Storia dell'industria chimica. Metallurgia e materiali

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La metallurgia e la chimica applicata ai materiali

Indice

La metallurgia

Di tutti i metalli, l'oro è forse quello che trovandosi nativo allo stato metallico, e per il suo colore lucente, ha attratto l'uomo per primo. La fabbricazione di suppellettili e gioielli in oro risale ai tempi più remoti.
Dopo l'oro e l'argento nativo, il rame fu l'altro metallo ad essere utilizzato per la produzione di oggetti di impiego comune. Esso veniva foggiato a freddo per semplice martellatura e, solo dopo (1), ottenuto da minerali ossidati per riduzione.
Circa nel 2000 a. C. nel mondo egeo-mediterraneo comparvero i primi oggetti di bronzo e di ferro. Il ferro era ottenuto dal minerale frantumato e mescolato con legna, in piccole fornaci, nelle quali si cercava di attivare il fuoco con un forte tiraggio d'aria.
Dal fuoco, in un secondo tempo, il ferro incandescente era estratto e ridotto ad una massa compatta mediante martellature.
I primitivi processi siderurgici rimasero inalterati fino al XII secolo quando l'invenzione dei mantici permise di raggiungere più alte temperature nei forni. Il primo passo verso il progresso era stato fatto e i primi "altiforni" (2) incominciarono a produrre ghisa in quantità notevoli. Il combustibile per i forni era costituito da legna e carbone di legna che fu sostituito con il coke metallurgico solo nel secolo XVIII. Nel 1684 s'incominciò ad ottenere il ferro dalla ghisa col processo di " puddellagio" (3). Il processo consisteva nella rifusione della ghisa nel forno e una rimescolazione continua del metallo liquefatto con spranghe di ferro dall'esterno. Le masse spugnose che si ottenevano, una volta estratte dal bagno di fusione, erano portate subito sotto i magli e forgiate in blocchi. L'operazione era ripetuta più volte per cercare di eliminare la ghisa dalle scorie liquide.
Nella prima metà del 1740, a Sheffield, Huntsmann ideò la lavorazione dell'acciaio in recipienti chiusi iniziando il "processo al crogiolo" perfezionato e sviluppato da Krupp nel 1810. La vera evoluzione intervenne nel 1856 ad opera di Bessemer con la conversione della ghisa in acciaio.
In questo periodo gli altiforni migliorarono in maniera decisa, e nel 1865 i fratelli Martin pensarono di adattare, ai forni a riverbero, i rigeneratori di calore ideati da Siemens. Ciò consentì il raggiungimento di altissime temperature che permisero la fusione dell'acciaio e l'inizio dei processi di conversione della ghisa con aggiunta di rottame o di minerale ossidato.
Il primo tentativo di impiegare forni elettrici nella siderurgia fallì, ma dieci anni più tardi, Stassano realizzò, a Roma, il primo forno elettrico per la produzione dell'acciaio dal minerale.
I progressi ottenuti dalla metallurgia indussero ad applicare anche ad altri metalli le innovazioni già introdotte per i materiali ferrosi e a Exilles, in Francia, nel 1880 si realizzò il primo impianto per il trattamento del rame. In Italia, a Pertusola (La Spezia), il processo metallurgico con forni elettrici fu introdotto successivamente anche per la lavorazione del piombo.
Il processo di recupero dell'argento dal piombo risale al 1833. Nel '42 il procedimento fu sostituito da quello allo zinco a sua volta applicato industrialmente in Inghilterra tra il 1850 e 1852.
La metallurgia dello zinco si sviluppò in Europa nel secolo scorso e il primo impianto creato fu quello di Liegi e St Leonhard nel 1807. L'impianto non ebbe fortuna e dieci anni dopo fu rilevato da Mosselmann che lo ingrandì e lo perfezionò. Nel 1837 fu fondata la Societe de la Ville -Montagne che divenne la più gran produttrice di zinco del mondo.
La raffinazione per via elettrolitica dei metalli fu l'altro gran salto qualitativo. In Italia la produzione elettrolitica dello zinco s'iniziò nel 1925 a Monteponi in Sardegna in un impianto le cui caratteristiche innovative furono la base dei successivi impianti di Crotone e Marghera.
La metallurgia dell'alluminio, ancor più di quella dello zinco, ebbe una forte crescita nella seconda metà del XIX secolo e, inoltre, il suo sviluppo influenzò quello d'altre industrie chimiche.
Da quando fu preparato da Davy nel 1809, per elettrolisi dell'idrato fuso, l'alluminio occupò l'attenzione dei chimici teorici per svariati decenni. La produzione industriale in discrete quantità avvenne nel 1862 a Berlino e a Londra seguendo il metodo di Rose e Pery che consentì la riduzione della criolite (4) con sodio. Nella stessa epoca, Heroult in Francia e Hall in America, ricorsero all'elettrolisi diretta dell'allumina sciolta in criolite fusa e fu così eliminato il sodio dalla produzione dell'alluminio. Il suo prezzo cadde dalle 2000 lire oro alle due lire oro per chilo.
In Italia la fabbricazione dell'alluminio iniziò a Bussi (Abruzzo) nel 1907 per poi trasferirsi nell'Italia settentrionale. La produzione dell'alluminio via via aumentò anche in funzione alle scoperte di Wilm nel 1911 e di Pacz nel 1920 che affermavano che piccole quantità, opportunamente dosate, di silicio, rame, manganese e magnesio, elevavano le proprietà meccaniche del metallo invecchiato e temprato (Duralluminio). Con l'impiego dei raggi X e l'affermazione della tecnica analitica che ne conseguì si ottennero i primi spettri di diffrazione e d'interferenza che svelarono l'intima struttura delle sostanze e l'esistenza del reticolo cristallino. Ciò chiarì le fondamenta scientifiche della scienza dei metalli eliminando ogni empirismo nella loro fabbricazione e nei trattamenti termici delle leghe.

Vetro e ceramica

Accanto all'arte metallurgica quella della lavorazione dei materiali lapidei fu il successivo segno della civilizzazione dell'umanità.
Dopo aver cercato di foggiare utensili ed oggetti con le pietre, l'uomo cominciò ad usare l'argilla cruda e poi cotta.
Nacque in questo modo l'arte della ceramica. Il vetro fu scoperto, secondo Plinio il Vecchio, in modo casuale ad opera dei Fenici che, dopo aver acceso un fuoco sulla spiaggia, notarono fra le ceneri una massa solida e trasparente.
Gli oggetti in vetro più antichi risalgono ai rinvenimenti egiziani dove il vetro e la sua colorazione era già nota nel 1400-1500 a. C. . Nel 200 a. C. fu introdotto in Italia ed i Romani divennero maestri nell'arte della sua soffiatura e laminazione. Circa nel medesimo periodo i Greci migliorarono gli impasti d'argilla rendendoli più omogenei e con l'invenzione del tornio del vasaio, "rota figularis", le ceramiche assunsero una loro precisa singolarità caratterizzandosi come "documenti" dell'evoluzione dell'uomo. Da Samo sembra che sia nata l'arte della lucidatura delle argille ferruginose poi perfezionata in Italia con la pratica dei vasai aretini. L'arte della vetrificazione e della colorazione con ossidi metallici fu scoperta nel IV secolo a. C. e diffusa, in tutto l'Impero Romano, a partire dal II secolo a. C. Per tutto il Medioevo l'arte della lavorazione della ceramica non subì particolari cambiamenti e l'arte del vetro, dopo i primi fulgidi risultati ottenuti nell'antica Roma, si spense. Successivamente essa si riprese a Murano (Venezia) e ad Altare (Savona), nel X secolo, estendendosi in Baviera e in Boemia nel XIV e tra il XVI-XVII secolo in Francia ed in Inghilterra ove, nel 1642, fu creato il vetro al piombo. Circa quarant'anni dopo, nel 1688, a Saint Gobain, in Francia, s'iniziarono le produzioni di lastre per colata e stampaggio. Nel XV-XVI secolo i prodotti ceramici opacizzati con i rivestimenti a smalto stannifero bianco presero il nome di maioliche e quello francese, di faiences, per la bellezza dei prodotti faentini. Verso il 1430 a Firenze per opera di Luca della Robbia e nel 1540 a Pesaro da parte di Orazio Fontana, la produzione di maiolica o terra invetriata raggiunse un alto grado di perfezione che attirò l'attenzione dei Duchi di Toscana e, in modo particolare, quella di Guidobaldo di Rovera che ne incoraggiò la fabbricazione. I prodotti italiani divennero, in tal senso, ricercatissimi e furono degni di essere donati ai più notabili del tempo. Più o meno nello stesso periodo furono introdotti in Europa i prodotti cinesi col nome di porcellane. La bellezza del colore e la lucentezza di questi manufatti spinse, principalmente gli artigiani italiani, all'imitazione. Così a Venezia, Urbino, Ferrara e in Piemonte la produzione di porcellane acquisì un'importante ruolo nell'economia di quelle città. Per l'ottenimento di porcellane dure come quelli cinesi mancava però la materia di base, cioè il caolino. La scoperta del caolino (5) avvenne per opera di un giovane e timido alchimista di nome Bottger (6). Egli, mentre si cimentava a fare dell'oro per il Re di Sassonia, individuò la sostanza che gli avrebbe permesso di creare l'impasto bianco adatto alla fabbricazione della vera porcellana. Il successo che arrise a Bottger era sfuggito a generazioni di ceramicisti europei che non furono capaci di sciogliere il segreto della porcellana cinese. La prima industria della porcellana fu appunto quella di Meissen, nei pressi di Dresda, nel 1710 circa; cinquant'anni prima di quelle di Berlino e Sevres. Se fino a quel tempo la produzione ceramica aveva avuto un carattere artistico ed un uso religioso e funerario, la scoperta dell'alchimista Bottger cambiò profondamente il suo utilizzo che si diresse sempre più all'impiego domestico ed utilitaristico. Anche la produzione del vetro si modificò e l'impiego alle finestre delle abitazioni private, che si considerava un estremo lusso fino alla metà del '700, sostituì quello della carta oleata. La vetreria da tavola e delle bottiglie di vetro si diffuse pian piano. Con la metà dell'800 la produzione artigianale cedette a quella industriale e, quanto per secoli aveva retto con l'empirismo delle corporazioni dei maestri vetrai, fu definitivamente spazzato via dalle lavorazioni basate sui risultati scientifici delle ricerche. Iniziarono in tal modo le produzioni di vetri speciali soddisfacendo le più disparate esigenze. Accanto alle produzioni del vetro e della ceramica si svilupparono altre specializzazioni industriali non direttamente collegate. Fra queste ricorderei quella dei colori minerali e dei pigmenti. Il loro impiego nelle decorazioni delle ceramiche e colorazione dei vetri impose lo studio degli ossidi per industrializzarne la produzione. I colori che furono prodotti per primi furono i colori primari come il bianco, il giallo, il rosso, l'azzurro, e il nero. I colori bianchi minerali si ottennero dai carbonati basici di piombo, dall'ossido di zinco e dal solfuro miscelato con il solfato di bario, mentre i colori gialli e rossi dai cromati di piombo, di zinco, di bario e di cromo.
Il rosso inglese si ottenne, invece, dall'ematite (7) miscelata con silice e silicati mentre il minio dall'ossido di piombo. Il colore azzurro fu ottenuto dal ferrocianuro ferroso (azzurro di Turnbull) e ferrico (azzurro di Berlino) e il blu oltremare dagli ossidi di alluminio, sodio e zolfo libero. Il colore nero era soprattutto prodotto dal nerofumo, dal nero di resina, dal nero di catrame e dal nero di gas (8). Le industrie che si svilupparono per la fabbricazione dei colori minerali ebbero subito dei grossi problemi di igiene (9) tra i lavoratori addetti alla lavorazione. Con l'industria dei coloranti minerali a latere si ebbero le primepitture e vernici.

Le terre decoloranti e le ceramiche speciali

Fra i diversi impieghi dell'argilla quelli collegati alle sue proprietà chiarificatrici e decoloranti ebbero una particolare importanza. Essa fu, infatti, utilizzata fin dall'antichità nella chiarificazione degli oli vegetali e nella loro decolorazione. Le due proprietà sono legate alla sua composizione minerale e alla forma dei granuli colloidali sulla superficie dei quali sono presenti ioni capaci di interagire con l'ambiente. Questa peculiarità conferisce ad alcuni tipi di argille la possibilità di essere attivate chimicamente (10) base di partenza per ulteriori usi come le polimerizzazioni catalizzate da argille, gli adsorbimenti di sostanze disciolte e tanti altri.

Fra le ceramiche, le terraglie forti e le porcellane esistono anche i grès. Questi prodotti, caratterizzati da una pasta veramente dura e resistente all'aggressione degli agenti chimici, resero preziosi servizi agli alchimisti (11) prima e alle industrie chimiche poi. Essi, opportunamente foggiati, diedero vita ad un insieme di manufatti destinati a grand'usura come giare, lavelli e piastrelle che entrarono nell'uso comune sollevando da molti problemi gli utilizzatori. La lavorazione ad alte temperature dell'argilla, miscelata con sabbia quarzosa e cloruro sodico, condusse alla formazione dei grès chimici la cui elevata resistenza meccanica ne allargò l'uso. Le tubazioni degli acquedotti, quelle delle fognature, i rivestimenti dei carri ferroviari e le vasche di contenimento di agenti chimici corrosivi furono realizzati con questi materiali. A 1. 250C l'inglobamento di cloruro di sodio reagiva con la silice formando la massa vetrosa di silicato di sodio che era inattaccabile. La lavorazione della ceramica trovò nuovi spazi quando l'energia elettrica divenne un bene comune e, il suo trasporto, fu una necessità. I problemi di isolamento dei cavi dell'alta tensione, che si vennero a creare con la realizzazione degli elettrodotti e quant'altro occorreva per la distribuzione della nuova fonte energetica, furono risolti con gli isolatori in ceramica. Sembra impossibile a dire, ma la chimica inorganica o mineraria fece progressi enormi nell'individuazione di questi materiali e le tecnologie produttive e costruttive furono raffinate fino all'ottenimento di prodotti specifici per ogni singolo problema applicativo. Le specificità furono possibili anche per gli enormi progressi scientifici che ampliarono le conoscenze chimiche dei singoli componenti e delle loro caratteristiche fisiche.
Ma la lunga lista degli impieghi delle terre e delle sabbie non era ancora terminato e il loro impiego spaziò in altri campi, come quello della metallurgia con la fornitura dei materiali refrattari.
Le terre e sabbie da fonderia trovarono uno sviluppo con la fine dell'800 quando l'industria siderurgica iniziò le prime produzioni dei manufatti metallici stampati.

I materiali per l'edilizia

Un altro enorme campo di interesse fu quello dell'edilizia. La realizzazione di ponti, dighe, fondazioni e edifici comuni furono da stimolo al perfezionamento dei leganti. Il primo legante usato dall'uomo fu il gesso che entrò nelle costituzioni delle malte degli antichi egiziani. I romani, più tardi impiegarono la calce miscelata con la sabbia già utilizzata dagli etruschi e dai greci. L'intima miscela dei romani fu denominata "betunium" da cui beton in francese. Nel 1756 un'osservazione pratica, fatta da Smeatson, e qualche decennio più tardi da Parker, condusse alla scoperta delle calci idrauliche (12). Essi osservarono che traccce di argilla nella calce ne facilitavano l'indurimento conferendo una più rapida presa e una maggiore resistenza. Successivamente la cottura dei materiali calcari argillosi portò alla preparazione del cemento naturale oggetto di grandi studi in Francia nei primi anni dell'800 da parte di Lesage e Vicat. I risultati di tali studi diedero all'industria del cemento naturale un grande sviluppo favorito anche dallo sfruttamento dei giacimenti calcari argillosi della Val dell'Isere. Poco più tardi, nel 1824, Aspdin, brevettò il processo di fabbricazione del cemento artificiale che, sotto cottura, si trasfromava in una massa del tutto simile alla pietra da costruzione disponibile in abbondanza nell'isola di Portland (13). Dopo gli studi di Johnson, Le Chatelier e Michaelis l'industria del cemento artificiale ebbe, in breve tempo, un enorme sviluppo e si aggiunsero altri cementi come quelli pozzolanici (14), quelli da scorie di altoforno e finalmente quelli alluminosi. Con l'avvento di questi materiali l'industria edile del XX secolo ebbe assicurata la possibilità di soddisfare ogni esigenza tecnica e costruttiva.

Note

1 Ca. 4000 a. C. in Egitto, ca. 2500 in Italia

2 Non superavano i 4-5 metri di altezza

3 Dal verbo inglese to puddle: rimescolare

4 Fluoruro doppio di alluminio e sodio.

5 Il caolino è il risultato della decomposizione dello feldspato o di rocce che hanno questo minerale come base o lo contengono in parti dominanti.

6 Bottger (1682-1719) era un garzone della farmacia di Federico Zorn a Berlino e il suo amore per le scienze, ereditato dal padre, lo portò presto ad essere considerato un dotto delle arti chimiche. Egli fu considerato l'inventore della porcellana tedesca che si anteponeva a quella inglese di Wedgwood.

7 Tetrossido di ferro

8 Il nero di gas era ottenuto per combustione a fiamma fuligginosa.

9 Gravi fenomeni di saturnismo nelle lavorazioni con il piombo.

10 L'attivazione di un'argilla si ottiene mediante la sua ebollizione in presenza di acidi e la scoperta portò alla nascita dell'industria dell'attivazione delle terre.

11 Molte delle apparecchiature degli alchimisti come alambicchi, crogioli e contenitori vari era fatti di gres.

12 Si chiamano idrauliche quei leganti che si consolidano in presenza di acqua e si distinguono dalle calci aeree che invece raggiungono il consolidamento per azione dell'aria.

13 Da qui il famoso nome di uno dei primi cementi artificiali.

14 I cementi pozzolanici sono cementi ad alta resistenza agli agenti esterni e sono miscele intime di composti cristallini e di prodotti amorfi allo stato di gel pertanto molto reattivi nei confronti della calce idrata con cui forma silicati idrati amorfi. Questi prodotti sono tutti spiccatamente acidi e in Italia si trovano nella zona flegrea di Pozzuoli. La pietra è di origine vulcanica e fu inconsciamente utilizzata dai romani nelle loro malte pozzuolane.