I metalli | La chimica che ha cambiato la storia #5

Ottomila anni fa l’uomo imparò a fondere i metalli. Da allora questi hanno avuto un’influenza fondamentale nel plasmare gli eventi umani. Lo stagno delle miniere della Cornovaglia, nell’Inghilterra meridionale, era stato molto ricercato dai romani e fu una delle ragioni della loro espansione in Britannia. Nel corso del Cinquecento si stima che furono riversate nelle casse spagnole circa 16 milioni di tonnellate d’argento provenienti dalle miniere del Nuovo Mondo. La ricerca di metalli preziosi quali oro e argento ha guidato per secoli l’esplorazione umana, portando alle colonizzazioni e alle corse all’oro dell’Ottocento in California, Sud Africa, Nuova Zelanda, Australia e nel Klondike canadese.

La tavola periodica, ideata nel 1869 dal chimico russo Dmitrij Ivanovic Mendeleev, contiene ad oggi 118 elementi: 98 sono stati rinvenuti sulla Terra, 20 sono stati prodotti artificialmente. Più di 80 sono metalli e di questi alcuni erano già ampiamente conosciuti e adoperati nell’antichità: ferro, rame, argento, stagno, oro, mercurio, piombo.

L’era dei metalli

Il primo metallo utilizzato dall’umanità fu il rame, perchè reperibile allo stato nativo (elementare). I primi utensili in rame furono rinvenuti in Iraq e in Turchia e dovrebbero risalire al 9500 a.C.: fino ad allora questo metallo veniva lavorato “a freddo”, ossia a martellate. Qualche migliaio di anni dopo l’uomo affina la tecnologia di lavorazione di questo metallo e impara a fonderlo. Nasce così l’era del rame, era di transizione tra quella della pietra e quella della nascente metallurgia.

Successivamente l’uomo scopre che combinando il rame con lo stagno si ottiene un materiale più duro e più resistente: il bronzo. Questo assunse un’importanza così cruciale nello sviluppo delle civiltà da spingere gli storici a chiamare l’era che va dal 3000 a.C. al 1000 a.C. con il suo nome.

Intorno al 200 d.C. si scoprono alcune interessanti proprietà del mercurio, un metallo liquido a temperatura ambiente: combinandolo con ad esempio l’oro si ottiene un’amalgama utilizzata per la doratura di oggetti e utensili. Quando l’oggetto in questione è scaldato in forno, il mercurio evapora rilasciando dietro di sé un sottilissimo strato di oro, detto foglia d’oro.

Già dal secondo millennio avanti Cristo si fa avanti un altro metallo, il ferro, che darà il nome all’era successiva a quella del bronzo. Il ferro di quest’epoca non era chimicamente puro, ma una lega ferro-carbonio. Oggi definiamo queste leghe come ghisa e acciaio a seconda del contenuto di carbonio. Armi e utensili fabbricati in leghe di ferro erano più resistenti e durevoli del bronzo. Dal XIV secolo una tecnologia più avanzata di lavorazione del ferro viene sviluppata: in Europa vengono costruiti i primi altoforni in grado di fonderlo. Fino ad allora le temperature raggiunte permettevano solamente una lavorazione a caldo.

L’era del ferro e dell’acciaio

Il ferro diventò il materiale principale della Rivoluzione Industriale: motori a vapore, ferrovie, macchinari industriali, ponti, edifici e navi. L’uso del ferro rese possibile l’allargamento delle città, la nascita di nuove infrastrutture e un aumento della popolazione. A metà del 1800 l’inventore inglese Henry Bessemer mette a punto il processo che prende il suo nome per la produzione economica di acciaio su scala industriale. Questo prese presto il posto del ferro in tutta una serie di applicazioni. Da lì a poco, diversi tipi di acciai vennero prodotti per gli utilizzi più diversi: dagli utensili da cucina ai motori dei veicoli, dagli escavatori agli impianti industriali.

La metallurgia ha avuto indubbiamente un ruolo fondamentale nello sviluppo delle società. Se i metalli non esistessero, la nostra vita sarebbe ristretta a pietra, ossa e legno: non ci sarebbero infrastrutture, autotrasporti e molto altro. Oggi i materiali metallici sono adoperati per il trasporto di corrente elettrica su elevate distanze: senza di essi vivremmo in società ben diverse da come si sono sviluppate. Se anche le proprietà stesse dei metalli fossero diverse da come sono, la storia avrebbe preso un altro corso.

Se il ferro fondesse a temperature inferiori di 1538°C, molto probabilmente non ci sarebbero state le ere del rame e del bronzo. E se invece fondesse a 400°C, l’uomo avrebbe potuto benissimo costruirsi utensili di ferro con semplici falò all’aria aperta invece di fornaci con una certa tecnologia. Il progresso della metallurgia è dovuto alla capacità tecnologica di raggiungere temperature sempre più elevate. Ciò permette la lavorazione di metalli altofondenti aprendo così tutta una serie di possibili trattamenti termomeccanici in grado di modificare e migliorare le loro proprietà chimico-fisiche e meccaniche, quali durezza, flessibilità, resistenza alla rottura, resistenza alla corrosione e altre.

Per la precisione, il primo metallo utilizzato fu molto probabilmente l’oro per la manifattura di gioielli, ornamenti e oggetti rituali. Non impattò enormemente sullo sviluppo della civiltà per la sua scarsità e soprattutto per la sua tenerezza, che lo rendono un metallo non adatto a utensili o armi.

Ci servono tutti i metalli sulla tavola periodica?

Ora osservate la tavola periodica che avrete sicuramente appesa sul muro di fronte a voi: se così non fosse, cliccate qui. Nella parte destra ci sono elementi definiti come non-metalli, tra i quali troviamo il carbonio, l’ossigeno e l’azoto: elementi della vita. In tutto il resto della tavola periodica ci sono solamente metalli e credetemi quando vi dico che non sono assolutamente inutili. Fino ad ora ho scritto solamente di rame, ferro e oro e relative leghe, eppure tutti gli altri metalli trovano oggi molteplici applicazioni e nel link di cui sopra ne potete visionare alcune. Ho così deciso di rendere più interessante questo articolo citandone alcune un po’ più esotiche.

Alluminio e titanio

L’alluminio, un metallo comune e conosciuto da tutti, è il metallo più abbondante sulla crosta terrestre: leggero, resistente e duttile, e così le sue leghe. Le sue applicazioni spaziano dalle costruzioni, agli attrezzi domestici, ai veicoli aerei e aerospaziali.

Il titanio è un metallo estremamente forte ma leggero e resistente ad elevate temperature. Per questo è usato nell’industria aerospaziale (motori, propulsori, ecc.) e nell’industria biomedica (impianti prostetici e dentali). L’ossido di titanio (TiO₂) si presenta come una polvere cristallina bianca ed è adoperato nelle creme solari, come assorbitore dei dannosi raggi UV, e come pigmento bianco nelle vernici. Lo sapevate che il Palazzo Italia all’Expo 2015 è autopulente? Ciò è dovuto alla vernice adoperata, che contiene appunto questo composto.

Gallio, zirconio e rodio

Avete mai sentito parlare del gallio? Metallo argenteo raro e con un punto di fusione molto basso (30°C), difatti fonde in mano. È adoperato come sostituto del mercurio nei termometri. L’arseniuro di gallio è un importante materiale per laser, semiconduttori e pannelli solari.

Sono certo che avrete invece sentito nominare lo zirconio, ampiamente adoperato per gli impianti dentali sottoforma di ossido di zirconio, o zirconia. Allo stato metallico è usato come agente anti-corrosione nelle tubature industriali. Trova applicazioni nei reattori nucleari in quanto non assorbe neutroni.

Il rodio è un metallo tra i più costosi (o il più costoso) e molto raro. È ampiamente utilizzato nelle marmitte catalitiche dei nostri veicoli, in quanto un ottimo catalizzatore per rimuovere dai gas di scarico nocivi ossidi di azoto, idrocarburi incombusti e monossido di carbonio.

Metalli esotici: lantanoidi e attinoidi

Esiste tutta una serie di metalli definiti terre rare. Sono quelli che a scuola mai nessuno considera, eppure possiedono proprietà utilissime, come ad esempio la loro luminiscenza quando formano dei composti. Trovano ampio impiego nei superconduttori, nella levitazione magnetica, nella optoelettronica, nei magneti permamenti, nella catalisi chimica e nelle batterie delle auto ibride.

Alcuni composti di europio, l’elemento 63, possiedono emissioni luminose così univoche e caratteristiche a tal punto da essere adoperati come agenti antifalsificazione nelle attuali banconote in euro.

Un sottile strato trasparente di ossido di stagno e indio è depositato sul vetro dei nostri smartphone per realizzare la funzione touch. Scandio ed ittrio sono anch’essi aggiunti allo schermo per evitare la penetrazione di raggi UV nel telefono, così da non renderlo ustionante.

L’elemento numero 64 si chiama gadolinio ed è usato come mezzo di contrasto nella risonanza magnetica (MRI). Ha interessanti proprietà di cattura di elettroni, e difatti è usato, insieme ad altri come afnio ed erbio, nei sistemi di spegnimento di emergenza dei reattori nucleari.

Il neodimio (elemento 60) è utilizzato per produrre magneti potenti. Questi hanno reso possibile la miniaturizzazione di diversi dispositivi elettronici come microfoni, telefoni-cellulari, altoparlanti e strumenti musicali elettronici. Inoltre offrono un’ottima qualità del suono: le rapide fluttuazioni del loro campo magnetico possono far vibrare una sottile membrana in grado di emettere onde sonore.

Perché questi nomi?

Se avete mai letto i nomi degli elementi (o dei minerali che formano), vi sarete sicuramente chiesti come mai alcuni abbiano dei nomi così curiosi. Taluni possiedono il nome del loro scopritore o del loro paese di origine, altri invece hanno origini un po’ più particolari. Il titanio ad esempio prende il nome dal generico nome dei giganti mitologici figli di Urano e Gea, e lo deve alla sua elevata resistenza meccanica. (A proposito di titanio, ho scritto un articolo sugli impianti ortopedici e dentali in titanio in collaborazione con un altro blog di divulgazione scientifica, che trovate a questo link).

Anche Primo Levi si interrogò sull’origine dei nomi e nelle sue interviste e nei suoi scritti ne racconta l’origine di alcuni.

Il lantanio in greco vuol dire nascondersi, l’hanno chiamato così perché si nascondeva, perché aveva eluso per decenni il tentativo di isolarlo, la ragione oggi la sappiamo molto bene. Il lantanio fa parte di una famiglia di lantanidi, una ventina di elementi, che si assomigliano moltissimo, quindi è molto difficile separarli; ci si è arrivati poco per volta e con molti sforzi.

(da una intervista a Primo Levi di Luciana Costantini e Orietta Togni, 1986)

Dalla stessa intervista ho tratto la seguente citazione, nella quale Primo Levi ci racconta del nome della blenda, un minerale di zinco e solfuro da cui si estrae a livello industriale lo zinco (e cadmio, gallio e indio come sottoprodotti):

La blenda che è il solfuro di zinco si chiama così da un verbo tedesco, blenden, che vuol dire accecare, perché abbaglia, fa sembrare una cosa per un’altra.

E ancora:

Sia il cobalto che il nichel hanno ricevuto il nome da due tipi di elfi, cioè di folletti, perché i loro minerali venivano confusi con il minerale di ferro, come se veramente nel sottosuolo ci fosse un’armata di gnomi che mascherano un minerale con un altro, danno ad un minerale l’aspetto di un altro.

Lascio a voi e alla vostra curiosità di fare qualche ricerca per conoscere la provenienza di altri nomi degli elementi della tavola periodica.

Finisce qui?

Ovviamente questo articolo non vuole in alcun modo essere esaustivo sul vastissimo mondo dei metalli, anche perchè toccherebbe non soltanto la metallurgia, ma tutte le discipline scientifiche: biologia, chimica, fisica, scienze ambientali e della Terra. I metalli trovano oggi infinite applicazioni, sia allo stato elementare sia in composti chimici, e questo ultimo fatto ne estende le applicazioni.

Fonti:
[1] azom.com
[2] Reardon Arthur C., Metallurgy for the Non-Metallurgist, 2011
[3] Smith C., The Interaction of Science and Practice in the History of Metallurgy, Technology and Culture (1961)