martes, 15 de febrero de 2011

Vidrio

El vidrio es un material inorgánico duro, frágil, transparente y amorfo que se usa para hacer ventanas, lentes, botellas y una gran variedad de productos. El vidrio es un tipo de material cerámico amorfo.

El vidrio se obtiene por fusión a unos 1.500 ºC. de arena de sílice, carbonato de sodio y caliza.



El término "cristal" es utilizado muy frecuentemente como sinónimo de vidrio, aunque es incorrecto en el ámbito científico debido a que el vidrio es un sólido amorfo (sin forma regular o bien determinada) y no un sólido cristalino.

Los primeros objetos de vidrio que se fabricaron fueron cuentas de collar o abalorios. Es probable que fueran artesanos asiáticos los que establecieron la manufactura del vidrio en Egipto, de donde proceden las primeras vasijas producidas durante el reinado de Tutmosis III (1504 - 1450 a. C.). La fabricación del vidrio floreció en Egipto y Mesopotamia hasta el 1.200 a. C. y posteriormente cesó casi por completo durante varios siglos. Egipto produjo un vidrio claro, que contenía sílice pura; lo coloreaban de azul y verde. Durante la época helenística Egipto se convirtió en el principal proveedor de objetos de vidrio de las cortes reales. Sin embargo, fue en las costas fenicias donde se desarrolló el importante descubrimiento del vidrio soplado en el siglo I a. C. Durante la época romana la manufactura del vidrio se extendió por el Imperio, desde Roma hasta Alemania.

El vidrio cuenta con numerosas aplicaciones en la actualidad. Las botellas de PVC o PET no tienen la misma apariencia de frescura propia del vidrio, por lo que se han buscado diferentes presentaciones como la apariencia de marmoleado, ponerle asas, o adaptador especial de verde, lo cual da sensación de comodidad o utilidad. También da la impresión de que el envase está más lleno, como en el caso de las mermeladas.

Tradicionalmente se ha considerado que la materia podía presentarse bajo tres formas: la sólida, la líquida y la gaseosa. Nuevos medios de investigación de su estructura íntima -particularmente durante el siglo XX- han puesto al descubierto otras formas o estados en los que la materia puede presentarse. Por ejemplo el estado mesomorfo (una forma líquida con sus fases esmécticas, nemáticas y colestéricas), el estado de plasma (o estado plasmático, propio de gases ionizados a muy altas temperaturas) o el estado vítreo entre otros.

Los cuerpos en estado vítreo se caracterizan por presentar un aspecto sólido con cierta dureza y rigidez y que ante esfuerzos externos moderados se deforman de manera generalmente elástica. Sin embargo, al igual que los líquidos, estos cuerpos son ópticamente isótropos, trasparentes a la mayor parte del espectro electromagnético de radiación visible. Cuando se estudia su estructura interna a través de medios como la difracción de rayos X, da lugar a bandas de difracción difusas similares a las de los líquidos. Si se calientan, su viscosidad va disminuyendo paulativamente -como la mayor parte de los líquidos- hasta alcanzar valores que permiten su deformación bajo la acción de la gravedad, y por ejemplo tomar la forma del recipiente que los contiene como verdaderos líquidos. No obstante, no presentan un punto claramente marcado de transición entre el estado sólido y el líquido o "punto de fusión"

Todas estas propiedades han llevado a algunos investigadores a definir el estado vítreo no como un estado de la materia distinto, sino simplemente como el de un líquido subenfriado o líquido con una viscosidad tan alta que le confiere aspecto de sólido sin serlo. Esta hipótesis implica la consideración del estado vítreo como un estado metastable al que una energía de activación suficiente de sus partículas debería conducir a su estado de equilibrio, es decir, el de sólido cristalino.

En apoyo de esta hipótesis se aduce al hecho experimental de que, calentando un cuerpo en estado vítreo hasta obtener un corportamiento claramente líquido (a una temperatura suficientemente elevada para que su viscosidad sea inferior a los 500 poises, por ejemplo), si se enfría lenta y cuidadosamente, aportándole a la vez la energía de activación necesaria para la formación de los primeros corpúsculos sólidos (siembra de microcristales, presencia de superficies activadoras, catalizadores de nucleación, etc.) suele solidificarse dando lugar a la formación de conjuntos de verdaderos cristales sólidos.

Todo parece indicar que los cuerpos en estado vítreo no presentan una ordenación interna determinada, como ocurre con los sólidos cristalinos. Sin embargo en muchos casos se observa un desorden ordenado, es decir, la presencia de grupos ordenados que se distribuyen en el espacio de manera total o parcilamente aleatoria.

Esto ha conducido a diferentes investigadores a plantear diversas teorías sobre la estructura interna del estado vítreo, tanto de tipo geométrico, basadas tanto en las teorías atómicas como en las de tipo energético.

Según la teoría atómica geométrica, en el sílice sólido cristalizado el átomo de silicio se halla rodeado de cuatro átomos de oxígeno situados en los vértices de un tetraedro cada uno de los cuales le une a los átomos de silicio vecinos. No obstante, ninguna de estas teorías es suficiente para explicar el comportamiento completo de los cuerpos vítreos aunque pueden servir para responder, en casos concretos y bien determinados, a algunas de las preguntas que se plantean.

Las sustancias susceptibles de presentar un estado vítreo pueden ser de naturaleza inorgánica como orgánica, entre otras: elementos químicos, óxidos, compuestos, siliconas y polímeros orgánicos tales como glicoles, azúcares, poliamidas, poliestirenos o polietilenos, etc.

Vidrios comunes:

Se denomina sílice a un óxido de silicio. Se presenta en estado sólido cristalino bajo diferentes formas enanciotrópicas. Las más conocidas son el cuarzo (la más frecuente y estable a temperatura ambiente), la cristobalita y las tridimitas. Además de estas formas, se han llegado a identificar hasta 22 fases diferentes, cada una de ellas estable a partir de una temperatura perfectamente determinada.

Cuando se calienta el cuarzo lentamente, este va pasando por formas enanciotrópicas hasta alcanzar su punto de fusión a 1.723 ºC. A esta temperatura se obtiene un líquido incoloro y muy viscoso que si se enfría con relativa rapidez, se convierte en una sustancia de naturaleza vítrea a la que se suele denominar vidrio de cuarzo.

Este vidrio de cuarzo presenta un conjunto de propiedades de gran utilidad y de aplicación en múltiples disciplinas: en la investigación científica, tecnológica, en la vida doméstica y en general en todo tipo de industria. Se destacan como más relevantes las siguientes:

. Gran resistencia al ataque por agentes químicos, por lo que es muy utilizado como material de laboratorio. Sólo es atacado, de manera importante a temperatura ambiente, por el ácido fluorhídrico en sus diferentes formas (gaseosa o disolución). A temperaturas superiores a 800 ºC reacciona a velocidades apreciables con sales alcalinas o alcalinotérreas, en particular con sales sódicas, tales como el carbonato o el sulfato sódico.

. Si bien a su densidad a temperatura ambiente es relativamente alta su coeficiente de dilatación lineal medio a temperaturas inferiores a los 1.000 ºC es extremadamente pequeño lo que permite, por ejemplo, calentarlo al rojo y sumergirlo bruscamente al agua, sin que se fracture. El número de aplicaciones que esta propiedad suscita es elevado.

. Su índice de refracción a la radiación electromagnética visible es 1,4589, lo que le hace apto para instrumentos ópticos en general.

. Su resistividad eléctrica es del orden de los 1020 ohm-cm en condiciones normales lo que le convierte en uno de los mejores aislantes eléctricos conocidos, con todas las aplicaciones que de ello se derivan en la industria moderna.

. La absorción de la radiación electromagnética del vidrio de cuarzo muestra una gran transparencia a la luz visible así como en las bandas correspondientes al espectro ultravioleta, lo que le hace especialmente apto para la fabricación de lámparas y otros instrumentos generadores de este tipo de radiación.

Otras propiedades, sin embargo, dificultan su elaboración y utilización. En particular, las siguientes:

. El punto de fusión de la sílice cristalizada depende de la variedad enanciotrópica que se trate. Para la variedad estable a partir de los 1.470 ºC este es de 1.723 ºC. Estas son temperaturas que no pueden alcanzarse fácilmente, salvo en instalaciones muy especializadas. Por esta razón, la fabricación del vidrio de cuarzo ha sido siempre rara y cara. Industrialmente, su producción es bastante limitada si se la compara con otros tipos de vidrio.

. Su viscosidad en estado vítreo presenta una gran variación con la temperatura, pasando de valores superiores a 107 poises (aspecto totalmente sólido) por debajo de los 1.800 ºC, a 103,5 poises a 2.758 ºC (aspecto pastoso y moldeable)

. Las viscosidades toman valores tan sumamente elevados que deben expresarse como potencias de 10. En general, las viscosidades de los vidrios suelen darse bajo la forma de su logaritmo decimal. El líquido que se obtiene presenta gran cantidad de burbujas diminutas de aire ocluido entre los granos del cuarzo, que le dan un aspecto lechoso, traslúcido, al que se suele denominar gres de cuarzo y cuyas aplicaciones como recipiente resistente al ataque químico o a los cambios bruscos de temperatura son frecuentes. Sin embargo, resulta totalmente inútil para aplicaciones en las que se precise una gran transparencia (lámparas de rayos UVA, lámparas de cuarzo y óptica en general). Para estas últimas es necesario que durante el proceso de fusión se puedan desprender esas burbujas gaseosas ocluidas. Para que ese desprendimiento fuera efectivo bajo la presión atmosférica y a una velocidad aplicable industrialmente, se precisaría que el líquido presentara una viscosidad por debajo de los 200 poises, lo que en el caso de la sílice líquida implicaría temperaturas del orden de los 3.600 ºC. En la práctica para poder desgasificar el vidrio de sílice se funde el cuarzo a temperaturas próximas a los 2.000 ºC en recipientes donde se hace el vacío, complicando mucho la tecnología de su producción y, por consiguiente, encareciendo el producto.

. La resistencia a la tracción en estado puro, en condiciones normales y con una superficie perfectamente libre de toda fisura, es de unos 60 kbar. Esta gran resistencia (superior a la del acero) se ve fuertemente disminuida por imperfecciones en la superficie del objeto, por pequeñas que estas sean.

. Su módulo de Young a 25 ºC es de 720 kbar. y el de torsión 290 kbar. Cuando se le somete a un esfuerzo de tracción mecánica a temperaturas próximas a la del ambiente, se comporta como un cuerpo perfectamente elástico con una función alargamiento / esfuerzo lineal, pero sin practicamente zona plástica cercana a su límite de rotura. Esta propiedad unida a la resistencia mecánica a la tracción anteriormente citada, lo convierten en un producto frágil. Al golpearlo, o se deforma elásticamente y su forma no se altera o, si se sobrepasa su límite de elasticidad, se fractura.

Vidrios de silicato sódico:

Con el fin de obtener un producto con propiedades similares a las del vidrio de cuarzo a temperaturas alcanzables por medios técnicamente rentables, se produce un vidrio de silicato sódico al que se le añaden otros componentes que le hagan más resistente mecánicamente, inerte a los agentes químmicos a temperatura ambiente -muy particularmente al agua- y que guarden su transparencia a la luz, al menos en el espectro visible.

Estos componentes son metales alcalinotérreos, en particular magnesio, calcio o bario, además de aluminio y otros elementos en menores cantidades, algunos de los cuales aparecen aportados como impurezas por las materias primas (caso del hierro, el azufre u otros). Las materias primas que se utilizan para la elaboración de vidrios de este tipo se escogen entre aquellas que presenten un menor costo:

Para el cuarzo: Arenas feldespáticas con el menor contenido en componentes férreos posible y cuarcitas molidas.

Para el sodio: Carbonatos sódicos naturales, carbonato sódico sintético, sulfato sódico sintético, nitrato sódico natural, cloruro sódico o sal común.

Estos tres últimos, utilizados en pequeñas proporciones, debido al desprendimiento de gases contaminantes durante la elaboración del vidrio:

Para el Calcio: Calizas naturales

Para el Magnesio: Dolomitas naturales

Para el Bario: Sulfato bárico natural

Para el aluminio: Feldespatos naturales

La producción industrial de este tipo de vidrios se realiza, al igual que en el caso de los silicatos sódicos, en hornos para vidrio, generalmente de balsa, calentados mediante la combustión de derivados del petróleo con apoyo, en muchos casos, de energía eléctrica a temperaturas que oscilan entre los 1.450 ºC y los 1.600 ºC. En estos se introduce una mezcla en polvo ligeramente humedecida y previemente dosificada de las materias primas ya citadas. Esta mezcla de materias minerales reacciona (a velocidades apreciables y, evidentemente, cuanto mayores mejor) para formar el conjunto de sillicatos que, combinados y mezclados, darán lugar a esa sustancia a la que se denomina vidrio común.

Propiedades del vidrio común:

Las propiedades del vidrio común son una función tanto de la naturaleza de las materias primas como de la composición química del producto obtenido. Esta composición química se suele representar en forma de porcentajes en peso de los óxidos más estables a temperatura ambiente de cada uno de los elementos químicos que lo forman.

Muchos estudios -muy particularmente en la primera mitad del siglo XX- han intentado establecer correlaciones entre lo que se denominó la estructura interna del vidrio -generalmente basada en teorías atómicas- y las propiedades observadas en los vidrios. Producto de estos estudios fueron un conjunto de relaciones, de naturaleza absolutamente empírica, que representan de manera sorprendentemente precisa mucha de esas propiedades mediante relaciones lineales entre el contenido de los elementos químicos que forman un vidrio determinado (expresado bajo la forma del contenido porcentual en peso de sus óxidos más estables) y la magnitud representando dicha propiedad. Curiosamente, las correlaciones con las composiciones expresadas en forma molar o atómica son mucho menos fiables.

La absorción (o transparencia) a la luz de los vidrios de silicato sódico en la zona del espectro visible depende de su contenido en elementos de transición. Sin embargo, tanto en el ultravioleta como en el infrarrojo el vidrio se comporta prácticamente como un objeto casi opaco, independientemente de estos elementos.