si scioglievano, portando alla luce le componenti metalliche.

Proposta operativa

Chiedi ai tuoi studenti di fare una piccola ricerca. Qual è la prima età, cioè la più antica?……………………

E in quale periodo l’uomo ha scoperto il ferro? ……………………………….

I primi metalli a essere impiegati furono quelli più teneri e malleabili, facili da lavorare anche allo stato puro, come il rame, l’oro e l’argento. L’età del rame è quindi la più lontana nel tempo, dal 4000 al 3000 a.C.

In seguito l’uomo primitivo scoprì la fusione, attraverso la quale riuscì a ottenere un materiale non esistente in natura, il bronzo, formato dalla fusione di due metalli: rame e stagno. Questa viene quindi chiamata età del bronzo (3000-1200 a.C.). Dal 1200 a.C. l’uomo scoprì la lavorazione del ferro, un metallo che per le sue caratteristiche di durezza e resistenza divenne quello di più largo impiego.

Durante il Medioevo i metalli vennero utilizzati per gli arnesi di contadini e artigiani, per la produzione delle armi da fuoco e la difesa dei soldati: elmi, scudi, guanti e spade, tutto era realizzato in ferro!

È solo con la rivoluzione industriale che le tecniche di lavorazione dei metalli vennero perfezionate e applicate in campi sempre più vasti, dall'architettura ai trasporti.

Curiosità. I CERCATORI D’ORO

Nel 1896 tre cercatori d’oro americani, risalendo il fiume Klondike in Canada, scoprirono casualmente alcuni ricchi giacimenti del prezioso metallo: fu l’inizio della famosa corsa all’oro, un fenomeno che portò in questo territorio migliaia di avventurieri provenienti da tutto il mondo. Servendosi di un semplice setaccio, i cercatori lavoravano pazientemente raccogliendo la ghiaia dal letto del fiume e sperando di trovare qualche pepita. In pochissimi anni furono prelevati da fiume Klondike quasi 400.000 kg d’oro!

Proposta operativa

Chiedi ai tuoi studenti di riflettere sulla situazione odierna. I metalli oggi vengono utilizzati, a seconda delle loro proprietà fisiche e chimiche, in qualsiasi campo: dalla medicina all'arte, dalla cucina alla meccanica… Si passa dalle posate in acciaio inossidabile ai cavi elettrici in rame, dai gioielli in platino e oro alle biciclette super-leggere in alluminio. Chiedi loro di guardarsi intorno: quanti oggetti di metallo vedono? E quali?

Curiosità. LE MONETE

Un tempo le merci si vendevano o si scambiavano secondo le regole del baratto: si utilizzavano a questo scopo conchiglie, denti di cane, animali o gettoni di terracotta. È durante l’età del ferro che fa la comparsa la prima moneta, realizzata in oro o argento; una moneta d’oro valeva cinque pecore, o due cavalli, o trenta sacchi di grano.

La prima moneta metallica italiana fu la Lira, ideata nel 794 dal sistema monetario di Carlo Magno e diventata legale solamente nel 1862. La prima Lira era d’oro, argento o rame; in seguito venne sostituita da nichel, acciaio e alluminio.

Dal 1 gennaio 2002 la Lira è stata ritirata dalla circolazione e sostituita con l’Euro. Le monete da 1 e 2 euro sono realizzate in rame, nichel e ottone; le monete più piccole, i centesimi, sono in acciaio placcato rame, e per questo appaiono di colore “rossastro”.

Proposta operativa

Coinvolgi gli studenti chiedendo loro di fare un’intervista ai loro nonni. Dovranno porre queste domande:

quali oggetti di metallo ricordi? E quali di questi non si usano più, oppure sono oggi realizzati con un altro materiale?

La fabbrica dei metalli

ROCCE, MINERALI & CO.

Da dove vengono i metalli? I metalli si trovano in natura! Più precisamente all'interno dei minerali presenti sul pianeta, nella crosta terrestre, spesso come piccoli frammenti oppure legati tra loro. Per questo motivo molti minerali, in alcuni casi anche le rocce costituite da quei minerali, prendono il nome dai metalli che contengono e da cui si estraggono.

La bauxite, ad esempio, è il nome di un minerale (e anche di una roccia) importantissimo per la produzione industriale dell'alluminio, perché ne contiene una elevatissima concentrazione.

Proposta operativa

Chiedi ai tuoi studenti di scoprire, con l’aiuto di internet o di un’enciclopedia, da quali minerali si ricavano questi metalli: ferro, rame, piombo, zinco, stagno.

Non tutti i materiali che noi chiamiamo metalli lo sono in realtà. Ritornando alle monete, ricordiamo che alcuni ‘metalli’ non si trovano nella tavola periodica, in particolare l’ottone e l’acciaio.

Questi materiali sono infatti delle leghe: una lega è una combinazione di due o di più elementi, di cui almeno uno è un metallo. Le leghe sono ideate solitamente per avere proprietà migliori rispetto a quelle dei loro componenti: ad esempio l'acciaio ha una resistenza maggiore del ferro, il suo componente principale, e l'ottone è più duro del rame e più bello dello zinco.

Curiosità:  PREZIOSO COME… L’ALLUMINIO

I più grandi giacimenti di bauxite si trovano nelle aree tropicali e subtropicali come Australia, Guinea, Giamaica,India ma anche negli USA, nel nord della Russia, in Ungheria e nella ex - Jugoslavia. In Italia si hanno giacimenti di modeste dimensioni in Puglia, in Basilicata e in Abruzzo.

Proviamo a guardarci attorno: di alluminio è veramente pieno il mondo. Lo troviamo in casa, in televisori e computer, in pentole, posate e accessori vari che trovano posto in cucina, per non parlare degli imballaggi che avvolgono gli alimenti che consumiamo quotidianamente: i coperchi dello yogurt, i tappi dell’acqua minerale, gli involucri dei cioccolatini, ecc. È poi diffusissimo nella fabbricazione dei mezzi di trasporto: lo troviamo, per esempio, nei treni e nelle auto, negli aerei e nelle navi, nelle biciclette super-leggere, ma anche i caschi e le tende da campeggio utilizzano largamente questo metallo resistente e leggero, adatto a trasportare e a essere trasportato.

E non tutto l’alluminio si può vedere: sono in alluminio, ad esempio, i cavi che trasportano l’energia, e persino i fili elettrici che corrono invisibili nelle nostre case e che ci permettono di accendere la luce dentro le lampadine.

Per le sue eccezionali doti di duttilità, leggerezza e resistenza, infatti, l’alluminio è tra i metalli più utilizzati; la produzione mondiale è passata dai 45 kg del 1886 ai 5 milioni di tonnellate del 2015!

Curiosità: PIÙ DI 200 ANNI DI ETÀ…UN MATERIALE GIOVANISSIMO

L’alluminio è stato scoperto nel 1807 dall’inglese Davy. La roccia da cui estrarlo venne individuata nel 1821 aLes Baux, da cui deriva il nome di bauxite. Solo nel 1845 il prof. Friedrich Woehler riuscì a isolare particelle di alluminio puro della grandezza di una capocchia di spillo, e in quella occasione fu più semplice determinare anche le principali caratteristiche, come la densità, la conduttività e la resistenza alla corrosione.

FERRO

Il ferro è uno dei metalli più diffusi e abbondanti in natura ed è il più importante nell’industria. Si trova raramente allo stato libero, perciò viene estratto dai suoi minerali con processi metallurgici. Allo stato puro il ferro non è praticamente utilizzato, mentre sono largamente impiegate le sue leghe di ferro e carbonio, i diversi tipi di acciaio.

ACCIAIO

L’acciaio è una lega di ferro e carbonio, ha una buona resistenza meccanica a tutte le sollecitazioni (trazione, compressione), è facilmente lavorabile, è duttile e malleabile e facilmente saldabile. Gli aspetti negativi sono la difficoltà nel processo di fusione e la facilità con cui si corrode. Esistono molti tipi di acciaio, che si dividono in comuni e speciali: quelli comuni si differenziano solo per il contenuto di carbonio; quelli speciali contengono, oltre a ferro e carbonio, anche altri elementi.

RAME

Il rame è stato il primo metallo usato dall’uomo. Nell’industria moderna è, dopo le leghe di ferro e l’alluminio, il metallo di maggiore importanza. La metallurgia del rame è piuttosto complessa. Il primo prodotto che si ottiene dai forni prende il nome di metallina nera, che contiene rame in una percentuale del 30-50 %; la metallina nera viene trasformata in rame grezzo o nero, dal quale si può ottenere un prodotto puro. Il rame è un ottimo conduttore di calore e di elettricità, è molto malleabile e duttile, difficilmente fusibile, resiste bene alla corrosione.

MAGNESIO

È il più leggero tra tutti i metalli impiegati nell’industria, è duttile e malleabile. È l’elemento base delle leghe ultra-leggere.

PIOMBO

Fra i metalli comuni è il più pesante, è tenero e si lascia scalfire facilmente, ha una bassa resistenza meccanica; è malleabile ma poco duttile; conduce poco il calore e l’elettricità.

NICHEL

Il nichel si trova allo stato nativo nelle meteoriti. È inalterabile all’aria, molto duttile e malleabile. Allo stato puro viene usato per rivestimenti protettivi.

TITANIO

È leggero, con buone caratteristiche meccaniche, resistente alla corrosione e alle temperature molto elevate. È un metallo piuttosto costoso perché di difficile preparazione. Le leghe di titanio vengono usate nell’industria aerospaziale per le strutture e i motori. La lega titanio-tungsteno è adoperata per i filamenti delle lampadine elettriche.

MERCURIO

È l’unico metallo liquido a temperatura ambiente. La sua grande proprietà è quella di riuscire a sciogliere molti metalli come oro, argento e piombo. Trova impiego nella costruzione di apparecchi scientifici, lampade a vapori di mercurio, valvole ecc.

ORO

Si trova libero in rocce quarzifere, in depositi alluvionali ed è presente nelle sabbie di molti fiumi e torrenti; si può presentare sotto forma di pagliuzze o pepite. È un metallo molto duttile e malleabile, non si ossida all’aria, ha un’ottima conducibilità elettrica. L’oro puro è usato per ricoprire altri metalli. In lega con l’argento e il rame, che gli conferiscono durezza e resistenza, è impiegato in oreficeria. La proporzione di oro nella lega si esprime in carati o in millesimi.

ARGENTO

Si può trovare in natura in masse laminari o filamentose; la maggior parte viene però estratta dai suoi minerali. È molto duttile e malleabile ed è il miglior conduttore di calore e di elettricità. Per aumentarne la resistenza e la durezza viene spesso legato al rame. È usato per rivestire altri metalli o leghe e per la fabbricazione di posate, medaglie, ecc.

I METALLI PESANTI

Rame, piombo, mercurio e zinco sono considerati metalli pesanti, così come in generale molti dei metalli di transizione, quindi gli elementi con alta massa atomica e densità.

Questi elementi sono ‘pesanti’ anche per la salute dell’uomo e per l’ambiente. Infatti tendono a depositarsi nel suolo e nei corsi d’acqua, possono contaminare gli alimenti diventando tossici per l’uomo, sono dispersi nell’aria dai veicoli e dalle industrie e arrivano nel terreno con le piogge. Si trovano inoltre nei fertilizzanti e nei pesticidi e in molti prodotti di uso comune.

ORO, ARGENTO E…

Anelli d’oro, bracciali d’argento, orecchini di platino… cosa sono i “metalli preziosi”? Sono tra i metalli più rari sul nostro pianeta e vengono spesso utilizzati nel campo dell’arte e dell’estetica. Tra tutti i metalli preziosi, il platino è sicuramente il più pregiato: è il più raro, il più puro, il più resistente, è il più importante da ogni punto di vista; ed è il più difficile da lavorare, quindi è il più costoso.

Curiosità

Quando si parla di arte, non si deve pensare solo ai metalli preziosi. Nel 1300 nasce in Europa la tecnica del ferro battuto: colpito ancora caldo si otteneva la forma desiderata (cancelli, maniglie ad anello per le porte di castelli, lanterne, ecc.). Anche tante opere artistiche monumentali sono state realizzate con un metallo, pensate alla Torre Eiffel a Parigi: per costruirla ci sono volute più di 10.000 tonnellate di ferro!

Curiosità: I BRONZI DI RIACE

Il 16 agosto 1972 un giovane sub di Roma si immerse nel Mar Ionio a 300 m dalle coste di Riace, in provincia di Reggio Calabria, e ritrovò casualmente, a 8 m di profondità, le statue di due guerrieri che diventeranno famose in tutto il mondo come i Bronzi di Riace. Queste statue, alte circa 2 m e realizzate probabilmente intorno al V sec. a.C., sono pervenute in eccezionale stato di conservazione e sono considerate tra i capolavori scultorei più significativi dei grandi maestri scultori del mondo greco classico.

Oggi i Bronzi si trovano al Museo Nazionale della Magna Grecia di Reggio Calabria e sono diventati uno dei simboli della città stessa.

Riciclo recupero riuso

Tutti i metalli sono facilmente recuperabili grazie alla fusione, che li riporta allo stato di materia prima. Per questo diventa molto importante raccoglierli separatamente con la raccolta differenziata e recuperarli.

La maggior parte dei rifiuti metallici è costituita da oggetti in alluminio. Nonostante l'alluminio sia il terzo elemento più abbondante sulla crosta terrestre, dopo ossigeno e silicio, è molto raro in forma libera; si trova in genere mescolato ad altri elementi chimici e il processo di estrazione e di separazione è molto complesso e costoso.

Per questo motivo è così importante raccoglierlo in modo differenziato. Prima di tutto l’alluminio è riciclabile all'infinito: infatti la sua composizione chimica, e quindi anche le sue caratteristiche, durante la rifusione non mutano. Inoltre recuperare alluminio significa risparmiare oltre il 95% dell’energia richiesta per produrlo dalla materia prima. Oggi quasi il 40% della produzione mondiale di alluminio proviene da metallo recuperato.

Da molti anni, ormai, l’industria italiana del riciclo dell’alluminio detiene una posizione di rilievo nel panorama mondiale per quantità di materiale riciclato. Il nostro Paese è infatti terzo al Mondo assieme alla Germania dopo Stati Uniti e Giappone: circa il 90% dell’alluminio prodotto in Italia proviene dal riciclo!

 Un’altra categoria di rifiuti metallici che sempre di più vengono recuperati è quella dei metalli nobili che si trovano all'interno dei RAEE, i Rifiuti di Apparecchiature Elettriche ed Elettroniche, ovvero tutti rifiuti derivanti da dispositivi che per il loro funzionamento utilizzano energia elettrica.

Secondo l’ONU nel 2014 nel mondo sono stati prodotti dai 20 ai 50 milioni di tonnellate di rifiuti hi-tech, contenenti 320 tonnellate d’oro e 7200 d’argento per un valore di oltre 15 miliardi di euro!

Al momento, però, la maggior parte di questi metalli preziosi non viene recuperata. In Europa ogni anno vengono prodotti 10 milioni di tonnellate di RAEE e solo il 33% di questi viene riciclato. Il primo passo per il recupero dei metalli preziosi dai rifiuti naturalmente è il corretto smaltimento dei dispositivi elettronici caduti in disuso: una volta che questi sono arrivati nelle discariche, le diverse componenti devono essere separate per essere recuperate.

Dai dispositivi elettronici si possono recuperare diversi materiali: materie plastiche, rame, oro, ferro e acciaio, alluminio, palladio e argento. Per recuperare questi elementi in Italia si utilizzano principalmente tre sistemi:

  • la frantumazione e la separazione meccanica di prodotti elettronici, messa a punto dal Policlinico di Milano;
  • la pirogassificazione di schede elettroniche per il recupero attivo, ideato dal Centro Sviluppo Materiali;
  • le tecniche idrometallurgiche di trattamento in corso di sviluppo all’ENEA (Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile).

Queste ultime sono particolarmente interessanti perché permettono di ottenere metalli di elevato grado di purezza con un basso impatto ambientale: contrariamente ad altri sistemi, infatti, la tecnica dell’ENEA permette di operare a basse temperature, con basse emissioni nell'ambiente. Per ogni tonnellata di schede elettroniche si possono ottenere metalli per 10.000 euro!

Cosa fa Clara

Nei comuni gestiti da Clara Spa i diversi imballaggi in metallo (lattine, bombolette spray, vaschette e pellicole in alluminio ecc.) vengono raccolti (insieme agli imballaggi in plastica) porta a porta tramite l’apposito sacco giallo fornito da Clara o, per i condomini e le attività produttive, tramite bidone giallo.

Per maggiori informazioni visitare il sito: www.clarambiente.it

 

Glossario

Appellativo: nome alternativo, soprannome.

Atomo: è considerato l'unita più piccola e indivisibile di un materiale.

Chilowattora (kWh): unita di misura dell’energia che consumiamo in casa nostra, è l’unità usata sulla comune bolletta della luce o del gas.

Compressione: significa premere, spingere con forza.

Conduttore:  materiale in grado di far scorrere corrente in modo veloce al suo interno.

Display: è un monitor, un piccolo schermo in cui si leggono numeri e lettere.

Duttile: materiale che può essere facilmente ridotto in lamine o fili sottili senza rompersi.

Elemento chimico: sostanza semplice composta da atomi con uguale numero e disposizione degli elettroni.

Enzimi: proteine in grado di velocizzare le reazioni chimiche.

Filamentoso: qualsiasi cosa sia sottile e allungata come un filo.

Fusibile: in grado di essere sciolto, di fondere facilmente.

Informatica: materia che studia il funzionamento e le caratteristiche dei computer.

Laminari: qualsiasi cosa sia sottile e stretta.

Liquido: si dice di un corpo fluido che occupa uno spazio proprio, ma che prende la forma dell’oggetto che lo contiene.

Malleabile: sostanza solida che può essere ridotto a lamine senza subire rotture.

Massa atomica: è il peso di un atomo di un determinato elemento chimico.

Monoatomica: sostanza che nella propria struttura chimica ha solo un atomo.

Ossidare: far combinare un metallo con l'ossigeno.

Peso specifico:  il peso di un campione di materiale diviso per il suo volume.

Punto di fusione: è la temperatura a cui un solido cambia il suo stato diventando liquido.

Radioattivo: nucleo instabile che emette radiazioni.

Saldabili: si dice di una cosa che si può riunire, riattaccare.

Scalfire: è quell’azione per cui si incide, si graffia qualcosa.

Solido: materiale che ha forma propria, è incomprimibile, rigido e presenta un proprio volume.

Trazione:è l’azione del trascinare, tirare qualcosa.

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