I metalli: proprietà e utilizzi in chimica per la scuola superiore

Elementi in Natura

I metalliElementi che si trovano in natura Gli elementi che si trovano in natura si dividono in metalli, non metalli, semimetalli (o semiconduttori) e gas nobili o rari.

• I metalli sono solidi a temperatura ordinaria, eccetto il mercurio che è liquido; hanno un aspetto lucente; sono buoni conduttori di calore e di elettricità; sono duttili e malleabili (possono essere ridotti in fili sottili - duttilità - e in lamine - malleabilità).
• I non metalli sono cattivi conduttori di calore e di elettricità. Possono essere gassosi, liquidi e solidi; non sono né malleabili, né duttili.
• I semimetalli sono un gruppo limitato di elementi che hanno un comportamento metallico e non metallico insieme.
• I gas nobili o rari sono presenti in piccolissima quantità nell'atmosfera e sono chimicamente inerti, cioè non reagiscono a contatto con altri elementi.

Leghe Metalliche

Possiamo definire una lega metallica una particolare unione tra due o più metalli, o tra metalli e non metalli. Le leghe sono ideate solitamente per avere proprietà più desiderabili di quelle dei loro componenti.

Principali Leghe Metalliche

Le principali leghe metalliche più diffuse sono:

• La ghisa e l'acciaio
• L'ottone
• Il bronzo

L'insieme delle tecniche e dei procedimenti per l'estrazione dei metalli dai loro minerali costituisce la metallurgia. La metallurgia del ferro, che è il metallo industrialmente più importante, prende il nome di siderurgia.

Proprietà dei Metalli

Le proprietà dei materiali metallici si suddividono in proprietà fisiche e chimiche, meccaniche e tecnologiche.

Le proprietà fisiche e chimiche si riferiscono alle caratteristiche generali dei materiali in relazione al peso, al calore, all'elettricità e all'ambiente esterno.

Le proprietà meccaniche si riferiscono alla capacità dei materiali di resistere all'azione di forze esterne.

Le proprietà tecnologiche si riferiscono all'attitudine dei materiali a subire diverse lavorazioni.

Proprietà Fisiche

PROPRIETÀ FISICHE Massa volumica Dilatazione termica Temperatura di fusione Conduttività elettrica Conduttività termica Resistenza alla corrosione

Proprietà Meccaniche

PROPRIETÀ MECCANICHE Trazione Compressione Flessione Torsione Taglio Durezza Fatica

Proprietà Tecnologiche

PROPRIETÀ TECNOLOGICHE Fusibilità Malleabilità Duttilità Saldabilità Temprabilità

Estrazione del Ferro

Il ferro è uno dei metalli più diffusi in natura e il più importante nell'industria. I minerali più ricchi di ferro sono: la magnetite, l'ematite, la limonite, la siderite e la pirite.

L'estrazione del ferro dai suoi minerali viene fatta nell'altoforno: qui l'ossigeno viene tolto dal minerale facendolo combinare chimicamente con il carbonio e con l'ossido di carbonio. Una volta avviato (messo a regime), il suo funzionamento è continuo e dura diversi anni , sia di giorno, sia di notte (campagna dell'altoforno).

sostanze fondenti carbone coke campana minerali del ferro gas di combustione aria calda 20-30 m ugelli (iniezione aria calda) 0 O O 0 recuperatore di calore 1600° crogiolo prelievo scorie prelievo ghisa fusa

La Ghisa

LODGE La ghisa Il ferro rappresenta una delle materie prime più preziose ma allo stato puro possiede proprietà scadenti e non può essere sfruttato. Le sue leghe sono l'acciaio e la ghisa.

La ghisa è una lega composta da ferro e carbonio. Il primo prodotto che si ottiene nella trasformazione dei minerali del ferro è la ghisa madre o ghisa greggia. La ghisa si ottiene rifondendo la ghisa greggia insieme a rottami di acciaio e di ghisa ed è destinata alla produzione di pezzi fusi.

L'Acciaio

L'acciaio L'acciaio si ottiene invece dalla ghisa greggia con l'aggiunta di rottame di ferro e ferroleghe. Ha una buona resistenza meccanica ed è molto plastico.

Gli acciai comuni si classificano in base al contenuto di carbonio. Una maggiore percentuale di carbonio determina un aumento della resistenza e della durezza. Vi sono poi acciai speciali che contengono anche altri elementi. In particolare, ricordiamo gli acciai inossidabili, che resistono anche agli agenti corrosivi più violenti.

L'Alluminio

L'alluminio è il terzo elemento più abbondante sulla Terra, dopo l'ossigeno ed il silicio. Si ricava esclusivamente dalla bauxite.

L'alluminio secondario è quello prodotto per rifusione da rottame, in gran parte dalle lattine.

Per la sua buona conducibilità e la notevole leggerezza, l'alluminio può sostituire il rame nelle industrie elettriche, ma ha molti usi anche in altri settori ed entra in composizione con numerose leghe, dette leggere.

Il Rame

Il rame è utilizzato soprattutto nelle industrie elettriche ed elettroniche, nella produzione, trasporto e utilizzo dell'energia elettrica. Viene inoltre usato per tubazioni, condutture, coperture di tetti e nell'industria chimica.

Il rame entra in composizione con numerose leghe: il bronzo (rame- stagno), l'ottone (rame-zinco), gli ottoni al piombo (rame-zinco-piombo), i cuproallumini (rame-alluminio), i cupronichel (rame-nichel), le alpacche (rame-zinco-nichel).

Ottone e Bronzo

L'ottone è una lega rame + zinco Ottone e bronzo Il bronzo è una lega rame + stagno

Altri Metalli

• Il magnesio è il più leggero fra i metalli impiegati nell'industria; è importante perché entra nella composizione di molte leghe leggere ed ultraleggere, fra cui l'elektron, impiegato per auto da competizione e aeroplani.
• Lo stagno ha un'elevata resistenza alla corrosione, ed è molto duttile e malleabile: in fogli sottili forma la cosiddetta stagnola ed è presente in molte leghe.
• Il cromo è impiegato nelle leghe di acciai inossidabili, d'alluminio, rame e nichel, ed è usato come rivestimento protettivo delle superfici metalliche (cromatura).
• Il piombo, il più pesante fra i metalli comuni, è impiegato per la costruzione di tubi e lamiere, vernici, vetri e cristalli.
• Il nichel è usato per rivestimenti protettivi (nichelatura) ed entra in lega con numerosi metalli: ferro, cromo, rame, titanio, ecc., cui attribuisce elevate caratteristiche meccaniche e di resistenza alla corrosione (acciai inossidabili).

Altri Metalli e Loro Usi

• Lo zinco è impiegato per coperture di tetti, per grondaie, tubi, vasche da bagno. Inoltre, si rivestono di zinco lamiere e fili di ferro per preservarli dalla ruggine (ferro zincato).
• Le leghe di titanio sono usate nell'industria aerospaziale e nei rivestimenti edilizi. La lega titanio-tungsteno è adoperata per i filamenti delle lampadine elettriche a incandescenza.
• L'oro è impiegato nell'elettronica, per circuiti stampati, terminali, contatti. Puro è usato per ricoprire altri metalli (doratura). In lega con l'argento e con il rame, che gli conferiscono durezza e resistenza, è impiegato in oreficeria. La proporzione di oro nella lega (titolo) si esprime in carati o in millesimi.
• L'argento è usato per rivestire altri metalli o leghe (argentatura) e per la fabbricazione di posate, vasellame, medaglie, oggetti ornamentali.

Lavorazione dei Metalli

La lavorazione di metalli Le lavorazioni plastiche sono basate sulla proprietà dei materiali metallici di deformarsi permanentemente, acquistando una forma determinata, sotto l'azione di forze esterne. Questa caratteristica si chiama «plasticità».

Lavorazioni Plastiche dei Metalli

LE LAVORAZIONI PLASTICHE DEI METALLI LAMINAZIONE (si effettua a caldo o a freddo facendo passare il metallo tra cilindri laminatoi che ruotano) TRAFILATURA (si usa per ottenere fili sottili facendo passare un tondino metallico in una filiera) ESTRUSIONE (si ottiene la forma voluta costringendo il metallo calco a passare attraverso un foro con matrice sagomata) FUCINATURA (il metallo, riscaldato alla giusta temperatura, viene deformato a colpi di martello o maglio meccanico, fino a fargli assumere la forma voluta) STAMPAGGIO (il metallo allo stato plastico viene costretto ad assumere la forma perché compresso tra uno stampo e un controstampo) IMBUTITURA (è una lavorazione a freddo, in cui il punzone lascia una forma concava nella lamina metallica)

Lavorazione con Macchine Utensili

La lavorazione di metalli Nella lavorazione con macchine utensili il pezzo grezzo o semilavorato viene trasformato in un prodotto finito. Le macchine più importanti sono:

• tornio; trapano; fresatrice;
• limatrice; piallatrice;
• alesatrice; rettificatrice;
• dentatrice; macchine a trasferimento numerico.

TORNITURA tornitura mandrino oggetto lavorato utensile TRAPANATURA trapanatura FRESATURA piallatura e fresatura ALESATURA alesatura

Le macchine utensili lavorano per asportazione e modellazione del materiale.