I metalli

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METALLI

Alchimia

Gli alchimisti ammettevano l'esistenza di sette metalli, derivati da un unico principio e generati per influenza dei pianeti: l'oro, formato dal Sole; l'argento, formato dalla Luna; il mercurio, da Mercurio; il piombo, da Saturno; lo stagno, da Giove; il ferro, da Marte; il rame, da Venere. Molti li suddividevano in perfetti(oro e argento, che sono inalterabili all'aria) e imperfetti(mercurio, piombo, stagno, ferro, rame, che passano a «calce», cioè a ossido per azione del fuoco o dell'aria e sono facilmente attaccabili dagli acidi). Gli alchimisti ammettevano che tutti i metalli, anche l'oro e l'argento, fossero composti da zolfo e mercurio. I metalli imperfetti si formano per primi; il ferro, primo stato del materiale metallico, si trasforma in rame; il rame, perfezionandosi, si cambia in piombo; a sua volta il piombo in stagno, e successivamente in mercurio, argento e infine oro.

Chimica

Fra i 106 elementi chimici attualmente conosciuti, si distinguono metalli, semimetalli e non metalli. Questa distinzione deriva da un complesso di caratteristiche. Si possono rilevare anzitutto differenze di ordine fisico. A 20 °C i metalli sono tutti solidi, a eccezione del mercurio. Essi sono generalmente più pesanti dell'acqua, insolubili in acqua o nei normali solventi, e sono, da un certo spessore in poi, opachi. Se lucidati, presentano una lucentezza particolare, detta metallica, dovuta alla riflessione molto elevata dei raggi luminosi incidenti. Sono anche buoni conduttori del calore e dell'elettricità. Metalli, semimetalli e non metalli presentano anche differenze di ordine meccanico. Esercitando uno sforzo adeguato si può modificare la forma di un oggetto metallico senza romperlo. I metalli sono dotati infatti di una serie di particolari proprietà, le quali, generalmente mancanti nei non metalli, spiegano la facilità di lavorazione e la molteplicità degli impieghi cui i metalli si prestano. La reattività chimica è però il criterio più valido per distinguere i metalli dagli altri corpi semplici. Quando si effettua l'elettrolisi di un sale fuso, l'elemento che appare al catodo è sempre un metallo. I composti idrogenati dei metalli non sono mai acidi. Fra i composti ossigenati di un metallo ne esiste almeno uno in grado di reagire con gli acidi formando un sale e acqua; questo è detto ossido basico. Taluni elementi possiedono solo alcune delle proprietà precedenti. Così avviene per l'arsenico, l'antimonio, il titanio, lo stagno, ecc. Questi elementi sono detti semimetalli e spesso generano ossidi basici e anche ossidi acidi o anidridi.

Classificazione dei metalli

La classificazione dei metalli, come del resto quella dei non metalli, si inserisce nella classificazione periodica degli elementi chimici. Ragioni pratiche però hanno portato a raggruppare i metalli in vari gruppi i cui componenti hanno in comune particolari proprietà. La seguente classificazione, dovuta a Thenard, è basata sulle azioni dell'ossigeno e dell'acqua:
1. metalli monovalenti che decompongono l'acqua a freddo e che danno ossidi, solfuri e carbonati solubili: litio, sodio, potassio, rubidio, cesio (metalli alcalini);
2. metalli bivalenti che decompongono l'acqua a freddo e che danno carbonati insolubili: calcio, stronzio, bario (metalli alcalinoterrosi);
3. metalli che decompongono l'acqua all'ebollizione, e il cui ossido non è riducibile a metallo da parte dell'idrogeno: magnesio, alluminio;
4. metalli che decompongono il vapore acqueo al rosso, attraverso una reazione reversibile: zinco, manganese, cromo, ferro, cobalto, nichel;
5. metalli ossidabili al rosso, ma che non decompongono il vapore acqueo, i cui ossidi non liberano il metallo per calcinazione: piombo, rame;
6. metalli i cui ossidi si dissociano per riscaldamento liberando il metallo: mercurio, argento;
7. metalli che non reagiscono con l'ossigeno: oro, platino, metalli della famiglia del platino.

Metalli colloidali

Vengono chiamati «colloidali» i metalli quando si trovano allo stato di fine dispersione in un liquido che serve da mezzo di sospensione. Tale denominazione risale alle esperienze di Bredig (1898), il quale osservò che facendo scoccare l'arco elettrico fra due elettrodi di un metallo come l'oro, in acqua, si otteneva una soluzione colorata contenente una dispersione di particelle metalliche. La dimensione media delle particelle in sospensione è inferiore a 0,050 . Così vengono ottenute sospensioni di oro, di argento, di platino, ecc.
Ad analogo risultato si può arrivare per via chimica, riducendo un sale del metallo in soluzione acquosa molto diluita (nell'ordine del grammo per litro) con il tannino, con l'idrato di idrazina, con l'acido ossalico, ecc., a seconda del caso particolare considerato. Il colore spesso brillante di queste sospensioni, malgrado siano di bassa concentrazione, dipende dalla natura del metallo impiegato e dalla dimensione dei granuli. Se la soluzione salina da ridurre è troppo concentrata, ha luogo la formazione di particelle troppo pesanti per essere stabili, e si perviene a una rapida sedimentazione. Alcune di tali sospensioni sono note da lungo tempo: è ad es. il caso dell'oro potabile o acqua dorata, la cui preparazione è descritta nel Corso di chimica pubblicato nel 1730 da Nicolas Lémery.

Fisica e Metallurgia

Generalmente si asserisce che il metallo è una sostanza policristallina che possiede tutte o quasi tutte le caratteristiche seguenti: a) è duttile, malleabile, solido, lucente; b) conduce bene il calore e l'elettricità, e non è fragile; c) possiede densità estremamente variabile (0,53 g/cm³ per il litio, 22,6 g/cm³ per l'osmio) e punto di fusione parimenti variabile (­38,4 °C per il mercurio, 3.410 °C per il tungsteno); d) qualche metallo è polimorfo, cioè si trasforma in forme cristalline differenti a seconda della temperatura cui è sottoposto, in un processo che è reversibile (es.: Cr, Co, Fe, Ti, Zr, U); e) il colore non varia molto (dal grigio chiaro al colore argento) a eccezione dell'oro e del rame.
Mediante l'esame di superfici metalliche attaccate con reagenti chimici, e con l'esame degli spettri di diffrazione dei raggi X, si verifica che il metallo è realmente una sostanza cristallina, le cui strutture più comuni sono quelle del reticolo cubico a corpo centrato, o a facce centrate, o del reticolo esagonale. Il modo con cui tale struttura si organizza, quello cioè che dà origine alle differenze notevoli tra metalli e non metalli, e che è stato definito come «stato» metallico, è argomento di molti studi e teorie.
Il legame chimico responsabile della forte coesione della struttura cristallina dei metalli è detto legame metallico, ed è dovuto all'interazione elettromagnetica tra una parte degli elettroni orbitali e i cationi che costituiscono i nodi del reticolo. Gli elettroni che contribuiscono a stabilire questo legame (elettroni di valenza) non sono localizzati in determinate regioni del reticolo, ma si muovono con una certa libertà all'interno del cristallo con un'energia compresa in determinate bande formate da un grandissimo numero di livelli energetici molto vicini tra loro, ciascuno dei quali deriva da un particolare orbitale atomico.

Proprietà meccaniche dei metalli

Quando un campione di metallo viene sottoposto a opportuna sollecitazione meccanica, in ogni grano si producono scorrimenti, di piccolissima ampiezza, di alcune parti rispetto ad altre; i piani secondo i quali tali scorrimenti si manifestano sono quelli di maggiore densità atomica. La fig. 1a a pag. 97 indica il meccanismo della deformazione permanente di un cristallo sottoposto a una sollecitazione di trazione che forma un angolo di 45° con i piani di scorrimento; nel corso della deformazione quest'angolo diminuisce (fig. 1c). Se il provino fosse libero di orientarsi, lo scorrimento delle parti porterebbe a una rotazione del suo asse (fig. 1b); ma dato che le due parti estreme del provino sono obbligate dalla macchina di trazione a spostarsi in una determinata direzione, il provino non è libero di orientarsi, quindi il cristallo è costretto a ruotare. Nel caso di una struttura cristallina, le unioni fra i grani ostacolano la deformazione dei cristalli per scorrimento, e la tensione che determina gli allungamenti permanenti cresce col crescere delle aree dei piani di unione, ossia con la finezza del grano. L'influenza dei piani di unione viene spiegata rilevando che in due grani contigui i piani di scorrimento non sono generalmente orientati nello stesso senso e non formano perciò lo stesso angolo con l'asse del provino.
Immaginiamo i piani di scorrimento di due grani orientati simmetricamente rispetto alla sollecitazione di trazione (fig. 2a). Nel corso della deformazione questi piani ruotano e ne deriva, in prossimità del piano di unione, uno spostamento degli atomi del reticolo di ciascun grano rispetto alla loro posizione normale (fig. 2b). Tale spostamento origina tensioni nell'ambito del reticolo, le quali tendono a riportare gli atomi nella loro posizione di equilibrio, ma tale spostamento è impedito dalla deformazione permanente. Queste tensioni accrescono la resistenza alla deformazione permanente, per cui, per provocare una deformazione più accentuata, occorre contrastarle anche perché esse crescono con l'allungamento del provino. La coesione fra i due cristalli nel corso della deformazione è possibile soltanto se si ammette l'esistenza di una curvatura dei piani reticolari in prossimità dei piani di unione (fig. 2c).
Se non si ha simmetria dei piani di scorrimento, e soprattutto se i due reticoli cristallini si compenetrano, l'unione è ottenuta soltanto grazie a deformazioni supplementari dei reticoli le cui parti in rilievo sono di inclinazione opposta alle parti rientranti (figg. 3a e 3b). In un aggregato di cristalli diversamente orientati i fenomeni precedenti si moltiplicano e le notevoli distorsioni che si manifestano lungo i piani di unione dei grani e nei grani stessi aumentano durante la deformazione e la ostacolano.
Le distorsioni permangono una volta cessato lo sforzo determinando un aumento della resistenza alla deformazione, anche per la deformazione permanente, la quale genera tensioni interne nel reticolo cristallino e immagazzina energia elastica in prossimità dei piani di unione dei cristalli.
Analoghi fenomeni si manifestano durante la deformazione dei metalli per laminazione o per trafilatura.
Nello studio delle deformazioni dei metalli ha assunto particolare importanza quello delle deformazioni plastiche, che si verificano quando viene superato il limite elastico. Per la descrizione di tali fenomeni occorre tener presente il carattere reticolare cristallino dei metalli; a questo si deve infatti l'esistenza di direzioni preferenziali di deformazione, per le quali lo spostamento mutuo dei piani reticolari è maggiore, essendo minore l'energia necessaria ad attivare lo spostamento. Ad es., nei cristalli cubici a facce centrate vi sono quattro piani equivalenti, ciascuno con tre direzioni preferenziali di scorrimento.
A differenza dei solidi amorfi, nei cristalli l'orientamento delle sollecitazioni esterne non determina, da solo, il tipo di deformazione, che dipende anche dall'orientamento cristallino. Più precisamente, nei solidi cristallini si hanno due tipi di deformazione plastica, rispettivamente per slittamento e per geminazione. Il primo tipo, frequente nei cristalli ad alta simmetria, è caratterizzato dal fatto che i piani reticolari dopo la deformazione si ricostituiscono mantenendo inalterato il tipo di struttura e l'orientamento; lo spostamento può avvenire sia con moto discontinuo d'insieme, sia per migrazione di dislocazioni. La deformazione per geminazione mantiene inalterato il tipo di struttura ma non l'orientamento; ha luogo per piccoli spostamenti atomici o per rotazione, con o senza intervento di dislocazioni.
In molti casi la deformazione plastica provoca un aumento del numero di dislocazioni, con conseguente interazione fra le dislocazioni; è l'insieme di tali interazioni che provoca l'incrudimento, con aumento di resistenza meccanica e diminuzione di duttilità. Le ricerche nel campo dei metalli e delle relative leghe hanno invece l'obiettivo di ottenere contemporaneamente elevata resistenza meccanica ed elevata duttilità. Nel campo degli acciai vanno ricordati i trip steels, che sono particolari acciai di tipo austenitico di recente introduzione; in questi si è invece aumentato il carico di snervamento sfruttando la presenza delle dislocazioni indotte mediante deformazione plastica (in tal modo si è elevata molto la dispersione delle particelle di carburo di ferro) e raffreddando successivamente la lega in modo assai brusco; l'austenite si trasforma così in martensite di struttura molto fine. Il risultato è un acciaio il cui allungamento percentuale di rottura ha raggiunto l'80%, con resistenza pari a quella degli acciai austenitici. Con particolari accorgimenti si è riusciti a produrre anche fili metallici sottilissimi, detti whisker, che hanno mostrato valori di carico di rottura vicini a quelli teorici.

Chimica

I metalli sono spesso in grado di formare fra loro soluzioni liquide o solide di composizione variabile fra limiti assai estesi: questa proprietà è utilizzata per l'elaborazione delle leghe; talune coppie di metalli sono fra loro solubili in tutte le proporzioni. Una soluzione solida omogenea presenta al microscopio lo stesso aspetto di un metallo puro, cioè si ha un aggregato di grani della stessa composizione. In un cristallo di soluzione solida gli atomi sono disposti in modo analogo a quello sopra descritto per un cristallo di metallo puro, ma gli atomi non sono tutti uguali. Se i diametri atomici dei due metalli legati sono fra loro molto diversi, la struttura del reticolo cristallino è evidentemente perturbata e le superfici di massima densità atomica risultano deformate. Gli elettroni si spostano verso le bande di energia esterne della struttura cristallina o in senso opposto, a seconda che la valenza dell'elemento di addizione sia superiore o inferiore alla valenza dell'elemento base. A queste perturbazioni viene generalmente attribuito l'aumento della durezza e della resistenza meccanica del metallo base per introduzione di atomi estranei nel suo reticolo. L'esperienza indica del resto che, per uno stesso tenore di elemento aggiunto, l'effetto è tanto maggiore quanto maggiore è la differenza fra i diametri atomici e fra le valenze del metallo base rispetto al metallo aggiunto. Così l'alluminio in soluzione nel rame accresce la durezza di quest'ultimo, poiché l'atomo di alluminio ha un diametro atomico che differisce dell'11 % dal diametro dell'atomo di rame, e una valenza tripla. Lo zinco, bivalente e di diametro atomico poco differente da quello del rame, ha sul rame un'azione meno rilevante dell'alluminio.
Taluni metalli elettrochimicamente molto differenti possono dar luogo a composti chimici definiti; in tal caso la configurazione degli atomi non è semplice come nelle soluzioni solide, e le interazioni fra atomi sono diverse.
I metalli puri fondono e solidificano a temperatura costante, caratteristica per ciascun metallo; infatti quando nel corso del raffreddamento un metallo liquido raggiunge la temperatura di solidificazione, ha inizio la costituzione di germi cristallini con sviluppo di calore, che compensa quello sottratto; da questo momento ogni sottrazione di calore dà luogo a nuovi germi o fa crescere quelli già esistenti, che assorbono progressivamente il liquido. Quando tutto il liquido è scomparso i cristalli vengono a contatto e la temperatura del metallo ricomincia a scendere. I composti dei due metalli fondono e solidificano anch'essi a temperatura costante e caratteristica. Le soluzioni solide invece hanno un certo intervallo di temperatura di fusione o di solidificazione, che varia col variare della loro composizione chimica.

Prove sui metalli

Tale espressione riguarda più spesso le prove meccaniche sui metalli, ossia quelle che ne determinano le proprietà meccaniche. Così il carico di rottura e l'allungamento percentuale di rottura vengono determinati con la prova di trazione, la fragilità con la misura della resilienza (con il pendolo di Charpy), la resistenza a fatica con cicli di sollecitazioni ripetute, ad es. a trazione, la durezza con la determinazione delle dimensioni delle impronte, eseguita con i durometri; quest'ultima, a differenza delle precedenti, ha carattere non distruttivo. Hanno pure carattere non distruttivo l'esame superficiale del pezzo metallico con liquidi penetranti, basato sul fatto che eventuali discontinuità della superficie assorbono detti liquidi, il che può essere rivelato con metodi ottici; gli esami metalloscopici e in particolare con incrinoscopi per rivelare discontinuità interne; l'esame magnetoscopico che può rivelare discontinuità sia superficiali sia interne. È pure non distruttivo l'esame con metodo a correnti parassite, basato sulla perturbazione che ha luogo nella corrente elettrica indotta su di una bobina da una bobina adiacente, percorsa da una corrente alternata ad alta frequenza, quando fra le due bobine venga introdotto il pezzo in prova; con modalità sperimentali costanti la corrente indotta rivela eventuali anomalie non solo di conformazione, ma anche di proprietà magnetiche o elettriche del materiale costituente il pezzo. Con raggi laser vengono eseguite prove sulla regolarità della struttura cristallina dei metalli.