Allume: proprietà, produzione e usi

2. Proprietà generali degli allumi

1. Formula generale degli allumi: gli allumi sono sali doppi cristallini con la formula (catione 1)⁺(catione 2)³⁺(anione^2-)₂ • 12 H₂O. Gli allumi più comuni contengono cationi di alluminio trivalenti e anioni solfato, indicati come M⁺Al³⁺(SO₄^2-)₂ • 12 H₂O.

2. Sostituzione dei componenti: i componenti degli allumi possono essere sostituiti mantenendo la struttura cristallina e il contenuto di acqua. Gli allumi con diversi cationi metallici trivalenti possono essere ferro, cromo, cobalto, manganese, titanio, vanadio, gallio, indio, scandio, rodio e iridio. Il componente monovalente può essere metalli alcalini, ammonio, alchilammonio, arilammonio o tallio.

3. Struttura cristallina: i cristalli di allume sono ottaedrici o cubici con forte rifrazione della luce.

4. Proprietà: gli allumi hanno un sapore astringente e presentano proprietà come la resistenza alla putrefazione e la precipitazione delle proteine.

5. Comportamento chimico: quando disciolti in acqua, gli allumi mostrano proprietà chimiche inerenti ai loro componenti. In soluzioni molto diluite, proprietà fisiche come colore, conduttività elettrica e abbassamento del punto di congelamento sono additive. Tuttavia, a concentrazioni più elevate, possono verificarsi formazioni complesse come [Al(SO₄)₂ • (H₂O)₂]^–.

6. Solubilità: la solubilità degli allumi in acqua diminuisce dal sodio al cesio.

7. Effetti del riscaldamento: gli allumi perdono la loro acqua di cristallizzazione parzialmente o completamente quando riscaldati. Tuttavia, possono riassorbire parte di questa acqua in normali condizioni di temperatura e umidità.

3. Solfato di potassio e alluminio

Il solfato di potassio e alluminio, noto anche come allume di potassio, ha la formula chimica KAl(SO₄)₂ • 12 H₂O e il peso molecolare di 474,4 g/mol. Questo composto e il solfato di ammonio e alluminio sono i composti di alluminio più noti.

L’allume di potassio può essere trovato in natura come efflorescenza su scisto di allume e nelle regioni vulcaniche su trachite e lava come allume piuma.

Nel suo stato naturale, l’allume di potassio forma grandi cristalli ottaedrici incolori e trasparenti che hanno un punto di fusione di 92,5 °C a causa della loro intrinseca acqua di cristallizzazione.

Sulla scala di Mohs, questi cristalli hanno una durezza di 2. Sono in grado di assorbire la radiazione infrarossa a lunghezza d’onda lunga quasi interamente pur rimanendo trasparenti alla luce visibile.

Alcune sostanze, tra cui idrossidi, carbonati, borati, carbammidi, metalli e coloranti organici, facilitano la formazione di solfato di alluminio basico legando l’acido solforico libero all’interno del liquore madre. In queste condizioni, la forma cubica, nota anche come allume cubico o romano, diventa più prevalente.

L’allume di potassio rimane stabile in condizioni tipiche di umidità dell’aria. La disidratazione inizia solo al di sotto dei 30 °C e si verifica una perdita di nove moli di acqua a 65 °C. K₂SO₄, γ-Al₂O₃ e 3 K₂SO₄ • Al2(SO4)3 si formano a 780 °C, mentre K₂SO₄, α-Al₂O₃ e K₂O • 12 Al₂O₃ vengono generati a 1400 °C.

Quando riscaldato oltre il suo punto di fusione, l’allume di potassio subisce una disidratazione, trasformandosi in allume calcinato (alum ustum), rappresentato come KAl(SO₄)₂. A temperature elevate, viene rilasciato SO₃.

In termini di solubilità, l’allume di potassio è solubile in acidi diluiti ma quasi insolubile in etanolo anidro, acetone e acetato di metile. La sua solubilità in acqua aumenta notevolmente con la temperatura, facilitando una purificazione più facile tramite ricristallizzazione rispetto ad altri sali di alluminio. Questo processo, in particolare, aiuta nella rimozione del solfato di ferro.

L’allume di potassio forma facilmente cristalli misti con il solfato di ammonio.

Un’altra variante è il solfato basico di potassio e alluminio, K[Al(OH)₂]₃(SO₄)₂ • 3/2 H₂O. Questo composto si trova in natura e può essere prodotto sinteticamente come una polvere amorfa e relativamente insolubile riscaldando solfato di alluminio, acqua e un eccesso di solfato di potassio.

Inoltre, un altro tipo di solfato basico di potassio e alluminio, K[Al₃(OH)₆(SO₄)₂], contenente meno acqua, si trova in natura come pietra di allume (alunite).

3.1. Produzione di allume di potassio

L’idrossido di alluminio viene prima disciolto in acqua per formare una soluzione di solfato di alluminio. L’acido solforico viene quindi aggiunto alla soluzione di solfato di alluminio e la miscela viene riscaldata a una pressione di 5-6 bar. La reazione tra l’idrossido di alluminio e l’acido solforico produce una fusione di solfato di alluminio.

La fusione di solfato di alluminio viene quindi condotta in un contenitore di rame, dove viene aggiunta una quantità stechiometrica di solfato di potassio. La soluzione viene riscaldata a una temperatura di circa 100 °C per 2-3 ore e regolata a una gravità specifica di 40-44 °Bé con liquido madre. La soluzione viene quindi filtrata per rimuovere qualsiasi materiale insolubile.

La soluzione filtrata viene quindi lasciata in scatole di cristallizzazione per 10 giorni. Durante questo periodo, il solfato di alluminio cristallizza dalla soluzione. I cristalli di allume vengono quindi rimossi dalle scatole e lavati con acqua.

I cristalli di allume lavati vengono quindi essiccati a una temperatura di 50-60 °C. I cristalli di allume essiccati vengono quindi setacciati per rimuovere eventuali impurità. I ​​cristalli di allume puro vengono quindi confezionati in sacchetti di carta rivestiti di polietilene.

La produzione di allume di potassio può anche essere effettuata facendo reagire il solfato di alluminio con l’idrossido di potassio. Il solfato di alluminio viene prima disciolto in acqua per formare una soluzione di idrossido di alluminio.

L’idrossido di potassio viene quindi aggiunto alla soluzione di idrossido di alluminio e la miscela viene riscaldata a una temperatura di 5-6 bar. La reazione tra l’idrossido di alluminio e l’idrossido di potassio produce una fusione di allume di potassio.

La fusione di allume di potassio viene quindi elaborata nello stesso modo della fusione di solfato di alluminio.

La produzione di allume di potassio è un processo relativamente semplice. Tuttavia, è importante controllare attentamente le condizioni di reazione per produrre un prodotto di alta qualità.

3.2. Usi dell’allume di potassio

L’allume di potassio ha una varietà di usi, tra cui:

• Concia delle pelli: l’allume di potassio viene utilizzato nella concia delle pelli per realizzare il cuoio. Aiuta a rimuovere i peli dalla pelle e a renderla più flessibile.
• Mordente nella tintura: l’allume di potassio è usato come mordente nella tintura. Un mordente è una sostanza che aiuta la tintura a legarsi al tessuto. L’allume di potassio aiuta a rendere il colore della tintura più permanente.
• Agente coagulante per il lattice: l’allume di potassio è usato come agente coagulante per il lattice. Il lattice è un fluido lattiginoso ricavato dalla linfa degli alberi della gomma. L’allume di potassio aiuta a coagulare il lattice, rendendolo più facile da maneggiare e lavorare.
• Proprietà astringenti e di precipitazione delle proteine: l’allume di potassio ha proprietà astringenti e di precipitazione delle proteine. Ciò significa che può restringere i tessuti e far precipitare le proteine. L’allume di potassio è usato nell’industria farmaceutica e cosmetica per queste proprietà. Ad esempio, viene utilizzato nelle matite emostatiche per fermare le emorragie.
• Agente indurente e acceleratore di presa per gesso: l’allume di potassio viene utilizzato come agente indurente e acceleratore di presa per gesso. Il gesso è un minerale utilizzato per realizzare intonaco e calcestruzzo. L’allume di potassio aiuta a far solidificare il gesso più rapidamente e a renderlo più resistente.
• Purificazione dell’acqua: l’allume di potassio veniva utilizzato in passato per purificare l’acqua. Aiuta a rimuovere le impurità dall’acqua e a renderla più limpida. Tuttavia, l’allume di potassio non viene più utilizzato per questo scopo perché non è efficace quanto altri metodi.
• Carta collante: l’allume di potassio veniva utilizzato in passato per collare la carta. La collante è il processo di rivestimento della carta con una sostanza per renderla più resistente all’acqua. Tuttavia, l’allume di potassio non viene più utilizzato per questo scopo perché non è efficace quanto altri metodi.

Nell’industria della carta, il solfato di alluminio è tradizionalmente designato, anche se in modo errato, come allume. Questo perché il solfato di alluminio era originariamente prodotto trattando l’allume di potassio con acido solforico. Tuttavia, il solfato di alluminio è ora prodotto con un processo diverso e non contiene potassio.

4. Solfato di alluminio e ammonio

L’allume di ammonio è un sale doppio di solfati di ammonio e alluminio, NH₄Al(SO₄)₂ • 12 H₂O. È un solido bianco, inodore e insapore che cristallizza in grandi ottaedri incolori e trasparenti. L’allume di ammonio ha un punto di fusione di 93,5 °C e una densità di 1,64 g/cm³. È solubile in acqua e acidi diluiti, ma insolubile in alcol assoluto.

L’allume di ammonio si trova in natura come shermigite. I cristalli di allume di ammonio drogati con altri allumi mostrano birifrangenza. Ciò significa che hanno indici di rifrazione diversi per diverse direzioni della luce.

La solubilità dell’allume di ammonio in acqua è simile a quella dell’allume di potassio. L’allume di ammonio può formare una serie continua di cristalli misti con l’allume di potassio.

L’allume di ammonio è leggermente solubile in acidi diluiti e glicerolo. È insolubile in etanolo assoluto.

In soluzione acquosa, l’allume di ammonio è neutro. Ciò significa che non ha un pH né acido né alcalino.

I dati sulla perdita di acqua durante il riscaldamento dell’allume di ammonio non sono coerenti. Alcuni studi hanno dimostrato che l’acqua di cristallizzazione viene rilasciata in tre fasi. Innanzitutto, vengono rilasciate 21 moli di acqua per dare l’idrato con 21 moli di acqua.

Quindi, vengono rilasciate 3 moli di acqua per dare l’idrato con 3 moli di acqua. Infine, si forma il prodotto anidro. Altri studi hanno dimostrato che l’acqua di cristallizzazione viene rilasciata in due fasi. Innanzitutto, vengono rilasciate 12 moli di acqua per dare l’idrato con 3 moli di acqua. Quindi, si forma il prodotto anidro.

Oltre i 193 °C, l’allume di ammonio inizia a decomporsi con il rilascio di ammoniaca. Con una temperatura di 1000 °C, si perde l’anidride solforosa, lasciando un residuo di ossido di alluminio.

4.1. Produzione di allume di ammonio

L’allume di ammonio viene solitamente prodotto sciogliendo l’idrossido di alluminio in acido solforico e aggiungendo solfato di ammonio. La soluzione risultante viene quindi evaporata per cristallizzare l’allume di ammonio. Questo processo è analogo alla produzione di allume di potassio.

Per ottenere un allume di ammonio ad alta purezza, necessario per alcune applicazioni come la produzione di gemme sintetiche, devono essere utilizzati materiali di partenza molto puri. Il contenuto di ossido di ferro dell’allume di ammonio deve essere inferiore allo 0,0001%.

L’allume di ammonio può anche essere prodotto facendo reagire il gas di ammoniaca con solfato di alluminio e acido solforico. Questo processo è meno comune, ma può essere utilizzato per produrre allume di ammonio con un alto contenuto di ossido di ferro.

L’allume di ammonio è un intermedio nel processo “aloton”, che è un metodo per produrre idrossido di alluminio e ossido di alluminio. Questo processo è stato utilizzato in Germania e negli Stati Uniti prima del 1945, ma non è più ampiamente utilizzato.

4.2. Usi dell’allume di ammonio

L’allume di ammonio è utilizzato in una varietà di applicazioni, tra cui:

• Concia: l’allume di ammonio è utilizzato per preparare le pellicce durante la concia. Aiuta a restringere la pelliccia e a renderla più flessibile.
• Produzione di particelle di ossido di alluminio: l’allume di ammonio può essere utilizzato per produrre particelle di ossido di alluminio molto fini, che vengono utilizzate per lucidare le superfici metallografiche.
• Disinfettante: in alcuni paesi al di fuori dell’Europa, l’allume di ammonio è utilizzato come disinfettante. Può essere utilizzato per uccidere batteri e altri microrganismi.
• Lievito in polvere: l’allume di ammonio è un ingrediente del lievito in polvere. Aiuta a far lievitare i prodotti da forno rilasciando anidride carbonica.
• Produzione di gemme sintetiche: l’allume di ammonio viene utilizzato come materiale di partenza per la produzione di gemme sintetiche, come rubini e zaffiri. Quando riscaldato a 1000 °C, l’allume di ammonio si decompone formando ossido di alluminio, che è il componente principale di queste gemme.

In Europa, l’allume di ammonio non viene utilizzato in grandi quantità. Tuttavia, è più ampiamente utilizzato negli Stati Uniti, dove è un ingrediente importante nel lievito in polvere. L’allume di ammonio sta anche acquisendo importanza come materiale di partenza per la produzione di gemme sintetiche.

5. Solfato di sodio e alluminio

Il solfato di sodio e alluminio (NaAl(SO₄)₂·12 H₂O), noto anche come allume di sodio, è un composto inorganico con un aspetto cristallino bianco. È solubile in acqua, ma insolubile in alcol assoluto. L’allume di sodio fonde a 61 °C e si trova in natura come minerale mendozite.

I dati sulla disidratazione termica dell’allume di sodio non sono coerenti. Alcuni studi hanno dimostrato che perde acqua in modo graduale, mentre altri hanno dimostrato che perde acqua in un unico passaggio.

Le due principali sfide nell’ottenere allume di sodio privo di ferro sono:

• È difficile produrre commercialmente polvere di allume di sodio (forma cristallina molto fine).
• L’allume di sodio è molto solubile in acqua, il che rende difficile rimuovere le impurità di ferro.

A causa di queste sfide, l’allume di sodio non ha acquisito la stessa importanza di altri allumi. In Europa, il suo utilizzo è stato abbandonato. Tuttavia, è ancora utilizzato in quantità relativamente grandi (circa 3.000 tonnellate all’anno) negli Stati Uniti, principalmente nel lievito in polvere.

Ecco alcuni dettagli aggiuntivi sulle proprietà dell’allume di sodio:

• La massa molare dell’allume di sodio è 242,10 g/mol.
• La densità dell’allume di sodio è 1,67 g/cm³.
• Il punto di fusione dell’allume di sodio è 61 °C.
• Il punto di ebollizione dell’allume di sodio è 330 °C.
• La solubilità dell’allume di sodio in acqua è 39,1 g/100 mL (a 20 °C).

5.1. Produzione di solfato di sodio e alluminio

L’allume di sodio viene prodotto negli Stati Uniti aggiungendo una soluzione limpida di solfato di sodio al solfato di alluminio. La soluzione viene diluita a 30 Baumé e riscaldata. Viene poi aggiunto un fango di solfato di potassio, silicato di sodio e soda caustica per migliorare la purezza del prodotto.

La miscela viene pompata in un recipiente agitato e mescolata per diverse ore. Durante questa fase, il rapporto tra solfato di alluminio e solfato di sodio viene regolato in base alla quantità stechiometrica.

La massa fusa viene quindi pompata in un evaporatore e concentrata fino a quando non si solidifica in una torta dura quando viene versata in un serbatoio di raffreddamento. La torta di allume di sodio viene quindi riscaldata e macinata fino alla dimensione desiderata (99% attraverso un setaccio da 100 maglie).

6. Tossicologia dell’allume

Le soluzioni di allume sono note per i loro effetti astringenti, il che significa che possono causare la contrazione dei tessuti. Ciò può essere utile in alcune applicazioni, come le matite emostatiche. Tuttavia, le soluzioni di allume possono anche essere dannose se inalate o ingerite in grandi quantità.

È stato stabilito un TLV di 2 mg/m³ per i sali di alluminio solubili in acqua. TLV sta per Threshold Limit Value, ovvero il livello di una sostanza nell’aria che è considerato sicuro per la maggior parte delle persone in una giornata lavorativa di otto ore.

Ciò significa che l’inalazione di 2 mg di sali di alluminio idrosolubili per metro cubo d’aria non dovrebbe causare problemi di salute per la maggior parte delle persone.

Tuttavia, è importante notare che il TLV è solo un valore medio. Alcune persone potrebbero essere più sensibili agli effetti delle soluzioni di allume rispetto ad altre. È anche importante considerare la durata dell’esposizione.

L’inalazione o l’ingestione anche di piccole quantità di soluzioni di allume per un lungo periodo di tempo può causare problemi di salute.

Ecco alcuni dei problemi di salute che possono essere causati dalle soluzioni di allume:

• Irritazione oculare
• Irritazione cutanea
• Irritazione respiratoria
• Nausea
• Vomito
• Diarrea
• Problemi renali
• Problemi epatici
• Problemi del sistema nervoso centrale

Riferimento

• Composti di alluminio, inorganici; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a01_527.pub2