Metallurgia e Chimica

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di Giorgio Poli

fusione di metallo in crogiolo

fusione di metallo in crogiolo

A chi mi chiedesse: “Si può parlare di metallurgia in un sito dedicato alla chimica?” risponderei: “Non solo si può, è addirittura doveroso!”. Naturalmente è solo un parere personale, forse derivato da anni di operatività nell’ambito della didattica metallurgica.

Potrei cominciare formulando io una domanda: “E’ la chimica che è figlia della metallurgia o è la metallurgia che è figlia della chimica?”. Credo nella prima di queste affermazioni e cerco di spiegare il perché.

Premetto la seguente considerazione. Si pensa che la prima chimica usata dal genere umano (naturalmente in modo incosciente) per fabbricare qualcosa non presente in natura sia stata quella che oggi chiameremmo “chimica della fermentazione”: si hanno indicazioni di uso di bevande fermentate (forse simili alla birra) fin dal neolitico, prima dell’età dei metalli. Ma in questa sede la discussione è indirizzata ai metalli o, meglio, ai “materiali” impiegati dall’uomo per farne “utensili” di varia utilità, senza considerare questioni relative alla biologia, ad agricoltura e pastorizia, ai rapporti sociali, ecc. che potrebbero inficiare almeno in parte quanto segue.

schema dell'evoluzione umana

schema dell’evoluzione umana

Andiamo alle origini, e rifacendosi ai dogmi della cristianità sulla creazione, si sul dire che Dio è un “ceramista”. Il chiaro riferimento è all’operazione di plasmatura  del fango (o della creta) a forma di essere umano, il quale prende vita attraverso l’assorbimento di un flusso “divino”. Si può intravedere in ciò qualcosa di chimico? Penso di no, semmai c’è molto di tecnologico. Forse la chimica sarebbe entrata nella creazione se questa si fosse conclusa con la “cottura” della creta, operazione che sicuramente implica fenomeni chimici, ma questa sarebbe una visione troppo volgare della creazione. Comunque sia, l’”Homo” nelle sue varietà, da “habilis” a “erectus”“sapiens”, per centinaia di migliaia di anni ha sfruttato la tecnologia prima della chimica, fabbricandosi oggetti utili tramite la manipolazione meccanica dei materiali naturali, cioè già esistenti. Se così è, dove si può porre la nascita della chimica, intesa come l’insieme di operazioni che portano alla produzione di qualcosa che in natura non esiste? E’ evidente che un ruolo fondamentale lo ha avuto l’energia termica, cioè il fuoco. Forse la prima chimica è intervenuta nella fabbricazione di perline vetrose da usare come ornamento? Ma tali perline potrebbero essere state prodotte per semplice azione meccanica su materiali vetrosi naturali generati da solidificazione rapida di liquidi surriscaldati presenti nelle eruzioni vulcaniche. Forse nella fabbricazione di manufatti ceramici?

un esempio tra i più noti bronzi dell'antichità: i Bronzi di Riace

un esempio tra i più noti bronzi dell’antichità: i Bronzi di Riace

Ma in preistoria l’azione del fuoco va considerata prevalentemente come di tipo fisico, anche se il consolidamento tramite l’eliminazione dell’acqua può coinvolgere fenomeni chimici. Forse la prima chimica è intervenuta nei coloranti per decorare manufatti ceramici? Ma l’ematite esiste in natura ed è ben adatta allo scopo. Allora è probabile che sia da considerare il “bronzo” come il primo materiale  (meglio uno dei primi materiali) non esistenti in natura prodotti ed usati dall’uomo in cui è intervenuta massicciamente la chimica.

campioni dei minerali calcopirite (in alto) e cassiterite (in basso)

campioni dei minerali calcopirite (in alto) e cassiterite (in basso)

Perché? Il bronzo è una “lega metallica” (parleremo in seguito di questa terminologia) formata prevalentemente da rame e stagno. Il rame è reperibile in natura come elemento chimico (sono presenti in molte raccolte di minerali “pepite di rame”) ma non in quantità tale da produrre tutti i manufatti di bronzo fabbricati durante l’età del bronzo. E’ probabile che per casuale riscaldamento di alcuni minerali di rame, probabilmente carbonati, con fuoco di legna si sia prodotto rame metallico per riduzione in fase solida, ma ciò non cambia sostanzialmente la quantità di metallo disponibile.   In ogni caso, lo stagno non esiste come tale in natura. E’ quindi evidente che il bronzo deve essere stato prodotto da fonti di rame e stagno reperibili in natura, cioè da minerali naturali.  Ora come allora, la fonte più importante di rame è un minerale chiamato “calcopirite”, chimicamente un solfuro di rame e ferro a cui si attribuisce la formula CuFeS2. La fonte più probabile di stagno si chiama “cassiterite”, minerale la cui formula è SnO2, cioè un ossido. E’ chiaro che miscelando i due minerali non si genera bronzo, ma se l’intervento dell’energia termica permette di raggiungere temperature vicine a 800 °C si innesca una serie di complesse reazioni chimiche che portano alla formazione di un liquido che, dopo solidificazione, è bronzo metallico. Risultato: nella produzione del bronzo, metallo che non esiste in natura, la chimica svolge un ruolo fondamentale! Se poi invece che al bronzo si fa riferimento al ferro, le cose si complicano ulteriormente: i minerali in gioco sono ossidi e per generare metallo serve sia l’intervento di un riducente (il carbonio, o, più precisamente il monossido CO) che il raggiungimento di temperature più elevate.

Da questi esempi si può dedurre che sia la chimica ad essere figlia della metallurgia, e non  l’inverso!

Tutto questo se per “metallurgia” si intende la “produzione” di metalli. In realtà per metallurgia si può intendere anche la “lavorazione” dei metalli, cioè dei metodi per dare al metallo la forma e/o le proprietà (meccaniche, fisiche, chimiche, estetiche, ecc.) idonee ad un suo uso. Ma anche nella lavorazione dei metalli quasi sempre la chimica svolge un ruolo fondamentale (si vedranno esempi in seguito).

Riassumendo, trovo doveroso parlare di metallurgia in un sito dedicato alla chimica, ricordando preliminarmente che la chimica metallurgia è una disciplina molto complessa, i cui riflessi tecnologici, industriali ed economici sono amplissimi. E si può affermare che finora lo studio della interazione fra chimica e metallurgia ha portato a risultati molto importanti, ma non definitivi, come dimostrato dalla grande attività di ricerca ancora oggi portata avanti in molti laboratori e centri sia industriali che universitari.

Parleremo di metallurgia utilizzando il metodo della domanda/risposta: domanda posta da un  interlocutore interessato alla metallurgia e alla chimica metallurgica, risposta fornita da chi per molto tempo si è occupato di questi problemi ma che è consapevole di non conoscere tutto sull’argomento.

tavola periodica degli elementi

Prima domanda:

Esiste un termine unico per indicare sia i materiali composti da un solo elemento metallico (es. rame, argento, ferro, titanio, ecc) che quelli composti da più elementi (es. acciaio, bronzo, amalgame, ottone, ecc)?  Se uso il termine generico “metalli” rischio di commettere un errore?

La domanda può essere ridotta alla seguente: “Che cosa è un metallo?.
Evidentemente non è solo una questione di termini. Anche l’etimologia della parola “metallo” non è ben chiara: forse deriva dal latino “metallum”, oppure, come scrivono Asimov e White nel loro libro “La marcia dei millenni” del 1991, l’origine è nella parola greca “metallon” che significava “cercare”, con chiaro riferimento alla rarità in natura di questo tipo di materiale rispetto ad altri comunque utilizzabili, come la pietra, il legno, le pelli, l’osso, ecc.

Per una definizione di metallo può sembrare sufficiente riferirsi ad un qualsiasi vocabolario. Ecco alcuni esempi.

Il novissimo Melzi – Dizionario italiano – 1953
Parte linguistica – Metallo: Corpo semplice, che, salve eccezioni, presenta una particolare lucentezza ed è, in genere più o meno malleabile e duttile, più pesante dell’acqua. Combinandosi con ossigeno produce gli ossidi. I metalli sono elementi elettropositivi.

Libri su capitelloNicola Zingarelli – Vocabolario della lingua italiana – 1960
Metallo: Elemento  caratterizzato da speciale splendore, da tinta chiara, solido (eccetto il mercurio), com. duttile e malleabile; si trova in istato libero o in combinazione.

G. Devoto, G.C.  Oli – Dizionario della lingua italiana – 1971
Metallo: Elemento chimico caratterizzato da buona conducibilità termica ed elettrica, da elevata duttilità e malleabilità, da alto potere riflettente, da opacità alla luce, e capace di dare origine in soluzione a ioni carichi positivamente, nonché di formare con ossigeno ossidi a carattere basico. (…omissis…) Estens. Lega metallica, p. es. il bronzo e l’ottone.

Lo Zingarelli 2008 – Vocabolario della lingua italiana
Metallo: Elemento chimico, quasi sempre solido allo stato naturale, duttile, malleabile, buon conduttore del calore e dell’elettricità.

E’ evidente una sostanziale equivalenza delle definizioni, in cui ricorrono sempre alcuni termini fisici, come calore e elettricità, o meccanici, come duttilità e  malleabilità che meriterebbero (e meriteranno) una più precisa analisi.
Il problema è molto diverso se si cerca di capire che cosa vuol dire “elemento chimico avente carattere metallico”, magari sapendo che su 92 elementi chimici naturali 68 sono di questo tipo: evidentemente c’è una specie di desiderio intrinseco degli elementi chimici ad essere metalli!
L’input può derivare ancora da una definizione da vocabolario:

Il novissimo Melzi – Dizionario italiano – 1953
Parte scientifica – Metallo: Si ammette che allo stato solido, il metallo sia costituito da reticoli cristallini, infinitamente piccoli, la cui forma è diversa per ogni metallo e ai cui vertici siano disposti atomi e ioni. Ciò che distingue il metallo da ogni altro elemento è la sua possibilità di esser buon conduttore di calore e delle cariche elettriche, che  pare siano trasportati da elettroni che si sono liberati dagli atomi del metallo stesso e vagano continuamente negli spazi interatomici.

Per capire che cosa c’è di vero in questa definizione del 1953 è necessario entrare un poco più nel particolare e trovare una risposta, per noi la più semplice e chiara possibile, alla domanda: “Cosa vuol dire che un elemento chimico ha carattere metallico”.

Paul Karl Ludwig Drude

Paul Karl Ludwig Drude

Forse un chimico tradizionale si limiterebbe a dire che c’è di mezzo un “legame metallico”, e  allegherebbe a questa affermazione un ampio insieme di formule che qualifichino questo tipo di legame chimico inserendolo fra quelli “forti” rispetto ad altri che invece lo sono meno.  D’accordo, ma non c’è qualcosa di più semplice da mettere in ballo? Forse sì. Quando ancora i chimico-fisici si stavano arrovellando su come un elemento potesse essere definito “metallico”, un modello molto intuitivo fu messo a punto da Paul Drude. Chi è costui? Paul Karl Ludwig Drude (1863-1906) era un fisico tedesco che, partendo dalle teorie di Maxwell elaborate da Hertz, sviluppò un modello sulla conducibilità termica ed elettrica dei metalli che è servito come base per l’acquisizione delle attuali conoscenze in questo campo, in pratica per capire perché un metallo è metallo. Ciò è accaduto nei primi anni del XX secolo, e per questi risultati a Drude è stato intitolato un cratere lunare.

modello di Drude per il legame metallico

modello di Drude per il legame metallico

In estrema sintesi, e con tutte le semplificazioni del caso, il modello di Drude è questo. Prendiamo un elemento chimico che indubbiamente è un metallo: il rame. La sua struttura elettronica prevede che l’elettrone più esterno sia su un orbitale di tipo s per cui non si sbaglia molto a ritenere che l’atomo di rame sia una piccolissima sfera (si noti che al tempo di Drude il concetto di orbitale non era ancora stato definito: ciò va a favore della sua genialità). Se si pongono due atomi di rame vicini tra loro, l’elettrone esterno appartenente ad uno di questi ha molta probabilità di trovarsi nel punto di contatto: allora può decidere di percorrere il suo orbitale originario o quello dell’atomo adiacente. Se si realizza questa seconda eventualità, i due atomi di legano tra loro e si origina il legame metallico secondo Drude. Una versione più sofisticata e più collegata alle conoscenze attuali è la seguente: quando l’elettrone è nel punto di contatto, risulta soggetto a forze di attrazione da parte dei nuclei dei due atomi. Tali forze sono di pari intensità, di uguale direzione, ma di verso opposto; evidentemente il risultato della loro somma (o la “risultante”) è zero e quindi basta un piccolissimo impulso energetico (magari per un effetto termico dovuto alla temperatura non nulla) affinché l’elettrone venga espulso dalla sua orbita e vada a formare quella nuvola elettronica che sembra vagare all’interno del metallo per formare quel tipo di legame. In estrema sintesi, questo è il modello del legame metallico: si noti la congruenza con la definizione presente nel Melzi scientifico del 1953, sebbene a quel tempo le conoscenze si fossero già evolute fino allo sviluppo di modelli più complicati che meglio spiegano le effettive proprietà fisiche dei metalli (per gli interessati si veda il modello di Sommerfeld).

Ma è tutto qua ciò che fa diventare “metallo” un elemento chimico? Proprio no. Perché comunque lo si veda,  il modello del legame metallico presume che gli atomi che si devono congiungere siano  “a contatto” tra loro. Entra quindi  in ballo un’altra condizione “sine qua non” per essere metallo. Continuando a pensare ai costituenti (è meglio questa parola piuttosto che “atomi” visto che se perdono elettroni non sono più tali) come a delle sfere, è chiaro che avendo un certo spazio (volume) a disposizione e dovendo mettersi in contatto tra loro, cercheranno di disporsi nel modo più “compatto” possibile. Come risultato si ha che i costituenti sono obbligati a disporsi in “modo ordinato”, a formare quella distribuzione periodica tridimensionale che si chiama “cristallo”. In più, dovendo compattarsi al massimo, questo cristallo non potrà essere qualsiasi. Infatti se si considera un costituente e si contano quanti altri gliene stanno attorno in condizione di massima compattezza (quelli che si chiamano i suoi immediati vicini) evidentemente si arriva a 12 (valore noto come “numero di coordinazione”).

Ne deriva che l’ordine risultante è qualificabile secondo due tipi di reticolo cristallino: quello “cubico a facce centrate” (acronimo cfc) oppure quello “esagonale compatto”(acronimo ec). Infatti la diffrazione di raggi X evidenzia che molti elementi aventi carattere metallico sono cristalli dotati di quei reticoli cristallini. Se proprio non si riesce a raggiungere quel grado di compattezza, il cristallo che si origina diventa “cubico a corpo centrato” (acronimo ccc), situazione in cui un  costituente ne ha attorno altri 8. Geometricamente si può dimostrare che per impacchettamento di sfere uguali il massimo numero di coordinazione è 12, altrimenti si scende a 8. Con poche eccezioni,  i 68 elementi chimici naturali aventi carattere metallico sono cristalli dotati dei tre reticoli cristallini suddetti.

distribuzione costituenti dei metalli a massima compattezza

reticoli cristallini nei metalli

reticoli cristallini nei metalli

 

 

Una risposta a Metallurgia e Chimica

  • Sergio Palazzi scrive:

    Lo scorso anno, in una prima IT grafico, mi trovavo ad entrare nell’aula quando ne usciva la giovane collega di italiano e storia, che lasciava la lavagna piena di fantastici e dettagliati riferimenti alle prime civiltà.
    Ho basato gran parte delle lezioni introduttive alla chimica su quegli appunti. Così, introducendoli alla chimica, come è ovvio dal macro al micro (nel senso che ad atomi e molecole, almeno per tutto il primo quadrimestre, faccio solo accenni molto generici, mentre prima cerco di render capaci i fanciulli di “vedere” e misurare quel che hanno intorno), con loro ho parlato molto di metalli, di compositi come l’adobe di cui parla l’Esodo, di legno e fibre; della nascita della chimica legata all’arte, alla tecniche costruttive etc.
    Dopo qualche settimana dovevo affrettarmi ad entrare, se no al cambio dell’ora gli studenti in pochi secondi ripulivano la lavagna facendomela trovare come nuova…
    La collega, troppo brava, ovviamente quest’anno non è stata riconfermata (ma di sicuro lavoreremo bene anche con chi ne ha preso il posto); all’attuale seconda propongo subito questo articolo come ripasso e per vedere quali concetti dobbiamo via via sviluppare per poterlo capire interamente.
    Aggiungo che in qualche appunto, che non ho pubblicato perchè troppo grezzo, avevo indicato che “metallum/metallon” indicava probabilmente qualsiasi minerale, e per traslato la miniera stessa, da cui la damnatio ad metalla. Con alcuni riferimenti alla sicurezza sul lavoro e indicazioni minatorie per i lavativi.

    Grazie!

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