metalli

Metalli

Elementi fondamentali per lo sviluppo delle civiltà

Nella vita di tutti i giorni quasi ogni nostro gesto ci mette in contatto con oggetti in cui i metalli hanno funzioni diverse ed essenziali. Un’automobile o una bicicletta sono mezzi di trasporto costruiti in gran parte con metalli, per mangiare usiamo posate di metallo e grazie a fili metallici possiamo sfruttare la corrente elettrica. I metalli sono numerosi e differenti fra loro per le proprietà fisiche e chimiche. Le caratteristiche dei metalli sono dovute alla particolare organizzazione dei loro atomi

I più numerosi tra gli elementi

Nei tempi più remoti la scoperta di nuovi metalli ha scandito il succedersi di civiltà diverse. Primo fra tutti il rame, poi lo stagno, che in lega con il rame dà il bronzo, poi ancora il ferro, il più importante dei metalli. Rame, stagno e ferro devono essere ottenuti dai minerali con procedimenti particolari (alte temperature, uso di carbone di legna, e altro), che costituiscono la loro metallurgia. Argento e oro, invece, si trovano in natura già come metalli, ossia, come si dice nel linguaggio scientifico, allo stato metallico. In tempi più recenti, ma sempre secoli prima della nascita di Gesù Cristo, gli antichi conobbero il piombo e il mercurio. Oro, argento, rame, stagno, piombo, mercurio e ferro: ecco i sette metalli che furono alla base dell’economia e della tecnologia dell’antichità classica greca e romana. Greci e Romani impiegarono anche lo zinco, pur senza poterlo isolare come metallo puro, producendo oggetti in ottone, una sua lega con il rame.

Lo zinco metallico fu isolato per la prima volta in India nel 14° secolo, ma il flusso di scoperte di nuovi metalli iniziò in Europa intorno alla metà del Seicento e continuò impetuosamente fino alla fine dell’Ottocento. Platino, nichel, cobalto, cromo, vanadio, tungsteno, alluminio, magnesio sono metalli noti a tutti, ma ve ne sono anche tanti altri come il sodio e il calcio che conosciamo meglio attraverso i loro composti.

Nel 1789 il chimico francese Antoine-Laurent Lavoisier definì elemento una sostanza che non si può ulteriormente scomporre in altre sostanze, e già allora era evidente che gli elementi con proprietà metalliche erano molto più numerosi di tutti gli altri elementi con cui i metalli stessi si combinavano (per esempio l’ossigeno, lo zolfo, il fosforo). Oggi conosciamo una settantina di metalli, che costituiscono i due terzi degli elementi presenti in natura.

Conduttori di calore ed elettricità

La famiglia dei metalli è molto numerosa e, come in ogni famiglia, vi sono caratteristiche comuni a tutti i membri e anche notevoli differenze. I metalli hanno in comune la proprietà di essere buoni conduttori di calore.

Quando immergiamo un cucchiaino nel latte caldo ci accorgiamo che anche il cucchiaino diventa subito caldo. Questo avviene perché gli oggetti di metallo assumono facilmente energia sotto forma di calore, e la trasmettono altrettanto facilmente (sempre sotto forma di calore) ad altri corpi. Le pentole di alluminio, acciaio o rame svolgono bene il loro compito di cuocere i cibi perché conducono il calore dalla fiamma del gas agli alimenti che contengono. Tutti i metalli (chi più, chi meno) sono buoni conduttori di calore.

I cavi degli apparecchi elettrici sono costituiti da sottili fili di rame che conducono la corrente elettrica dalla rete all’elettrodomestico. I fili sono ben rivestiti di materiali isolanti per impedire che l’elettricità che vi scorre dentro possa provocare danni venendo in contatto con persone o cose. Anche gli altri metalli sono buoni conduttori di elettricità, e dato che la corrente elettrica è costituita da un torrente di elettroni se ne può dedurre che nei metalli gli elettroni hanno un comportamento particolare.

Cambiamenti di forma e di stato

Altre proprietà dei metalli sono legate alla loro deformabilità. Gli oggetti di metallo modificano la loro forma abbastanza facilmente, come possono constatare gli automobilisti imprudenti che guardano sconsolati la loro automobile dopo un incidente.

Si dice che i metalli sono malleabili perché possono essere deformati con azioni meccaniche più o meno decise; per esempio, un blocchetto di piombo può essere trasformato a colpi di martello in una lamina facilmente modellabile.

Sono definiti come duttili quei metalli che possono subire una deformazione molto particolare, e utilissima: quella di essere tirati in fili.

Le differenze all’interno della famiglia dei metalli riguardano sia proprietà chimiche, sia fisiche fondamentali quali il punto di fusione (temperatura del passaggio da solido a liquido) e il punto di ebollizione (da liquido a vapore). Il metallo con il punto di fusione più basso è il mercurio, che fonde a 239 °C ed è liquido a temperatura ambiente; un altro metallo insolito, il gallio, fonde a 29,78 °C: quindi basta tenerlo in mano per farlo fondere! Il mercurio bolle a 357 °C, mentre il gallio rimane liquido fino a 2.237 °C. All’estremo opposto troviamo poi i metalli che sono chiamati refrattari. Il tungsteno è un buon rappresentante di questa categoria: fonde a 3.410 °C e bolle a 5.900 °C.

Reagire con l’aria e con l’acqua

Le proprietà chimiche di un elemento riguardano la sua capacità di reagire con altri elementi o composti. La reattività dei metalli con l’ossigeno è di grande importanza pratica, perché l’atmosfera è composta per un quinto circa da ossigeno, che quindi può attaccare chimicamente gli oggetti manufatti con questo o quel metallo. La superficie pulita di molti metalli, non appena esposta all’aria, reagisce con l’ossigeno e si ricopre di un sottile strato di ossido, il composto che si forma tra il metallo e l’ossigeno. Se lo strato è stabile, l’ossidazione non procede in profondità: si dice che il metallo è passivato e l’oggetto si salva dalla distruzione chimica. Anche il ferro, per l’uomo il più importante dei metalli, si passiva, ma in presenza di acqua avvengono reazioni più complicate e si forma la ruggine, che – come è noto – si stacca molto facilmente: così, strato dopo strato un oggetto di ferro lasciato alle intemperie viene lentamente distrutto. Al contrario, lo strato di ossido che ricopre lo zinco esposto all’aria è molto stabile: per questo motivo si usano le lamiere zincate, fatte di ferro ricoperto da un sottile strato protettivo di zinco. Da questo discusso sopra risulta che anche la reattività dei metalli con l’acqua è importantissima: non potremmo certamente usare un pentolino di alluminio se questo metallo reagisse facilmente con l’acqua. I metalli sono classificati in tre categorie, a seconda che reagiscano con l’acqua a temperatura ambiente, ad alta temperatura, o che non reagiscano affatto: sodio, potassio e calcio reagiscono vivacemente con l’acqua fredda; alluminio, zinco e ferro reagiscono con il vapore d’acqua ad alta temperatura; rame, argento, oro e platino non danno reazione con l’acqua.

Vi è infine una proprietà chimica tipica dei metalli, o meglio delle loro superfici: l’attività catalitica (catalisi), ossia la capacità di modificare la velocità di una reazione. Molti metalli agiscono da catalizzatori in vario modo, ma in generale diminuiscono di molto il tempo impiegato da una reazione per giungere al suo punto finale di equilibrio.

Uno sguardo al mondo degli atomi e degli elettroni

Molte proprietà dei metalli si possono spiegare utilizzando un modello secondo cui gli atomi degli elementi metallici presentano un certo numero di elettroni poco ‘legati’ ai loro nuclei; di conseguenza, quando gli atomi di un metallo sono vicini fra di loro in un cristallo, molti elettroni sono liberi di circolare all’interno del cristallo stesso formando una specie di mare elettronico. In questa situazione anche gli atomi possono cambiare abbastanza facilmente la posizione l’uno rispetto all’altro, pur rimanendo vincolati dall’attrazione elettrostatica che si stabilisce nel comune mare di elettroni (legame metallico).

La relativa mobilità degli atomi spiega la deformabilità dei metalli, mentre la maggiore mobilità degli elettroni spiega la conducibilità rispetto al calore e all’elettricità. Anche l’attività catalitica dei metalli trova spesso una spiegazione nella disponibilità degli elettroni dei metalli a partecipare alle reazioni chimiche.

Acidi e metalli: un rapporto controverso

Molti metalli sono attaccati dagli acidi che li trasformano in sali, distruggendo la loro struttura (corrosione). Alcuni metalli reagiscono molto vivacemente come per esempio lo stagno, altri sono molto più ‘pigri’, come il piombo, che si fa scalfire dai metalli solo in superficie, e altri ancora, quelli più nobili, non reagiscono affatto. L’oro, per esempio, reagisce solo con un attacco combinato di due acidi molto forti, acido nitrico e acido cloridrico, mescolati insieme: questa miscela di acidi è chiamata acqua regia proprio perché riesce a dissolvere l’oro, che è il re dei metalli.