Prefazione prof. Betto

Un altro ottimo lavoro realizzato questa volta da tutti gli alunni della classe 2.0 durante l’attività di Flipper Class. Quattro isole, quattro gruppi di lavoro che hanno prodotto in sinergia le differenti parti di questo argomento, sviscerandolo e poi sintetizzandolo per realizzarne un documento di studio. Partendo dalla mappa concettuale gli alunni hanno assemblato in un unico documento digitale il lavoro che vi presento qui di seguito. Buona lettura.

Sono un gruppo di elementi chimici con determinate caratteristiche: sono generalmente resistenti e brillanti, e soprattutto sono buoni conduttori di elettricità e di calore. La maggior parte dei metalli sono opachi, cioè non si può guardarvi attraverso e a temperatura ambiente sono solidi. Alcuni elementi, come il sodio, sono estremamente reattivi, cioè tendono a reagire con altri elementi per formare composti. Altri, come l’oro, non lo sono quasi per niente.

Tavola Periodica degli Elementi

I METALLI NELLA STORIA

Durante tutto il Paleolitico e buona parte del Neolitico, il materiale più usato fu la pietra. Gli oggetti in pietra erano però di difficile lavorazione.

Verso il 4000 a.C. alcuni artigiani scoprirono che alcune “pietre”, se riscaldate al punto giusto, si liquefacevano: fu così che l’uomo venne a contatto con i metalli. Il primo metallo a essere usato fu il rame che, in quell’epoca, nell’area del Mediterraneo, si trovava allo stato nativo, cioè puro e non unito ad altre sostanze. Le “pietre” di rame venivano riscaldate fino a quando si scioglievano e poi il metallo fuso veniva colato in stampi. Grazie al rame fu possibile costruire strumenti non fabbricabili con la pietra e, in caso di rottura, bastava fondere nuovamente lo strumento rotto e colarne uno nuovo.

Verso il 3000 a.C. però il rame nativo si esaurì e fu necessario utilizzare rocce che contenevano, oltre al rame, altri minerali. Questo rese più difficoltoso il processo di estrazione e lavorazione, ma le difficoltà vennero via via superate, mentre la richiesta di oggetti di rame aumentava, tanto che cominciarono a essere organizzate spedizioni marittime per andare a rifornirsi ovunque fosse possibile.

Anche le scoperte riguardanti la lavorazione dei metalli non si arrestavano. Fu scoperto, infatti, che, se invece di usare un solo metallo, se ne fondevano assieme due, si otteneva una lega, più resistente e quindi adatta a produrre oggetti prima non fabbricabili. La prima lega scoperta dall’uomo fu il bronzo, una lega di rame e stagno. Il procedimento per fabbricare oggetti di bronzo era identico a quello usato per fabbricare oggetti in rame; lo stagno era però poco o per nulla presente nell’area del Mediterraneo orientale, quindi fu necessario organizzare spedizioni marittime verso la Spagna e l’Inghilterra, dove questo metallo era presente in grande quantità.

Verso il 1200 a.C. gli uomini impararono a usare un nuovo metallo, il ferro, anche se inizialmente ci furono notevoli difficoltà relative alla sua lavorazione.

PROPRIETA’

Mappa concettuale sulle Proprietà dei Metalli

PROPRIETA’ FISICHE E CHIMICHE

• Massa volumica: la massa volumica è il rapporto fra la massa e il volume.
• Corrosione: fenomeno chimico che provoca il graduale deterioramento di una sostanza solida, per lo più un metallo, per effetto di agenti esterni.
• Conduttività termica: la conduttività termica descrive il trasporto di energia sotto forma di calore.
• Conducibilità di elettricità: misura della capacità di un materiale a condurre una corrente elettrica.
• Temperatura di fusione: la temperatura di fusione è la temperatura alla quale un materiale passa dallo stato solido a quello liquido.

PROPRIETA’ MECCANICHE

• Trazione: forza che agisce su un corpo in modo da provocarne l’allungamento nella direzione della forza stessa.
• Compressione: quando le forze dirette lungo l’asse tendono ad accorciare il metallo.
• Taglio: un corpo è sollecitato dal taglio quando le forze applicate tendono a far scorrere uno sull’altro due piani vicini.
• Torsione: un corpo è sollecitato a torsione quando le forze applicate tendono a torcere le sue fibre.
• Flessione: un corpo è sollecitato a flessione quando le forze applicate perpendicolarmente al suo asse tendono a curvarlo.
• Durezza: è la resistenza che il materiale oppone alla penetrazione di una punta cioè alla scalfitura e non alla facilità che ha un minerale di rompersi.
• Fatica: è la resistenza dei materiali a sforzi variabili e ripetuti.

PROPRIETA’ TECNOLOGICHE

• Fusibilità: la fusibilità è l’attitudine di un materiale a essere trasformato in prodotto finito mediante fusione.
• Malleabilità: la malleabilità è l’attitudine di un materiale a essere trasformato in lamine.
• Duttilità: la duttilità è l’attitudine di un materiale a essere trasformato in fili senza rompersi quando sono tirati.
• Saldabilità: la saldabilità è l’attitudine di un pezzo a unirsi con un altro pezzo mediante fusione.
• Temprabilità: la temprabilità è l’attitudine delle leghe metalliche a trasformazioni della struttura cristalline.

NON METALLI

I non metalli sono quegli elementi chimici che presentano un aspetto opaco e sono cattivi conduttori di elettricità e di calore. Sono situati a destra della tavola periodica (tranne l’idrogeno che è in alto a sinistra) e presentano caratteristiche fisiche opposte a quelle dei metalli. A temperatura e pressione ambiente esistono in tutti gli stati di aggregazione della materia: possono essere allo stato gassoso (come l’ossigeno e l’azoto), allo stato liquido (come il bromo) e allo stato solido (come il carbonio e lo zolfo). Sono fragili e hanno solitamente bassi punti di fusione. Sono non metalli i seguenti elementi: Azoto, Idrogeno, Carbonio, Ossigeno, Fluoro, Fosforo, Zolfo, Cloro, Selenio, Bromo e Iodio. Fanno parte dei non metalli anche i gas nobili.

SEMI-METALLI

I semimetalli sono elementi che hanno proprietà intermedie tra quelle dei metalli e quelle dei non metalli. Hanno aspetto lucente, conducibilità termica ed elettrica (come i metalli), fragilità, mediocre conduzione elettrica (come i non metalli). Se si combinano con elementi a carattere non metallico hanno un comportamento simile a quello dei metalli, mentre se si combinano con elementi a carattere metallico hanno un comportamento simile a quello dei non metalli. A temperatura ambiente sono allo stato solido e sono sette: silicio, germanio, antimonio, arsenico, boro, tellurio, astato.

I principali elementi semimetalli sono:

Silicio: è per abbondanza il secondo elemento della crosta terrestre. Grazie alla sua caratteristica di semiconduttore viene utilizzato per la costruzioni di numerosi strumenti elettronici. Combinato con l’ossigeno forma la silice.

Germanio: è poco abbondante ma molto diffuso. È un semiconduttore e viene utilizzato nella produzione di lenti per strumenti ottici e di transistor.

Antimonio: è poco abbondante in natura. Composto con il piombo viene utilizzato per la produzione di pallini da caccia. Alcuni suoi composti vengono utilizzati in medicina. 

LEGHE METALLICHE

Le leghe metalliche sono materiali ottenuti miscelando tra loro due o più metalli e altri elementi per ottenere prodotti di migliore qualità, per esempio meno soggetti all’arrugginimento o più duri o più flessibili. La maggior parte degli oggetti metallici attorno a noi è costituita da leghe, come nel caso del bronzo, dell’ottone e dell’acciaio; anche l’oro dei gioielli, in realtà, è una lega! Leghe metalliche sono utilizzate anche in campo medico, per esempio nelle protesi o nelle otturazioni dentarie.

LA SIDERURGIA

La Siderurgia è il processo industriale della Metallurgia che si occupa della lavorazione del ferro.

Comincia con l’estrazione dei minerali metalliferi contenenti il ferro (che non si trova allo stato puro in natura) dalle cave o dalle miniere. Come per molti metalli, si effettua la frantumazione dei minerali estratti ed una successiva macinazione. Questi vengono lavati da polveri ed impurità e categorizzati a seconda della concentrazione dei metalli contenuti mediante separazione magnetica o gravitazionale. Seguono poi le operazioni di flottazione, vagliatura, calibratura, essiccazione, calcinazione e arrostimento dei minerali. A questo punto i minerali di ferro sono stati ripuliti dalla maggior parte delle impurità e sono pronti per essere fusi negli altiforni.

FERRO

Il ferro è più usato di tutti i metalli, formando il 95% di tutto il metallo prodotto universalmente. La combinazione di basso costo ed alta resistenza lo rendono indispensabile: le sue applicazioni vanno da contenitori alimentati a automobili famigliari, dai cacciaviti alle lavatrici, dalle navi da carico alle graffette per la carta. Il ferro è il metallo più abbondante sulla terra ed è considerato il decimo elemento più abbondante nell’universo. Il ferro è inoltre (34,6% in massa) l’elemento più abbondante che forma la terra; la concentrazione di ferro nei vari strati varia da molto alta nel nucleo interno a circa 5% nella crosta esterna. La maggior parte di tale ferro si trova in vari ossidi di ferro, come i minerali ematite, magnetite e taconite. Il nucleo della terra è ritenuto essere formato in gran parte da una lega metallica di ferro-nichel. Il ferro è essenziale per gli esseri viventi, dai microorganismi agli esseri umani. La produzione mondiale di ferro nuovo è pari a oltre 500 milioni di tonnellate all’anno e di ferro riciclato aggiunge altre 300 milioni tonnellate. Le riserve economicamente sfruttabili di minerali ferrosi superano i 100 miliardi di tonnellate. Le zone estrattive principali sono la Cina, il Brasile, l’Australia, la Russia e l’Ucraina, con quantità rilevanti estratte negli Stati Uniti, in Canada, Venezuela, Svezia e in India.

ALTOFORNO E PRODUZIONE DELLA GHISA

Altoforno

L’altoforno è un forno a funzionamento continuo per la fabbricazione della ghisa. È costituito da un’alta torre in muratura, formata da due tronchi di cono disuguali, quello superiore più lungo e quello inferiore più corto, raccordati da un elemento cilindrico. Il tino termina in alto con un orifizio (bocca); la sacca termina in fondo con un corto pozzo cilindrico detto crogiolo. La torre viene caricata, attraverso la bocca, con strati alterni di minerale (ossidi, preferibilmente piuttosto ricchi di ferro, come ematiti, limoniti, magnetiti), fondente (calcare, dolomite, silice e talvolta bauxite, utili a fornire una scoria fluida e a favorire quindi la discesa della carica) e coke (che viene acceso dal basso). L’ossido di carbonio, proveniente dalla combustione del coke, percorrendo in controcorrente l’intera torre, riduce i minerali a ferro, che si fonde nel crogiolo, uscendo sotto forma di ghisa assieme alle scorie, parimenti fuse. Il gas che fuoriesce in alto dalla bocca (una miscela di azoto, anidride carbonica, ossido di carbonio e idrogeno), bruciando completamente. Il gas è bruciato per circa il 25-30% entro i recuperatori Cowper, per riscaldare l’aria da insufflare attraverso gli ugelli, mentre il quantitativo restante può essere impiegato per scopi vari di processo. Tra gli impianti di più antica concezione (risale in forma primitiva al 13° sec.).

LA GHISA

La ghisa è una lega ferro-carbonio, contenente anche altri elementi, come silicio, manganese, zolfo, fosforo, in percentuali varie, caratterizzata da un tenore di carbonio compreso fra l’1,9% e il 5,5%.

La ghisa che si ottiene direttamente nell’altoforno dai minerali di ferro, tramite processi detti siderurgici, è detta ghisa d’altoforno oppure ghisa di prima fusione,  ghisa madre, ghisa greggia e viene prevalentemente usata per produrre, mediante affinazione, i diversi tipi di acciaio.

Proprietà: è dura, fragile, resiste poco alla trazione e alla flessione, è resistente alla compressione e alla corrosione; la ghisa non può subire lavorazioni plastiche in quanto non è malleabile, né a caldo né a freddo; possiede un’ottima fusibilità: fonde a temperatura non molto elevata, è fluida, dà getti sani  e compatti, e consente una facile realizzazione di pezzi anche molto complicati.

IL CONVERTITORE

L’ACCIAIO

L’acciaio in Metallurgia costituisce la categoria di prodotti industriali più importante nel mondo. Queste leghe si dividono in due grandi categorie:

1. l’acciaio, malleabile e tenace, con tenori di carbonio compresi fra lo 0,09 e l’1,7%;
2. la ghisa, fragile con colabilità in getti, con un contenuto di carbonio fra il 2 e il 4%.

L’acciaio si ottiene per affinazione della ghisa, decarburandola e depurandola al massimo dalle impurità dannose, soprattutto zolfo e fosforo, e correggendo contemporaneamente il tenore di altri elementi, quali silicio e manganese.

In passato l’acciaio era ottenuto direttamente dal minerale di ferro, il quale, ridotto dal carbone di legna, dava una ghisa che nella parte più calda del forno, dove entrava l’aria, si trasformava in acciaio (basso-fuoco catalano). Le dimensioni del forno vennero gradualmente aumentate per accrescere la produzione, ma seguendo questo metodo si arrivò alla realizzazione dell’altoforno per la sola produzione di ghisa, la quale doveva essere poi decarburata in un altro forno (basso-fuoco prima, convertitore e forno a suola poi, tuttora impiegati).

Le materie prime per la produzione dell’acciaio sono:

1. la ghisa greggia, proveniente dall’altoforno, che viene affinata (riduzione della percentuale del carbonio e delle impurità) ;
2. il rottame di ferro, derivato da recuperi civili e industriali ;
3. le ferroleghe, che sono leghe di ferro particolari, che non hanno impiego autonomo ma vengono appunto preparate per essere usate nella produzione di acciai e ghise speciali; contengono una percentuale di carbonio generalmente molto bassa (dallo 0,1% all’1%), con massiccia presenza (che può superare l’80%) di altri elementi come silicio, manganese, cromo, nichel, cobalto ecc… che vengono aggiunte agli acciai per migliorarne le caratteristiche.

LA SIVIERA

Ha la forma di una grande secchia, ed è costituita da un involucro di robusta lamiera rivestita internamente da materiale refrattario. Può avere diverse dimensioni, dalle più grandi, utilizzate nei centri siderurgici, capaci di trasportare fino a 400 tonnellate di metallo e che vengono movimentate e manovrate tramite carroponte o con appositi carri, fino alle più piccole, utilizzate nelle piccole fonderie, che si manovrano a mano tramite lunghe aste che fungono da manici, di cui una a forcella per facilitare il versamento. Un altro tipo di siviera è quella che viene montata su appositi carri ferroviari, per spostamenti più lunghi, e che viene chiamato carro siviera o carro siluro dalla sua forma. La siviera serve per raccogliere il metallo fuso che viene spillato da un forno fusorio, quale ad esempio l’altoforno o il cubilotto, per poi spostarlo fino alla successiva fase di lavorazione, che può essere la colata, il versamento in un convertitore per la produzione dell’acciaio, o un’altra fase del processo produttivo.

Carro Siluro per il trasporto della ghisa al convertitore

IL LAMINATOIO

E’ un processo di riduzione dell’altezza o cambio di sezione di un pezzo attraverso la pressione applicata tramite due rulli rotanti. La laminazione rappresenta il 90% dei processi di lavorazione per deformazioni ed è stata sviluppata nel 1500, si producono principalmente laminati che si suddividono in: piastre (spessore minore 6 mm) fogli o lamiere (spessore maggiore 6 mm). Si parte da semilavorati da fusioni continue o semicontinue. La prima laminazione viene effettuata a caldo per cambiare la microstruttura da fusione in una grana più fine e regolare per la laminazione.

Processo di Laminazione

METALLURGIA

La metallurgia è lo studio dei metalli; è il complesso dei trattamenti che devono essere eseguiti sui minerali dopo l’estrazione dalle miniere fino alla preparazione dei metalli e delle leghe per le diverse applicazioni. È definita come l’arte di ridurre i minerali metalliferi (ossidi, carbonati, ecc..) nelle forme e nelle condizioni atte al loro uso.

IL RAME E LE SUE LEGHE

Il rame è il metallo che l’umanità usa da più tempo. E’ un metallo di colore rosso o rossastro, di conducibilità elevatissima. È resistente alla corrosione e non è magnetico. È anche molto malleabile, molto resistente alla corrosione (per via di una patina aderente che si forma spontaneamente sulla superficie) e non è magnetico. È facilmente lavorabile, estremamente duttile, ma non è idoneo a lavorazioni con asportazione di truciolo, perché ha una consistenza piuttosto pastosa; i suoi impieghi possono essere per motori elettrici, rubinetti in ottone e per campane di bronzo. Inoltre il rame  è batteriostatico, cioè combatte la proliferazione dei batteri sulla sua superficie.

È molto importante perché è usato come base per produrre altre leghe come, ad esempio il bronzo e l’ottone.

BRONZO – è una lega composta da rame e un altro metallo (alluminio, nikel, stagno, ecc.)  anche se spesso il termine bronzo viene inteso come lega rame-stagno. Queste leghe presentano buone caratteristiche meccaniche e grande resistenza alla corrosione e sono lavorabili plasticamente. I bronzi vengono usati per numerose applicazioni: monete, medaglie, ingranaggi, strumenti musicali.

OTTONE – è una lega di rame e zinco. È diviso in 2 tipi: ottone binario costituito solo da rame e zinco, e ottone ternario quando è presente  anche un altro componente. L’ottone è un materiale duttile, malleabile e ha una buona resistenza alla corrosione. Ha notevoli proprietà acustiche e quindi viene impiegato nella produzione di svariati strumenti musicali.

L’ALLUMINIO E LE SUE LEGHE

Si tratta di un metallo duttile color argento. L’alluminio si estrae principalmente dai minerali di bauxite ed è notevole la sua morbidezza, la sua leggerezza e la sua resistenza all’ossidazione, dovuta alla formazione di un sottilissimo strato di ossido, impedisce all’ossigeno di corrodere il metallo sottostante. L’alluminio grezzo viene lavorato tramite diversi processi di produzione industriale, quali ad esempio la fusione, la forgiatura o lo stampaggio. L’alluminio viene usato in molte industrie per la fabbricazione di milioni di prodotti diversi ed è molto importante per l’economia mondiale. Le sue leghe sono il duralluminio, anticorodal, silumin, avional, ecc.

DURALLUMINIO – è una lega che ha assunto grande importanza nelle costruzioni aeronautiche. Deve le sue elevate proprietà meccaniche ad uno speciale trattamento termico, che ne aumenta la durezza, la resistenza e la tenacità, trattamento consistente nel temprare il metallo in acqua da 500° e nel lasciarlo invecchiare per alcuni giorni a temperatura ordinaria.

ANTICORODAL – si intende una serie di leghe di alluminio legate con magnesio, caratterizzate da buone caratteristiche meccaniche e ottima resistenza alla corrosione.

ALTRI METALLI

MERCURIO – è un metallo che in natura è allo stato liquido. Il mercurio era utilizzato nei termometri e in alcuni apparecchi per misurare  la pressione. Presenta bassa viscosità, elevate densità e tensione superficiale, mentre le conducibilità termica ed elettrica, per quanto elevate, risultano notevolmente inferiori rispetto a quelle degli altri metalli. È  altamente tossico.

ORO – L’oro è un metallo tenero, pesante, duttile, malleabile di colore giallo. Può assumere anche una colorazione diversa a seconda delle sue leghe: rossa, violetta e nera. L’oro è così duttile che un  grammo d’oro può essere battuto in una lamina la cui area è un metro  quadrato. È usato principalmente per gioielli e ornamenti. Le leghe dell’oro sono:  l’oro verde, l’oro rosa, l’oro giallo, l’oro blu, l’oro bianco . Si usa in gioielleria, odontoiatria e industria elettronica.

1. http://www.ing.unitn.it/~luttero/TecnologieSistemiLavorazione/Laminazione.pdf
2. http://www.treccani.it/enciclopedia/altoforno_(Dizionario_di_Economia_e_Finanza)/
3. http://ungaretti.racine.ra.it/SeT/macvapor/accighi.htm
4. http://doc.studenti.it/appunti/chimica/3/acciaio.html
5. http://doc.studenti.it/appunti/chimica/3/acciaio.html
6. http://it.wikipedia.org/wiki/Siviera
7. http://www.paginefamily.it/articolo/ferramenta/processo-siderurgico
8. www.sapere.it
9. http://www.skuola.net/chimica/inorganica/trattazione-metalli
10. www.scientific.fauser.edu
11. www.sacrumluce.sns.it
12. www.wikipedia.org
13. www.chimica-online.it
14. www.treccani.it
15. www.iceuropa.it