Metallo: differenze tra le versioni
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[[File:Iron electrolytic and 1cm3 cube.jpg|thumb|upright=1.4|Metallo, nello specifico [[ferro]].]]
Il '''metallo''' è un materiale [[conduttore termico|conduttore di calore]] e di [[conduttore elettrico|elettricità]]<ref name=Rol/>, capace di riflettere la [[luce]] (dando luogo in tal modo alla cosiddetta ''lucentezza metallica''), che può essere attaccato dagli [[Acido|acidi]] (con sviluppo di [[idrogeno]]) e dalle [[Base (chimica)|basi]], spesso con buone caratteristiche di [[resistenza dei materiali|resistenza meccanica]].
I metalli (soprattutto quelli del [[Tavola di Mendeleev|primo e del secondo gruppo]]) possono anche essere attaccati dall'acqua, la quale strappa loro gli elettroni di valenza dando idrogeno attraverso una [[reazione esotermica]].
I metalli sono [[Elemento chimico|elementi chimici]], costituendo una delle tre categorie in cui tali elementi sono suddivisi, insieme a quella dei [[Semimetallo|semimetalli]] e a quella dei [[non metalli]]. Con l'espressione '''materiale metallico''' si fa riferimento ad un [[materiale]] che contiene metalli o leghe.
In base alle proprietà chimiche, i metalli possono dare luogo a [[ossidi]] [[Base (chimica)|basici]] (es: Na<sub>2</sub>O, CaO).
Esistono vari tipi di metalli, scoperti in epoche distanti nel tempo, perché ben pochi metalli sono reperibili in natura allo stato nativo e perché ogni metallo ha una sua particolare [[temperatura di fusione]] che rende più o meno facile la sua estrazione dalle [[rocce]] che lo contengono. I primi metalli storicamente lavorati (il [[rame]] e lo [[stagno (elemento chimico)|stagno]]) hanno naturalmente una temperatura di fusione relativamente bassa, già ottenibile con gli antichi forni di circa 10.000 anni fa (epoca in cui, presumibilmente, iniziò la lavorazione del rame).
== Storia ==
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I metalli hanno esercitato un'influenza significativa sulla [[storia umana|storia]] del genere umano, le cui epoche di sviluppo sono state contrassegnate di volta in volta da quello in vigore in ognuna di esse, ad esempio come [[età del ferro]], del [[età del rame|rame]], ecc.<ref>[http://www.labiolca.it/i-quattro-elementi-mainmenu-49/447-la-terra-10 I metalli: caratteristiche].</ref>
Anticamente, nell'ambito della teoria dei [[quattro elementi]] propria della [[filosofia della natura]], i metalli erano considerati appartenenti all'elemento [[terra (elemento)|terra]], ma a differenza dei normali materiali terrosi, come pietre e cristalli, erano ritenuti partecipi anche delle qualità del [[fuoco (elemento)|fuoco]] per via della loro lucentezza e trasmissibilità [[calore|calorica]].<ref>Jean-Pierre Reymond, ''Dalla terra e dal fuoco: i metalli'', trad. it. di G. Lughi, EL, 1989.</ref> L'[[alchimia]] ne studiò le proprietà, anche simboliche, riconducendo ognuno di essi ad un [[archetipo|principio primo]], e scoprendo un legame con i [[pianeti (astrologia)|sette pianeti]] allora conosciuti dell'[[astrologia]], dei quali si è rilevato come la diversa [[velocità angolare]] con cui si spostano nel cielo corrisponde alla differenza di [[conduttività termica|conduttività]] dei relativi metalli.<ref>John Martineau, ''Piccolo libro delle coincidenze'', in AA.VV., ''Quadrivium. Numero, geometria, musica, astronomia'', pp. 304-305, Sironi Editore, 2011.</ref> Ogni pianeta venne posto così a governo di un particolare metallo secondo i seguenti abbinamenti: [[Sole (astrologia)|Sole]] – [[oro]] ({{simbolo|Sun symbol.svg}}), [[Luna (astrologia)|Luna]] – [[argento]] ([[File:Moon symbol crescent.svg|15px|simbolo Luna]]), [[Mercurio (astrologia)|Mercurio]] – [[Mercurio (elemento chimico)|mercurio]] ({{simbolo|Mercury symbol.svg}}), [[Venere (astrologia)|Venere]] – [[rame]] ({{simbolo|Venus symbol.svg}}), [[Marte (astrologia)|Marte]] – [[ferro]] ({{simbolo|Mars symbol.svg}}), [[Giove (astrologia)|Giove]] – [[Stagno (elemento chimico)|stagno]] ({{simbolo|Jupiter symbol.svg}}), [[Saturno (astrologia)|Saturno]] – [[piombo]] ({{simbolo|Saturn symbol.svg}}).<ref>[http://www.minerva.unito.it/storia/AppuntiStoriaChimica/AppuntiStoria1.htm#Alchimia Appunti di storia della chimica].</ref> La simbologia astrologica è utilizzata ancora oggi per contrassegnare questi sette metalli.<ref>Aldo Mieli, ''Manuale di storia della scienza'', p. 514, Casa editrice Leonardo da Vinci, 1925.</ref>
Successivamente, gli alchimisti arabi e [[Medioevo|medievali]] pervennero all'insegnamento che tutti i metalli del mondo sublunare fossero composti, in senso metaforico, del principio maschile dello [[zolfo (alchimia)|zolfo]], responsabile della facoltà combustibile, e di quello femminile del [[mercurio (alchimia)|mercurio]], loro madre archetipica e portatrice della caratteristica della liquidità, della volatilità, e della capacità di fusione. La possibilità di un'evoluzione personale dell'alchimista era posta in [[analogia (filosofia)|analogia]] alla convinzione che tutti i metalli presenti nelle viscere della terra fossero destinati a diventare [[oro]], attraverso le opportune trasmutazioni, combinazioni di calore, ed eliminazione delle scorie.<ref>Anna Maria Partini, ''Athanasius Kircher e l'Alchimia: Testi scelti e commentati'', pp. 94-96, Mediterranee, 2004.</ref>
[[Paracelso]] nel XVI secolo secolo aggiunse allo zolfo e al mercurio anche il [[sale (alchimia)|sale]] quale terzo principio delle trasmutazioni alchemiche dei metalli, stabilizzatore dei primi due.<ref>A.M. Partini, ''Introduzione all'alchimia'', in "Simmetria", n. 3, 2000/2001.</ref> Allo stesso periodo risale uno dei primi testi sistematici sulle arti della tecnica mineraria e siderurgica, ''[[De la pirotechnia]]'' di [[Vannoccio Biringuccio]], che nel 1540 svolse uno studio sulla fusione e la lavorazione dei metalli.
Sedici anni più tardi, [[Georgius Agricola]] pubblicò ''De re metallica'', un rilevante e completo resoconto sulla professione di [[estrazione mineraria]], sulla [[metallurgia]] e sull'accessorio di arti e scienze dell'industria chimica del [[XVI secolo|sedicesimo secolo]].
== Caratteristiche ==
{|class="wikitable" align="right" style="margin: 0em 0em 1em 1em; font-size: 90%;"
!width="100px"|
!width="100px"|Numero di atomi per cella unitaria
!width="100px"|[[Numero di coordinazione (cristallografia)|Numero di coordinazione]]
!width="100px"|[[Fattore di impacchettamento atomico]]
|-align="center"
!Reticolo cubico a corpo centrato<br />(CCC)
|9
|8
|0,68
|-align="center"
!Reticolo cubico a facce centrato<br />(CFC)
|14
|12
|0,72
|-align="center"
!Esagonale compatto<br />(EC)
|17
|12
|0,72
|}
[[File:Gallium1 640x480.jpg|thumb|Cristalli di gallio.]]
I metalli sono [[cristallo|cristalli]], cioè strutture regolari basate sulla ripetizione di cosiddette "celle elementari", cioè particolari strutture geometriche. Le più comuni celle sono la CCC (Cubica a Corpo Centrato; esempi: [[ferro]], [[tungsteno]] e [[molibdeno]]), la CFC (Cubica a Facce Centrate; esempi: [[rame]] e alcune sue leghe, [[acciaio]] austenitico, leghe di [[alluminio]] o di [[nichel]], [[piombo]], [[oro]] e [[argento]]) e la EC (Esagonale Compatta; esempi: [[magnesio]], [[cadmio]] e [[zinco]]).<ref>{{Cita|Arduino|p. 316}}</ref>
Raffreddandolo, un metallo allo stato [[liquido]] si solidifica in grani, le cui dimensioni sono immagine della [[temperatura]] a cui avviene il processo di raffreddamento e i cui bordi rappresentano un'importante zona di discontinuità della struttura metallica.
I metalli tendono a cedere con facilità i propri [[elettrone|elettroni]] di valenza e a non tenersi quelli in eccesso per raggiungere la configurazione elettronica dei [[gas nobili]]: hanno cioè una bassa [[energia di ionizzazione]] e una scarsa [[affinità elettronica]].<ref name=Rol>{{Cita|Rolla|pp. 43-44}}</ref> Il contrario accade per i [[semimetallo|semimetalli]] ed a maggior ragione per i [[non metallo|non metalli]]. Quando più [[Atomo|atomi]] metallici si aggregano a formare una struttura cristallina quindi, gli elettroni di legame vengono condivisi tra tutti i partecipanti dando luogo ad [[orbitale molecolare|orbitali molecolari]] delocalizzati in tutto il solido. La delocalizzazione elettronica e l'elevato numero di oggetti presenti contribuisce a tenere insieme gli ioni costituenti, anche se l'[[energia di legame]] per atomo non è molto elevata; nel contempo, essa dà luogo alla sovrapposizione delle bande di energia, permettendo di conseguenza alle cariche di muoversi liberamente all'interno del metallo. Si parla per questo di ''gas di elettroni''. La disponibilità di tante cariche libere spiega bene l'ottima conducibilità elettrica e termica, insieme alla proprietà di assorbire e/o riflettere la [[luce]] valida anche per strati sottilissimi, di poche decine di atomi.
Vi sono però quattro metalli ([[cromo]], [[manganese]], [[molibdeno]] e [[vanadio]]) che quando assumono i loro maggiori [[Stato di ossidazione|numeri di ossidazione]], nei composti inorganici si comportano da non metalli. Possono quindi essere sostituiti al posto dei non metalli nei [[Sale|sali]] ternari (ordine di scrittura: metallo-non metallo-[[ossigeno]]), creando così sali metallici quali [[cromato|cromati]] ([[Stato di ossidazione|n.o.]]=+6), [[manganato|manganati]] ([[Stato di ossidazione|n.o.]]=+6), [[permanganato|permanganati]] ([[Stato di ossidazione|n.o.]]=+7), [[molibdenato|molibdenati]] ([[Stato di ossidazione|n.o.]]=+6) e vanadiati ([[Stato di ossidazione|n.o.]]=+5). Esempi sono il K<sub>2</sub>CrO<sub>4 </sub>([[cromato di potassio]]) e il NaMnO<sub>4</sub> ([[permanganato di sodio]]).
Generalmente gli [[elemento chimico|elementi chimici]] metallici sono quasi tutti nella zona di transizione centrale della [[tavola periodica degli elementi|tavola periodica]], fra gli [[metalli alcalini|alcalino-terrosi]] e i [[Elementi del gruppo 16|calcogeni]]; sono quasi tutti di [[peso atomico]] medio o medio-alto; gli elementi metallici più leggeri possono essere portati allo stato metallico solo con difficoltà.
[[File:Fe,26.jpg|thumb|upright=0.9|Il [[ferro]], uno dei metalli più noti.]]
I metalli (nome esteso minuscolo secondo [[IUPAC]]) e le loro leghe più comuni sono:
* L'[[argento]] (Ag)
* L'[[alluminio]] (Al)
* Il [[ferro]] (Fe)
* Il [[rame]] (Cu)
* L'[[oro]] (Au)
* Lo [[zinco]] (Zn)
* Il [[platino]] (Pt)
* Il [[piombo]] (Pb)
* Lo [[stagno (elemento chimico)|stagno]] (Sn)
* Il [[titanio]] (Ti)
* Il [[mercurio (elemento chimico)|mercurio]] (Hg)
* Il [[bronzo]] (lega rame-stagno, ma anche -alluminio, -nichel, -berillio)
* L'[[Ottone (lega)|ottone]] (lega rame-zinco, con aggiunta di Fe, As, Sn, Sb, Al, ed altri metalli e semimetalli)
* Gli [[acciaio|acciai]] (leghe ferro-carbonio-cromo-nichel-molibdeno ed altri metalli cobalto, vanadio).
== Estrazione e lavorazione dei metalli ==
[[File:Hot metalwork.jpg|thumb|Metallo lavorato a caldo.]]
Il [[minerale]] che contiene il metallo viene prelevato dalle [[miniera|miniere]]. In seguito avviene l'estrazione della materia prima. L'estrazione consiste nel separare il metallo dalle altre sostanze. Dopo l'estrazione, il metallo viene fuso e poi raffinato, cioè ne vengono eliminate le impurità fino ad ottenere la percentuale di purezza desiderata. A questo punto il metallo viene colato, cioè viene estratto dal forno come metallo fuso. I metalli fusi possono quindi essere modellati, messi in appositi stampi e infine assumere la forma data.
Per ottenere i prodotti metallici finiti bisogna prima passare alla produzione dei semilavorati, cioè di lastre, lingotti, [[bramma|bramme]], [[blumo|blumi]] o [[billetta|billette]]; successivamente si passa alla lavorazione meccanica, cioè alla [[laminazione]] e agli stampaggi dei semilavorati.
Talvolta i metalli sono soggetti a [[trattamento galvanico]] per dar loro maggior resistenza alla corrosione e migliorarne la lucentezza.
== Metalli pesanti ==
{{vedi anche|Metallo pesante}}
Non esiste una definizione ufficiale di metallo ''leggero'' o ''pesante'' da parte della [[International Union of Pure and Applied Chemistry|IUPAC]], l'autorità internazionale che fissa e aggiorna la nomenclatura e la terminologia degli elementi e composti chimici, o da parte di organismi simili.<ref name=meaningless>[http://old.iupac.org/publications/pac/2002/pdf/7405x0793.pdf "Heavy metals" - A meaningless term? (IUPAC Technical Report). Pure Appl. Chem. vol 74. no 5, pp.793-807, 2002]</ref> Nonostante questo, numerosi articoli e pubblicazioni parlano genericamente di "metalli pesanti" e "leggeri" omettendo una chiara definizione o dando definizioni in contrasto tra loro basate sulla densità, sul peso atomico o altre proprietà chimiche.<ref name=meaningless />
Spesso all'aggettivo ''pesante'' è associato il concetto di tossicità anche se di per sé la [[densità]] di un metallo non ha un legame diretto con effetti sul corpo umano. La tossicità di una qualunque sostanza dipende dalla sua natura (esatto composto chimico) e dalla sua quantità. Un [[composto chimico]] può essere tossico pur essendo formato da atomi di [[elemento chimico|elementi chimici]] che presi singolarmente non sono tali, e viceversa. Inoltre una certa sostanza può essere ben tollerata o addirittura necessaria se al di sotto di una certa quantità. Infine la tossicità dipende dalla combinazione e sinergia con altri elementi.
Metalli indicati come "pesanti" messi tipicamente in correlazione alla loro tossicità e bioaccumulazione nella catena alimentare sono: [[Mercurio (elemento)|mercurio]], [[cromo]], [[cadmio]], [[arsenico]], [[piombo]]<ref name=meaningless /> e recentemente [[uranio]]<ref>[http://www.ieer.org/sdafiles/vol_5/5-2/deararj.html What is DUF6? Is it dangerous and what should we do with it?]</ref>.
== Difetti del cristallo ==
{{vedi anche|Difetti dei cristalli}}
La ripetitività della [[struttura cristallina]] di un metallo è interrotta localmente da difetti che possono essere di vario genere.
* ''Difetti di punto'': sono le occasionali [[difetto di vacanza|vacanze]] (la cui concentrazione dipende dalla temperatura secondo un legame esponenziale), gli atomi sostituzionali o interstiziali (specie quando nelle [[soluzione (chimica)|soluzioni]] solide è notevole la differenza nelle dimensioni degli elementi componenti), gli atomi autointerstiziali (nel caso di atomi uguali a quelli del reticolo), i difetti di [[Frenkel]] (uno [[ione]] positivo lascia la sua posizione reticolare, creando così una [[vacanza]] [[catione|cationica]], per andare a formare uno ione interstiziale) e di [[Schottky]] (coppia di una vacanza anionica e cationica in un solido ionico).
* ''Difetti di linea'': separano parti che hanno subito lo slittamento da altre che non lo hanno subito. Accumulano tensione e per effetto dell'applicazione di sforzi tendono a moltiplicarsi. Sono detti [[dislocazione|dislocazioni]].
* ''Difetti di superficie'': ovvero i [[bordo di grano|bordi di grano]] presso i quali cambia interamente l'orientamento dei piani di reticolo da un grano all'altro.
* ''Difetti di volume'': le irregolarità nella sequenza ordinata dei piani cristallini nel metallo.
Poiché questi difetti influenzano enormemente il comportamento metallico sono estremamente importanti per la [[metallurgia]].
== Elasticità e plasticità del metallo ==
Sottoposto ad uno sforzo crescente, il metallo in un primo tempo si deformerà linearmente secondo la [[legge di Hooke]], dunque in maniera elastica: cessando lo sforzo applicatogli, il metallo tornerà alla forma originale.
L'aumentare dello sforzo oltre un certo limite imporrà in seguito una irreversibile deformazione plastica accompagnata dall'[[incrudimento]], cioè da un aumento progressivo del limite elastico del materiale e del valore della tensione di rottura. Se il valore teorico di energia necessario per deformare plasticamente un campione è notevolmente maggiore rispetto a quello in effetti necessario, ciò è dovuto alla presenza, nella realtà, di ''[[dislocazione|dislocazioni]]'', ossia di discontinuità di linea nella struttura cristallina che a seconda della forma sono dette a vite, a spigolo o miste.
A seconda della natura del metallo, esso potrà subire [[frattura (metallurgia)|fratture]] ''duttili'' o ''fragili''. Nel primo caso il metallo si deforma sensibilmente nel campo plastico, si verifica uno strizzamento a causa dei microvuoti venutisi a creare, e la superficie di frattura avrà una forma caratteristica a coppa cono. Nel secondo caso la frattura è improvvisa non appena oltrepassato il limite elastico, e la superficie di frattura è perpendicolare alla direzione dello sforzo, di aspetto brillante e cristallino.
== Fenomeni degenerativi ==
Un particolare tipo di [[#Elasticit.C3.A0_e_plasticit.C3.A0_del_metallo|frattura fragile]] è il cosiddetto [[clivaggio]], tipico dei metalli con struttura cubica a corpo centrato (CCC), e più raramente di metalli con struttura esagonale compatta (EC). Il clivaggio è frutto di sforzi elevati condotti a bassa temperatura. Il clivaggio è in genere [[#Caratteristiche|transgranulare]] ma può essere anche intergranulare se a bordo [[#Caratteristiche|grano]] sono presenti particolari precipitati o impurezze.
Il [[Scorrimento viscoso|creep]] è invece un fenomeno che avviene ad alte temperature che in funzione del tempo vede prima l'aumento delle [[dislocazione|dislocazioni]] e l'[[incrudimento]], fenomeno non attivato termicamente (''creep primario''), quindi il disancoramento delle dislocazioni (fenomeno questo si attivato termicamente) che, dopo aver pareggiato l'intensità dell'incrudimento (''creep secondario'', in cui la velocità di creep diventa stazionaria), la supera, accelera la velocità di deformazione (''creep terziario'') e induce infine una rottura.
Creep dei metalli: deformazione plastica dipendente dal tempo detta anche scorrimento viscoso a caldo che avviene quando un materiale metallico è sottoposto ad una sollecitazione costante a temperatura elevata. Il meccanismo del creep viene illustrato da curve che riportano la deformazione in funzione del tempo e si può suddividere in varie fasi:
* Allungamento elastico istantaneo
* Creep primario: la velocità di deformazione decresce con il tempo, a causa del blocco delle dislocazione e conseguente incrudimento.
* Creep secondario: a tempi maggiori, la diffusione degli atomi, permette un parziale sblocco delle dislocazioni rendendo nuovamente possibile il loro scorrimento. Il blocco e lo sblocco si equilibrano e la velocità di deformazione rimane pressoché costante.
* Creep terziario: la velocità di deformazione aumenta rapidamente e in breve il materiale arriva a rottura, in seguito alla formazione di microvuoti al bordo grano ed il successivo scorrimento dei grani tra di loro.
Nota: l'aumento della temperatura provoca l'innalzamento della curva di creep e la diminuzione della durata delle varie fasi (il materiale si rompe più velocemente).
La [[fatica]] è quel fenomeno per il quale un metallo sottoposto ad uno sforzo ciclico può pervenire a rottura anche per valori dello sforzo molto al di sotto del suo limite di snervamento. Ad una prima fase di incrudimento (''hardering'') segue l'assestamento microstrutturale (''softering''), l'orientarsi delle dislocazioni presso precise bande di slittamento, il presentarsi presso la superficie di caratteristiche microintrusioni e microestrusioni. È lungo le bande di slittamento, che si presentano dopo appena il 5% della vita utile del campione, che avrà luogo la rottura il cui punto di innesco è appena al di sotto della superficie. La rugosità superficiale è un parametro importantissimo per quel che riguarda la resistenza a fatica di un metallo.
Fatica dei metalli: i materiali vengono sottoposti a sollecitazioni cicliche che possono portare a rottura il componente anche per carichi inferiori al carico di rottura; queste prove avvengono in prevalenza su componenti in movimento e si articolano in 3 fasi:
* Innesco della cricca: in un punto in cui la geometria del componente permette una concentrazione degli sforzi oppure in corrispondenza di difetti.
* Propagazione della cricca: avviene per effetto dell'applicazione ciclica dello sforzo e provoca una riduzione della sezione resistente.
* Rottura finale: avviene in corrispondenza del raggiungimento delle dimensioni critiche da parte della cricca.
Lo studio della resistenza a fatica dei materiali viene effettuato con prove accelerate su provini già dotati di intaglio (pre – criccati) e i risultati vengono riportati in grafici “sforzo-numero di cicli a rottura” [σ-N]. Alcuni materiali presentano un limite di fatica, ovvero un asintoto della curva [σ-N], al di sotto del quale non si ha più diminuzione della resistenza a fatica all'aumentare di N (es. acciaio 1047), su provini già dotati di intagli (pre – criccati).
La [[corrosione]] nasce dalle iterazioni di ossidoriduzione con l'ambiente e naturalmente è particolarmente dannosa per i metalli. Si cercano espedienti per prevenire come un rivestimento in [[Cloruro di polivinile|PVC]], la verniciatura o utilizzare un anodo sacrificale. Variegata la casistica: la corrosione può avvenire in fessura o per aerazione differenziata, intergranulare, per '''pitting'' (superato in un punto il film protettivo), esaltata da un ambiente galvanico o dalle forti tensioni cui il pezzo è soggetto.
L'[[usura (logoramento)|usura]] infine distrugge il metallo in presenza di un ambiente tribologico, dove cioè vi è attrito tra il pezzo e altre componenti. L'usura può essere dovuta alle forze fluidodinamiche: è detta [[tribossidazione]] in un ambiente particolarmente aggressivo; si dice adesiva quando è determinata da microgiunzioni venutesi a creare tra le creste di [[rugosità]] di due corpi in mutuo slittamento l'uno sull'altro; infine erosiva quando semplicemente una superficie è in moto relativo contro particelle particolarmente dure. Un caso particolare risulta la corrosione-erosione, in cui un'usura superficiale non eccessiva è però sufficiente ad asportare lo strato superficiale passivato, ripresentando quindi metallo vivo agli agenti corrosivi.
== Note ==
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