metallo

Lessico

sm. [sec. XIV; dal greco métallon, propr. miniera].

1) Sostanza caratterizzata da elevata lucentezza, da un buon potere riflettente della luce, da alta capacità di condurre il calore e l'elettricità. Gli elementi chimici che possiedono queste proprietà venivano chiamati metalli e distinti dal resto degli altri elementi denominati non-metalli o metalloidi. Secondo questa distinzione sempre più in disuso i metalli possono reagire con l'ossigeno per dare gli ossidi, i quali a loro volta con l'acqua danno gli idrati, mentre i metalloidi con l'ossigeno danno le anidridi e con l'acqua formano gli ossiacidi. In effetti molti elementi in alcuni composti possono essere considerati metalli e in altri metalloidi; di conseguenza nella moderna nomenclatura chimica si preferisce, riferendosi al comportamento “metallico” dell'elemento, denominare ossidi tutti i composti degli elementi con l'ossigeno e indicare nella denominazione il numero di atomi dell'elemento e dell'ossigeno (per esempio diossido di zolfo e non più anidride solforosa, ossido disodico, diossido di carbonio e non più anidride carbonica, ecc.), mentre una valida distinzione viene fatta in base alla struttura cristallina e ancora più rigorosamente in base alla struttura degli atomi.

2) Nell'uso comune può indicare anche le leghe metalliche: manico, recipiente di metallo. Per metonimia: A) lett., oggetto o strumento metallico e, in particolare, strumento musicale. B) Moneta metallica, per lo più con valore collettivo: c'è poco metallo in circolazione; quindi danaro in genere.

3) In araldica, i due smalti d'oro e d'argento.

4) Riferito a suoni, lo stesso che timbro.

Chimica

Gli elementi chimici a comportamento decisamente metallico, che continueremo a indicare come metalli, sono solidi a temperatura ordinaria a eccezione del mercurio, che è liquido e solidifica a -38,87 ºC, hanno bassa energia di ionizzazione e quindi danno facilmente ioni positivi, bassa affinità elettronica, emettono elettroni se colpiti da fotoni di alta frequenza (effetto fotoelettrico) o quando vengono riscaldati (effetto termoionico); la maggior parte ha potenziale elettrochimico negativo rispetto a quello dell'idrogeno e conseguentemente sulla Terra esistono soltanto come composti quali ossidi, solfati, solfuri, carbonati, ecc.; solo gli elementi metallici con potenziali elettrochimici positivi rispetto all'idrogeno possono esistere liberi (metalli nobili: oro, platino, ecc.); in diversi elementi molte di queste proprietà sono attenuate o del tutto inesistenti e si passa così, seguendo le righe della tabella periodica degli elementi chimici, gradualmente dai metalli ai non-metalli. I processi di estrazione dei metalli dai minerali che li contengono insieme alla ganga, la loro raffinazione e lavorazione costituiscono una scienza ben definita: la metallurgia. Nei processi di estrazione si compie la riduzione dell'elemento o per mezzo di sostanze riducenti quali carbon fossile (per esempio nel caso del ferro), ossido di carbonio, idrogeno o per via elettrolitica (per esempio nel caso dell'alluminio, dello zinco, ecc.). Per quel che riguarda la struttura cristallina dei metalli, i reticoli più comuni sono quello cubico a facce centrate o a corpo centrato (alluminio, cobalto, cromo, ferro, manganese, molibdeno, nichel, piombo, rame, tungsteno, vanadio, ecc.) e quello esagonale (berillio, magnesio, titanio, ecc.) con i singoli atomi situati ai vertici delle strutture geometriche corrispondenti ai sistemi cristallografici. I cristalli dei metalli vengono considerati perfetti solo quando tutti i siti previsti dalla geometria tridimensionale del sistema sono occupati da atomi, mentre quando questa disposizione non è realizzata si parla di difetti cristallini. Si hanno in tal modo le cosiddette vacanze che nel caso degli elementi metallici spiegano molte delle proprietà chimico-fisiche; un ruolo importante giocano la presenza di elementi estranei (le impurezze), le dislocazioni, che sono difetti non in equilibrio termodinamico, e gli atomi interstiziali che possono essere considerati come difetti in equilibrio termodinamico. A seconda della temperatura e della pressione molti metalli possono cristallizzare in sistemi o classi cristallografiche diverse, generalmente distinte con lettere dell'alfabeto greco (forma α, β), oppure con aggettivi diversi, per esempio stagno bianco, stagno grigio. Il carbonio, per esempio, nella forma esagonale costituisce la grafite, che possiede alcune delle proprietà dei metalli (buona conduzione elettrica), mentre nella forma cubica costituisce il diamante. Alla fine degli anni Ottanta del sec. XX è stata evidenziata una terza forma allotropica del C costituita da molecole con 60 atomi di carbonio disposti sulla superficie di una sfera e denominata fullerene. Le proprietà chimico-fisiche delle diverse forme allotropiche di uno stesso elemento sono diverse e trovano riscontro nella struttura degli atomi e dei livelli energetici che gli elettroni possono occupare quando i singoli atomi sono riuniti in un edificio cristallino. Se, per esempio, si considera un elemento con proprietà decisamente metalliche, quali il litio che ha due elettroni (1s e 2s) disposti su due differenti livelli energetici, semplici considerazioni di meccanica quantistica indicano che quando due atomi si avvicinano a distanze comparabili alle dimensioni atomiche, ciascun livello si sdoppia; si hanno così in tutto quattro livelli energetici che possono essere occupati dagli elettroni. Nel caso in cui gli atomi che si avvicinano sono quattro ciascun livello si quadruplica per un totale di otto livelli, per N=200 si hanno 400 nuovi livelli, ecc. Ne deriva che per un numero molto alto i livelli diventano numerosissimi e conseguentemente la distanza tra i livelli dei differenti orbitali atomici diventa sempre più piccola fino a costituire orbitali raggruppati in due bande che possono essere considerate continue per quel che riguarda l'energia. In generale per tutti gli elementi, se consideriamo l'energia degli elettroni, si possono sempre distinguere due bande: una a livelli energetici più bassi detta banda di valenza e una a livelli più alti che costituisce la banda di conduzione; si aggiunga inoltre che non tutti gli orbitali molecolari sono sempre pieni e quindi gli elettroni possono spostarsi da un orbitale all'altro della stessa banda. La distanza tra la banda di valenza e quella di conduzione è determinante per la mobilità degli elettroni e quindi per la conducibilità elettrica e termica del metallo. Nel caso in cui gli orbitali della banda di conduzione siano vuoti, se la distanza tra le due bande è piccola, o se le due bande si sovrappongono, alcuni elettroni possono saltare dalla prima alla seconda, mentre se la distanza è grande tale salto risulta impossibile (dielettrici isolanti); nel caso intermedio si hanno gli elementi semiconduttori. § Sotto la denominazione metalli di transizione vengono indicati gli elementi chimici caratterizzati nella loro struttura da orbitali interni di tipo d (elementi di transizione di tipo d) o di tipo f (elementi di transizione di tipo f) non completati da elettroni. Gli elementi di transizione di tipo d hanno molte proprietà simili e costituiscono tre gruppi in dipendenza del tipo di orbitali d non completi (3d, 4d o 5d), mentre quelli di tipo f prendono il nome di lantanidi e di attinidi (vedi elemento) rispettivamente in dipendenza degli orbitali non completi (4f o 5f). In natura gli elementi di transizione si rinvengono o in forma elementare o come composti. Molti di essi sono presenti in tracce anche negli organismi viventi mentre altri sono componenti essenziali di alcuni enzimi; vengono prodotti in grandi quantità sia come metalli puri sia come leghe e hanno numerose e importanti applicazioni delle quali alcune di importanza strategica. Gli elementi di transizione hanno in comune alcune proprietà: hanno tutti carattere spiccatamente metallico, cristallizzano o nel sistema esagonale o in quello cubico a corpo o a faccia centrati: presentano elevata durezza, duttilità e malleabilità con elevato punto di fusione e di ebolizione; sono buoni conduttori di elettricità e del calore. Alcuni sono facilmente solubili in acidi diluiti mentre altri presentano potenziali di ossidoriduzione molto bassi e di conseguenza non vengono attaccati dagli acidi. Quasi tutti presentano differenti stati di ossidazione e almeno in uno di questi stati i composti sono colorati; avendo quasi tutti gli orbitali interni riempiti solo parzialmente, molti di essi formano composti paramagnetici. Si comportano inoltre come acidi di Lewis con formazione di ioni complessi. La chimica dei complessi svolge un ruolo importante per gli elementi di transizione più leggeri e meno per quelli più pesanti. Misure della suscettività magnetica nel caso degli elementi di transizione più leggeri permettono la determinazione del numero di elettroni spaiati e quindi della valenza e della configurazione degli orbitali d. Gli elementi di transizione formano numerosi composti con due o più atomi metallici legati fra di loro: gli atomi legati possono essere uguali o differenti. Quando interagiscono più di due atomi si possono formare dei raggruppamenti aperti o chiusi denominati clusters. Inoltre i complessi dei metalli di transizione sono particolarmente importanti nello studio dell'attività ottica dei composti racemici che possono essere studiati spettroscopicamente nel visibile data la bassa velocità di racemizzazione degli stessi complessi. La struttura dei complessi dei metalli di transizione può essere razionalizzata con modelli puramente elettrostatici (teoria del campo cristallino) o con modelli con legami covalenti (teoria degli orbitali molecolari). I risultati che si ottengono applicando i due modelli sono complementari e non contraddittori, e si combinano nella teoria del campo dei legandi. § La presenza di alcuni elementi metallici (in particolare di mercurio, piombo e cadmio) e di loro composti nell'aria, nell'acqua e nel suolo può provocare fenomeni di tossicità, perché, attraverso processi chimici, fisici e biologici di trasformazione, questi possono dar luogo a complessi organici o inorganici dannosi. La loro tossicità deriva dal fatto che non sono biodegradabili, e che possono essere accumulati in certi organismi. Una volta entrati nella catena alimentare essi arrivano, inevitabilmente, agli organismi superiori, e, alla fine, all'uomo. Secondo la normativa italiana la quantità complessiva di metalli nelle acque di scarico non deve superare i 3 mg/litro.

Tecnologia

Sin dai tempi antichi l'uomo ha messo a punto tecnologie dapprima rudimentali e via via sempre più affinate e sofisticate per estrarre i metalli dai loro composti e fabbricare armi, utensili, strutture edilizie quali ponti, antenne e, con l'avvento della rivoluzione industriale, macchine atte a fabbricare a loro volta altri utensili, strutture metalliche diverse o veicoli di ogni tipo, terrestri, marini e aerei. I primi metalli usati sono stati il rame e lo stagno che in lega costituiscono il bronzo (Età del Bronzo) e quindi il ferro (Età del Ferro). Per alcune strutture e oggetti l'uomo ha usato e usa il legno e oggi, quando possibile, tende a sostituire i metalli con le materie plastiche meno corrodibili dei metalli. Si pensi, infatti, alla facilità con la quale si forma la ruggine sul ferro o come si trasformano nel tempo le superfici di rame; il fenomeno della corrosione delle superfici metalliche è uno dei più importanti problemi della civiltà moderna in quanto investe, oltre che l'aspetto economico dovuto alla manutenzione delle opere e dei manufatti metallici, anche e soprattutto la sicurezza e l'affidabilità delle stesse strutture metalliche (vedi corrosione). Più in generale, dal punto di vista degli impieghi, i metalli vengono utilizzati industrialmente o puri (metalli commercialmente puri) oppure sotto forma di lega: solitamente vengono usati puri quando se ne vogliano sfruttare le caratteristiche metalliche (conducibilità termica o elettrica, potere riflettente) o particolari caratteristiche di resistenza all'attacco di alcuni agenti chimici; vengono usati come leghe quando si desiderano sfruttare le caratteristiche meccaniche di resistenza, durezza, ecc. Nella tecnica sono spesso usate denominazioni che caratterizzano i metalli in base ad alcune proprietà di particolare interesse pratico. In particolare si chiamano metalli duri alcune leghe a base di cobalto, ferro, nichel, con carburi di metalli refrattari (tungsteno, tantalio, ecc.), usate generalmente per la fabbricazione di utensili, matrici, filiere, punzoni, ecc.; metalli leggeri quelli con peso specifico inferiore a 5 hg/dm³; metalli nobili quelli come platino, oro, argentorame, osmio, iridio, rutenio, rodio, palladio, che presentano un potenziale di elettrodo positivo rispetto all'idrogeno: hanno elevata resistenza agli agenti chimici.

Etnologia

Fra le varie credenze e riti riguardanti i metalli particolarmente importanti sono quelli riferiti al ferro e ai fabbri, considerati depositari dei segreti di un'arte misteriosa (Africa). Varie divinità sono associate ai metalli o in quanto capaci di lavorarli (Efesto, i ciclopi) o per collegamenti simbolici (nella religione assiro-babilonese l'oro era collegato a Enlil; l'argento ad Anu; il bronzo a Ishtar). Rilevante è poi tutto il tema alchimico della produzione dei metalli.

Bibliografia

N. F. Mott, H. Jones, The Theory of the Properties of Metals and Alloys, Londra, 1958; L. Aitchinson, A History of Metals, 2 voll., New York, 1960; J. Datsko, Material Properties and Manufacturing Processes, New York, 1966; R. Zoja, W. Nicodemi, Metalli, leghe ferrose e non ferrose, Milano, 1972; G. Bianchi, F. Mazza, Corrosione e protezione dei metalli, Milano, 1989.