Metalli e leghe: proprietà, leghe e corrosione

Dai ponti alle posate, dai cavi elettrici alle protesi mediche: i metalli sono i materiali che hanno costruito la civiltà, al punto che intere ere portano il loro nome (età del bronzo, del ferro). Ma il metallo puro è raramente la scelta migliore: quasi sempre si usano leghe, mescolanze di metalli progettate per avere proprietà superiori. Capire la chimica dei metalli e delle leghe spiega perché possiamo dare loro proprietà su misura.

Vediamo perché i metalli hanno le proprietà che hanno, che cosa sono le leghe e come si modificano le proprietà di un metallo.

Perché i metalli si comportano da metalli

Le proprietà caratteristiche dei metalli — conducibilità elettrica e termica, lucentezza, duttilità, malleabilità — derivano tutte dal legame metallico: un reticolo ordinato di cationi immerso in un “mare” di elettroni liberi di muoversi. Gli elettroni mobili trasportano corrente e calore (conducibilità), riflettono la luce (lucentezza) e permettono ai piani di atomi di scorrere gli uni sugli altri senza rompere il legame (duttilità e malleabilità). È la natura del legame a fare il metallo.

Che cosa sono le leghe

Una lega si ottiene combinando un metallo con altri elementi. L’idea è semplice ma potentissima: introducendo atomi di dimensioni diverse nel reticolo, si ostacola lo scorrimento dei piani atomici, rendendo il materiale più duro e resistente. È per questo che le leghe sono quasi sempre più forti dei metalli puri di partenza. Si distinguono due tipi: leghe sostituzionali (gli atomi aggiunti prendono il posto di alcuni atomi del metallo) e interstiziali (atomi piccoli si infilano negli spazi del reticolo, come il carbonio nell’acciaio).

Modificare le proprietà: trattamenti e lavorazioni

Oltre alla composizione, le proprietà di un metallo si modificano con i trattamenti termici (riscaldamento e raffreddamento controllati, che cambiano la struttura interna: tempra, ricottura, rinvenimento) e con le lavorazioni meccaniche (la deformazione a freddo indurisce il metallo). Tutto ruota attorno al controllo della microstruttura — la disposizione dei cristalli (grani) e dei difetti — perché è essa, oltre alla composizione, a determinare durezza, resistenza e duttilità. La metallurgia è in gran parte l’arte di governare questa microstruttura.

La corrosione: il nemico dei metalli

Il rovescio della medaglia della reattività dei metalli è la corrosione: la loro tendenza a tornare, ossidandosi, verso forme più stabili (la ruggine del ferro è ossido di ferro, chimicamente simile al minerale da cui il ferro era stato estratto). È un processo elettrochimico spontaneo che causa danni economici enormi. Si combatte in molti modi: con rivestimenti protettivi (verniciatura, zincatura), con leghe resistenti (acciaio inox), con la protezione catodica. La corrosione del ferro si può riassumere così:

4 Fe  +  3 O₂  →  2 Fe₂O₃  (ruggine)

Comprendere la corrosione come fenomeno chimico-elettrochimico è essenziale per proteggere strutture e componenti metallici. Vale la pena notare che la corrosione è il processo inverso della metallurgia estrattiva: estrarre il ferro da un minerale significa ridurlo (sottrarre ossigeno), mentre corroderlo significa ossidarlo di nuovo. In un certo senso, i metalli “vogliono” tornare alla forma di ossido da cui li abbiamo strappati, ed è contro questa tendenza naturale che lavorano tutte le tecniche di protezione.

Perché conta nella pratica

Metalli e leghe sono alla base di edilizia, trasporti, elettronica, medicina e di gran parte della manifattura. La capacità di progettare una lega con le proprietà desiderate — leggera ma resistente per l’aeronautica, biocompatibile per le protesi, conduttiva per l’elettronica — è una delle competenze centrali della scienza dei materiali. Anche la sicurezza e la durabilità delle strutture dipendono dalla scelta del metallo giusto e dalla protezione dalla corrosione. È un campo in cui la chimica di base si traduce direttamente in tecnologia e in valore economico. Non a caso lo sviluppo di nuove leghe — più leggere per ridurre i consumi, più resistenti per durare di più, più riciclabili per ridurre l’impatto — è una delle direzioni di ricerca più attive, in cui si gioca buona parte dell’innovazione di interi settori, dall’aerospaziale all’automotive.

Domande frequenti

Perché i metalli conducono elettricità e calore?

Per via del legame metallico: i loro atomi cedono gli elettroni di valenza a un “mare” comune di elettroni liberi di muoversi attraverso il materiale. Sono questi elettroni mobili a trasportare la carica elettrica e l’energia termica, dando ai metalli la loro caratteristica conducibilità.

Che cos’è una lega?

È un materiale metallico ottenuto combinando un metallo con uno o più altri elementi. Le leghe hanno in genere proprietà superiori ai metalli puri (più resistenza, durezza o resistenza alla corrosione), perché gli atomi aggiunti ostacolano lo scorrimento dei piani atomici. L’acciaio e il bronzo ne sono esempi.

Perché una lega è più resistente del metallo puro?

Perché gli atomi aggiunti, di dimensioni diverse, distorcono il reticolo e ostacolano lo scorrimento dei piani di atomi, che è il meccanismo con cui i metalli si deformano. Rendendo più difficile questo scorrimento, la lega risulta più dura e resistente del metallo di partenza.

Perché l’acciaio inossidabile non arrugginisce?

Perché contiene cromo, che reagisce con l’ossigeno formando in superficie uno strato sottilissimo e compatto di ossido di cromo. Questo strato, invisibile e aderente, protegge il metallo sottostante impedendo alla corrosione di procedere. È un esempio di passivazione protettiva.

Che cos’è la corrosione?

È la tendenza dei metalli a ossidarsi tornando verso forme più stabili, come la ruggine del ferro. È un processo elettrochimico spontaneo che danneggia le strutture metalliche e si combatte con rivestimenti, leghe resistenti come l’acciaio inox e tecniche come la protezione catodica.