Alluminio: estrazione, pretrattamento, processo elettrolitico

L’alluminio è il metallo più abbondante che si trova sulla crosta terrestre dove è presente in moltissimi tipi di minerali. Esso è molto reattivo e quindi non lo si ritrova come tale ma sotto forma di composti: il minerale da cui si ricava  è principalmente la bauxite dove si trova sotto forma di Al₂O₃· 2 H₂O ma esso è rinvenuto in minerali alluminosilicati e nella criolite dove è presente sotto forma di Na₃AlF₆.

Nonostante i minerali contenenti alluminio siano molto abbondanti il suo prezzo è relativamente alto a causa degli alti costi dovuti alla sua estrazione.

Contrariamente ad altri metalli come il ferro che può essere ottenuto con l’utilizzo del carbonio che agisce da riducente, l’alluminio è così reattivo i suoi composti  non possono essere ridotti dal carbonio.

Per ottenere il metallo dai suoi minerali si ricorre pertanto a un processo elettrolitico dopo che dagli stessi sono stati rimossi altri composti ed in particolare l’ossido di ferro (III). Il fisico danese Hans Christian Ørsted nel 1825, descrivendo l’isolamento dell’alluminio presso la Royal Danish Academy of Sciences and Letters

Pretrattamento

L’ossido di alluminio impuro viene trattato con una soluzione concentrata di idrossido di sodio; gli ioni Al³⁺ e gli ioni ossidrile formano il complesso solubile tetraidrossialluminato secondo la reazione:

Al₂O₃ + 2 OH^– + 3 H₂O → 2 Al(OH)₄^–

L’ossido di ferro (III) essendo insolubile viene filtrato dalla soluzione; l’aggiunta di un acido trasforma il tetraidrossialluminato in idrossido di alluminio:

Al(OH)₄^– + H⁺ → Al(OH)₃ + H₂O

L’ idrossido di alluminio precipitato viene portato alla temperatura di ignizione per ottenere l’ ossido di alluminio secondo la reazione:

2 Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3 H₂O

Poiché la temperatura di fusione dell’ossido di alluminio è di 2000 °C, temperatura troppo elevata per effettuare l’elettrolisi, e che inoltre ne innalzerebbe notevolmente i costi, si aggiunge la criolite fusa per abbassare la temperatura di fusione dell’ossido di alluminio con formazione di ioni Al³⁺ e O^2-

Processo elettrolitico

La cella elettrolitica è costituita da un contenitore di  acciaio e da due elettrodi di grafite in cui avvengono le seguenti semireazioni:

al catodo (-): Al³⁺+ 3e^– → Al

all’anodo (+):  2 O^2– → O₂ + 4 e^–

Affinché il numero di elettroni acquistati da Al³⁺ sia uguale al numero di elettroni persi dall’ossigeno si moltiplica la prima semireazione per 4 e la seconda per 3:

4 Al³⁺+ 12 e^– → 4 Al

6 O^2- → 3 O₂ + 12 e^–

Sommando membro a membro e semplificando gli elettroni si ha:

4 Al³⁺+  6 O^2- → 4 Al + 3 O₂

Il processo complessivo è quindi dato dalla seguente reazione:

2 Al₂O₃ → 4 Al + 3 O₂

L’ossigeno formatosi all’anodo, a causa della temperatura elevata, reagisce con l’elettrodo di grafite danneggiandolo per formare monossido e biossido di carbonio e quindi l’elettrodo deve essere spesso sostituito.

Stante la grande quantità di energia consumata per ottenere l’alluminio metallico si preferiscono processi di riciclaggio