Metalli: proprietà, estrazione, corrosione

I metalli sono elementi chimici dotati di particolari proprietà fisiche e chimiche che sono utilizzati nei più vasti campi sia allo stato puro che in leghe.

Circa i tre quarti degli elementi conosciuti esibiscono le caratteristiche proprietà macroscopiche dei metalli. Sulla Tavola Periodica i metalli sono separati dai non metalli da una linea a zig-zag come si può vedere in figura:

Gli elementi a ridosso della linea vengono detti metalloidi o semimetalli e mostrano proprietà intermedie tra quelle dei metalli e quelle dei non metalli.

Proprietà fisiche

Le proprietà fisiche dei metalli sono:

1)      Lucentezza

2)      Buona conducibilità termica ed elettrica

3)      Alta temperatura di fusione

4)      Alta densità

5)      Malleabilità

6)      Duttilità

7)      Solidi a temperatura ambiente ad eccezione del mercurio

8)      Sonorità

9)      Non trasparenza

Proprietà chimiche dei metalli 

1)      Gli atomi dei metalli presentano 1-3 elettroni nel loro livello più esterno

2)      Si corrodono facilmente

3)      Perdono facilmente elettroni

4)      Formano ossidi basici

5)      Hanno basse elettronegatività

6)      Sono buoni agenti riducenti

Tali proprietà possono essere comprese dalla conoscenza del legame metallico in cui gli elettroni sono delocalizzati nel reticolo cristallino.

Gli elettroni di valenza pertanto  non sono legati a un particolare nucleo, ma possono muoversi quasi liberamente da uno all’altro.

Tale modello porta a raffigurare il cristallo metallico come formato da ioni positivi fissati nelle posizioni reticolari, tenuti insieme da un “mare” di elettroni fluttuanti. Le proprietà chimiche dei metalli tra cui la tendenza a perdere elettroni e a formare ioni positivi e la basicità dei relativi ossidi variano da metallo a metallo.

Estrazione

I metalli si trovano in natura nelle rocce sotto forma di ossidi, carbonati o solfuri e da esse sono estratti ed isolati spesso con processi laboriosi.

L’estrazione consiste nel separare il metallo dalle altre sostanze. Quindi il metallo viene fuso e passa allo stato liquido per le successive lavorazioni. Dopo l’estrazione, il metallo è raffinato, cioè 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.

Ad esempio il ferro viene estratto dai suoi minerali che sono principalmente l’ematite Fe₂O₃ e la magnetite Fe₃O₄ per riduzione con carbonio alla temperatura di circa 2000°C in una fornace di riduzione. Quest’ultima viene caricata con una miscela di minerale di ferro, carbonio sotto forma di coke e calcare che viene messa nella parte alta mentre una corrente di aria calda passa nella parte inferiore.

Nella fornace il carbon coke reagisce con l’ossigeno presente nell’aria per dare monossido di carbonio:

2 C + O₂ → 2 CO

Se, ad esempio il minerale da cui si estrae il ferro è l’ematite si ha una reazione di ossidoriduzione con il monossido di carbonio secondo la reazione:

3 CO + Fe₂O₃ → 2 Fe + 3 CO₂

da cui si ottiene il ferro metallico. La funzione del calcare è quella di fondere le impurezze presenti nel materiale costituite, in particolar modo da diossido di silicio; all’alta temperatura del forno, infatti, il calcare si decompone per dare l’ossido di calcio conosciuto come calce viva:

CaCO₃ → CaO + CO₂

L’ossido di calcio dà luogo a una reazione di sintesi con il diossido di silicio  per formare la scoria secondo la reazione:

CaO + SiO₂ → CaSiO₃

La scoria fonde e galleggia sopra al ferro liquido che è più denso ed è spillata attraverso condotti laterali.

Corrosione

I metalli largamente usati in tutti i campi tecnologici, tuttavia, danno luogo al fenomeno della corrosione che può provocare la distruzione del materiale metallico.

Il fenomeno della corrosione è un problema di superficie o, più precisamente, di interfaccia fra un metallo ed un ambiente aggressivo liquido oppure gassoso. Gli ossidi metallici che si formano ricoprono la superficie del metallo stesso: mentre in taluni casi, come nel cromo, nel titanio e nel nichel si verifica il fenomeno della passivazione ovvero della formazione di ossidi che proteggono la superficie sottostante preservandola da fenomeni corrosivi, in altri casi come nel ferro, si ha la formazione di ossido di ferro (III) idrato che ha un aspetto spugnoso con labile adesione sul metallo. La sua azione protettiva non è quindi sufficiente a inibire o arrestare il processo corrosivo.

I metalli di transizione detti anche elementi del blocco d possono formare una classe di composti detti di coordinazione in cui intorno a uno ione metallico che si comporta da acido di Lewis  si coordinano dei leganti che agiscono da basi di Lewis.

Tra i più importanti composti di coordinazione si ricordano la vitamina B₁₂, l’emoglobina, la clorofilla, alcuni coloranti e pigmenti.