L’alluminio è il metallo più abbondante che si trova sulla crosta terrestre dove è presente in moltissimi tipi di minerali. Esso è molto reattivo e quindi non lo si ritrova come tale ma sotto forma di composti: il minerale da cui si ricava è principalmente la bauxite dove si trova sotto forma di Al2O3· 2 H2O ma esso è rinvenuto in minerali alluminosilicati e nella criolite dove è presente sotto forma di Na3AlF6.
Nonostante i minerali contenenti alluminio siano molto abbondanti il prezzo dell’alluminio è relativamente alto a causa degli alti costi dovuti alla sua estrazione.
Contrariamente ad altri metalli come il ferro che può essere ottenuto con l’utilizzo del carbonio che agisce da riducente, l’alluminio è così reattivo i suoi composti non possono essere ridotti dal carbonio.
Per ottenere l’alluminio dai suoi minerali si ricorre pertanto a un processo elettrolitico dopo che dagli stessi sono stati rimossi altri composti ed in particolare l’ossido di ferro (III).
Pretrattamento
L’ossido di alluminio impuro viene trattato con una soluzione concentrata di idrossido di sodio; gli ioni alluminio e gli ioni ossidrile formano il complesso solubile tetraidrossialluminato secondo la reazione:
Al2O3 + 2 OH– + 3 H2O → 2 Al(OH)4–
L’ossido di ferro (III) essendo insolubile viene filtrato dalla soluzione; l’aggiunta di un acido trasforma il tetraidrossialluminato in idrossido di alluminio:
Al(OH)4– + H+ → Al(OH)3 + H2O
L’ idrossido di alluminio precipitato viene portato alla temperatura di ignizione per ottenere l’ ossido di alluminio secondo la reazione:
2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O
Poiché la temperatura di fusione dell’ossido di alluminio è di 2000 °C, temperatura troppo elevata per effettuare l’elettrolisi, e che inoltre ne innalzerebbe notevolmente i costi, si aggiunge la criolite fusa per abbassare la temperatura di fusione dell’ossido di alluminio con formazione di ioni Al3+ e O2-
Processo elettrolitico
La cella elettrolitica è costituita da un contenitore di acciaio e da due elettrodi di grafite in cui avvengono le seguenti semireazioni:
al catodo (-): Al3++ 3e– → Al
all’anodo (+): 2 O2– → O2 + 4 e–
Affinché il numero di elettroni acquistati dallo ione alluminio sia uguale al numero di elettroni persi dall’ossigeno si moltiplica la prima semireazione per 4 e la seconda per 3:
4 Al3++ 12 e– → 4 Al
6 O2- → 3 O2 + 12 e–
Sommando membro a membro e semplificando gli elettroni si ha:
4 Al3++ 6 O2- → 4 Al + 3 O2
Il processo complessivo è quindi dato dalla seguente reazione:
2 Al2O3 → 4 Al + 3 O2
L’ossigeno formatosi all’anodo, a causa della temperatura elevata, reagisce con l’elettrodo di grafite danneggiandolo per formare monossido e biossido di carbonio e quindi l’elettrodo deve essere spesso sostituito.
Stante la grande quantità di energia consumata per ottenere l’alluminio metallico si preferiscono processi di riciclaggio