Un metallo, inteso nel senso di "elemento metallico", è un elemento chimico che costituisce una delle tre categorie in cui sono suddivisi gli elementi della tavola periodica degli elementi (le altre due categorie sono quelle dei metalloidi e dei non metalli). A questa categoria appartiene una maggioranza rilevante di elementi chimici.
I primi metalli storicamente lavorati (il rame e lo stagno) sono stati quelli dotati di una temperatura di fusione non troppo elevata, già ottenibile con gli antichi forni di circa 10.000 anni fa (epoca in cui, presumibilmente, iniziò la lavorazione del rame). I vari tipi di metalli sono stati tuttavia scoperti in epoche distanti nel tempo poiché ben pochi metalli sono reperibili in natura allo stato nativo e perché ogni metallo ha una sua particolare temperatura di fusione che rende più o meno facile la sua estrazione dai minerali che lo contengono.
Storia
I metalli hanno esercitato un'influenza significativa sulla storia del genere umano, le cui epoche di sviluppo sono state contrassegnate di volta in volta da quello in vigore in ognuna di esse, ad esempio come età del ferro, del rame, ecc.
Anticamente, nell'ambito della teoria dei quattro elementi propria della filosofia della natura, i metalli erano considerati appartenenti all'elemento terra, ma a differenza dei normali materiali terrosi, come pietre e cristalli, erano ritenuti partecipi anche delle qualità del fuoco per via della loro lucentezza e trasmissibilità calorica.Jean-Pierre Reymond, Dalla terra e dal fuoco: i metalli, trad. it. di G. Lughi, EL, 1989. L'alchimia ne studiò le proprietà, anche simboliche, riconducendo ognuno di essi ad un principio primo, e scoprendo un legame con i sette pianeti allora conosciuti dell'astrologia, dei quali si è rilevato come la diversa velocità angolare con cui si spostano nel cielo corrisponde alla differenza di conduttività dei relativi metalli.John Martineau, Piccolo libro delle coincidenze, in AA.VV., Quadrivium. Numero, geometria, musica, astronomia, pp. 304-305, Sironi Editore, 2011. Ogni pianeta venne posto così a governo di un particolare metallo secondo i seguenti abbinamenti: Sole – oro (), Luna – argento (), Mercurio – mercurio (), Venere – rame (), Marte – ferro (), Giove – stagno (), Saturno – piombo (). La simbologia astrologica è utilizzata ancora oggi per contrassegnare questi sette metalli.Aldo Mieli, Manuale di storia della scienza, p. 514, Casa editrice Leonardo da Vinci, 1925.
Successivamente, gli alchimisti arabi e medievali pervennero all'insegnamento che tutti i metalli del mondo sublunare fossero composti, in senso metaforico, del principio maschile dello zolfo, responsabile della facoltà combustibile, e di quello femminile del mercurio, loro madre archetipica e portatrice della caratteristica della liquidità, della volatilità, e della capacità di fusione. La possibilità di un'evoluzione personale dell'alchimista era posta in analogia alla convinzione che tutti i metalli presenti nelle viscere della terra fossero destinati a diventare oro, attraverso le opportune trasmutazioni, combinazioni di calore, ed eliminazione delle scorie.Anna Maria Partini, Athanasius Kircher e l'Alchimia: Testi scelti e commentati, pp. 94-96, Mediterranee, 2004.
Paracelso nel XVI secolo aggiunse allo zolfo e al mercurio anche il sale quale terzo principio delle trasmutazioni alchemiche dei metalli, stabilizzatore dei primi due.A.M. Partini, Introduzione all'alchimia, in "Simmetria", n. 3, 2000/2001. Allo stesso periodo risale uno dei primi testi sistematici sulle arti della tecnica mineraria e siderurgica, De la pirotechnia di Vannoccio Biringuccio, che nel 1540 svolse uno studio sulla fusione e la lavorazione dei metalli.
Sedici anni più tardi, Georgius Agricola pubblicò De re metallica, un rilevante e completo resoconto sulla professione di estrazione mineraria, sulla metallurgia e sull'accessorio di arti e scienze dell'industria chimica del sedicesimo secolo.
Etimologia Il termine «metallo» viene dal latino metallum e questo a sua volta dal greco μέταλλον (métallon). Il termine greco, sulle cui radici ci sono perplessità, in origine aveva il significato di cava o miniera, ma poi acquisì il significato di minerale e anche, in particolare, metallo, nel senso di ciò che si ottiene dalla miniera, o comunque dalle viscere della terra. Il termine latino passò poi in francese nel XII secolo come metal, nelle altre lingue neolatine ed anche, inalterato, in inglese; anche nelle lingue di ceppo germanico il termine ha subito piccoli cambiamenti: in tedesco è Metalle, metaal in olandese, metal in danese, metall in svedese e norvegese.
Caratteristiche Dal punto di vista chimico-fisico con metalli si può anche intendere una sostanza caratterizzata da un'elevata lucentezza, da un buon potere riflettente, da un'alta capacità di condurre il calore ed elettricità, e che è inoltre capace di fornire in soluzione ioni dotati di carica positiva e di formare ossidi a carattere basico. Tuttavia, come riconosce anche la IUPAC, spesso con il termine metallo si fa riferimento anche alle leghe metalliche; dunque con l'espressione materiale metallico si fa riferimento ad un materiale che contiene metalli o leghe metalliche. In base alle rispettive proprietà chimiche, i metalli possono dare luogo a composti di diverso tipo come ossidi basici (es: Na2O, CaO) oppure ad anidridi, cioè ossidi a carattere acido (es: V2O5, CrO3, Mn2O7; anche OsO4 ha carattere acido e dà osmiati).
Sinossi concettuale Risulta particolarmente complesso definire chimicamente cosa sia un metallo. In generale, la definizione di metallo riguarda gli elementi chimici. Tuttavia, come riconosce anche la IUPAC, il termine è convenzionalmente entrato in uso anche per indicare le leghe formate da elementi metallici.
Un vocabolario di concetti di chimica organica afferma che si potrebbe definire metallo: a) ogni elemento che genera cationi quando un suo sale viene solubilizzato in acqua, oppure b) ogni elemento dotato di elevata conducibilità elettrica e termica, duttilità e malleabilità. Un rapporto tecnico della IUPAC del 2002 citava come definizione di metallo quella proposta da Atkins e Jones secondo cui un metallo è un “elemento chimico" che conduce l'elettricità, è dotato di lucentezza metallica, è malleabile e duttile, forma cationi e ossidi basici". Similmente, l'enciclopedia Treccani applica la definizione di metallo solo agli elementi chimici sulla base delle proprietà chimico-fisiche proposte da Atkins e Jones.
Proprietà Un metallo possiede diverse proprietà (chimiche, fisiche e meccaniche), che variano a seconda della propria composizione chimica e fisica: è un materiale conduttore di calore e di elettricità; è capace di riflettere la luce, dando luogo in tal modo alla cosiddetta lucentezza metallica; può essere attaccato dagli acidi (con sviluppo di idrogeno) e dalle basi e, soprattutto nel caso dei metalli del primo e del secondo gruppo, può anche essere attaccato dall'acqua (la quale strappa loro gli elettroni di valenza dando idrogeno attraverso una reazione esotermica); spesso ha buone caratteristiche di resistenza meccanica; e infine è fusibile se sottoposto al calore.
Caratteristiche e difetti cristallografici
Cella elementareNumero di atomi per cella unitariaNumero di coordinazioneFattore di impacchettamento atomicoCCC980,68CFC14120,72EC17120,72
I metalli sono policristalli, ovvero sono solidi formati da numerosi cristalli microscopici detti cristalliti (anche chiamati "grani" in ambito metallurgico) i quali si formano quando i metalli allo stato liquido vengono raffreddati in maniera controllata. Le dimensioni dei grani sono immagine della velocità a cui avviene il processo di raffreddamento e i loro bordi rappresentano un'importante zona di discontinuità della struttura metallica.
La disposizione spaziale degli atomi dei metalli sono quelle tipiche dei solidi cristallini, ovvero gli atomi sono disposti secondo una disposizione geometrica regolare che si ripete indefinitamente nelle tre dimensioni spaziali (reticolo cristallino). Per ogni reticolo cristallino è possibile individuare una cella elementare, cioè la più piccola parte del cristallo che, ripetuta nello spazio attraverso traslazioni, forma l'intero cristallo. Le più comuni celle elementari nel caso dei metalli sono: la cella cubica a corpo centrato (CCC): ferro, tungsteno e molibdeno; la cella cubica a facce centrate (CFC): rame e alcune sue leghe, acciaio austenitico, leghe di alluminio o di nichel, piombo, oro e argento; la cella esagonale compatta (EC): magnesio, cadmio e zinco..
La ripetitività della struttura cristallina di un metallo è interrotta localmente da difetti che possono essere di vario genere. Difetti di punto: sono le occasionali vacanze (la cui concentrazione dipende dalla temperatura secondo un legame esponenziale), gli atomi sostituzionali o interstiziali (specie quando nelle soluzioni solide è notevole la differenza nelle dimensioni degli elementi componenti), gli atomi autointerstiziali (nel caso di atomi uguali a quelli del reticolo), i difetti di Frenkel (uno ione positivo lascia la sua posizione reticolare, creando così una vacanza cationica, per andare a formare uno ione interstiziale) e di Schottky (coppia di una vacanza anionica e cationica in un solido ionico). Difetti di linea: separano parti che hanno subito lo slittamento da altre che non lo hanno subito. Accumulano tensione e per effetto dell'applicazione di sforzi tendono a moltiplicarsi. Sono detti dislocazioni. Difetti di superficie: ovvero i bordi di grano presso i quali cambia interamente l'orientamento dei piani di reticolo da un grano all'altro. Difetti di volume: le irregolarità nella sequenza ordinata dei piani cristallini nel metallo.
Poiché questi difetti influenzano enormemente il comportamento metallico sono estremamente importanti per la metallurgia.
Proprietà meccaniche
Sottoposto ad uno sforzo crescente, il metallo in un primo tempo si deformerà linearmente secondo la legge di Hooke, dunque in maniera elastica: cessando lo sforzo applicatogli, il metallo tornerà alla forma originale.
L'aumentare dello sforzo oltre un certo limite imporrà in seguito una irreversibile deformazione plastica accompagnata dall'incrudimento, cioè da un aumento progressivo del limite elastico del materiale e del valore della tensione di rottura. Se il valore teorico di energia necessario per deformare plasticamente un campione è notevolmente maggiore rispetto a quello in effetti necessario, ciò è dovuto alla presenza, nella realtà, di dislocazioni, ossia di discontinuità di linea nella struttura cristallina che a seconda della forma sono dette a vite, a spigolo o miste.
A seconda della natura del metallo, esso potrà subire fratture duttili o fragili. Nel primo caso il metallo si deforma sensibilmente nel campo plastico, si verifica uno strizzamento a causa dei microvuoti venutisi a creare, e la superficie di frattura avrà una forma caratteristica a coppa cono. Nel secondo caso la frattura è improvvisa non appena oltrepassato il limite elastico, e la superficie di frattura è perpendicolare alla direzione dello sforzo, di aspetto brillante e cristallino.
Proprietà elettriche e termiche