EL VIDRIO

EL VIDRIO

El vidrio es un material inorgánico duro, frágil, transparente que se encuentra en la naturaleza aunque también puede ser producido por el hombre.

Es un material sólido amorfo, que se forma cuando materiales como la arena de sílice se enfrían rápidamente bajo una determinada temperatura (una temperatura de transición en donde las moléculas tienen ya muy poca movilidad).

Naturaleza del vidrio

Aunque parece ser un material típicamente sólido, la verdad es que es molecularmente un líquido sobreenfriado; en realidad fluye como un líquido pero muy, muy lentamente, a través de cientos de años (en casas antiguas podremos observar que las ventanas son más gruesas en la parte de abajo, producto de este lento fluir).

La historia del vidrio tiene comienzos inciertos, aunque vidrio producido naturalmente en el medio ambiente ha sido usado desde la edad de piedra. Se sabe que en Mesopotamia se uso con fines decorativos desde el 2.500 A.C. Algunos afirman que los Fenicios fueron quienes inventaron el vidrio, pero en realidad no está claro. Debido a las impurezas naturales de la arena para hacer el vidrio, el color de este tiende a ser verdoso y azul. Con el tiempo aquellos que se dedicaron a confeccionar este material le agregaron componentes metálicos y minerales para obtener tonalidades similares a las encontradas en piedras preciosas. Las joyas más antiguas a partir de este material las encontramos en el antiguo Egipto, por el 1.500 A.C. Incluso a algunas de estas confecciones les atribuían poderes mágicos.

Esta tecnología se fue extendiendo por el mundo y en el Imperio Romano se llegó a la técnica del soplado, lo que permite la elaboración del envase de vidrio, aunque de manera bastante rudimentaria. En Europa, para el siglo XI en Alemania esta técnica se perfeccionó, y en este mismo siglo surgieron los primeros espejos de vidrio en España. Durante el siglo XIV, el gran elaborador de vidrio fue la ciudad de Venecia., que desarrolló aún más todas estas técnicas y formó un lucrativo negocio en torno a artículos confeccionados con este material. Con el tiempo y los mejoramientos en los procesos los productos se fueron abaratando y haciendo del vidrio un material comercialmente accesible para toda la población, y para 1820 en los Estados Unidos ya se comercializaban ventanas producidas utilizando estas nuevas técnicas.

Una de las grandes ventajas del vidrio frente a otros materiales es su compatibilidad con el medio ambiente. El reciclaje de vidrio consume menos energía que su producción; es una material ideal para reciclar; se muele y se funde para darle forma nuevamente.

Fabricación de vidrio

El vidrio se fabrica a partir de una mezcla compleja de compuestos vitrificantes, como sílice, fundentes, como los álcalis, y estabilizantes, como la cal. Estas materias primas se cargan en el horno de cubeta (de producción continua) por medio de una tolva. El horno se calienta con quemadores de gas o petróleo.

La llama debe alcanzar una temperatura suficiente, y para ello el aire de combustión se calienta en unos recuperadores construidos con ladrillos refractarios antes de que llegue a los quemadores. El horno tiene dos recuperadores cuyas funciones cambian cada veinte minutos: uno se calienta por contacto con los gases ardientes mientras el otro proporciona el calor acumulado al aire de combustión. La mezcla se funde (zona de fusión) a unos 1.500 °C y avanza hacia la zona de enfriamiento, donde tiene lugar el recocido. En el otro extremo del horno se alcanza una temperatura de 1.200 a 800 °C. Al vidrio así obtenido se le da forma por laminación (como en el esquema superior) o por otro método.

Tipos de vidrio

Sílice vítrea

Se denomina sílice a un óxido de silicio de fórmula química SiO2. 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 veintidós fases diferentes, cada una de ellas estable a partir de una temperatura perfectamente determinada.

Cuando se calienta el cuarzo lentamente, este va pasando por distintas formas enanciotrópicas hasta alcanzar su punto de fusión a 1.723 °C. 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.

 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 °C reacciona a velocidades apreciables con sales alcalinas o alcalinotérreas, en particular con sales sódicas, tales como el carbonato o el sulfato sódicos.

 Si bien su densidad a temperatura ambiente es relativamente alta (2,2 g/cm3) su coeficiente de dilatación lineal medio a temperaturas inferiores a los 1.000 °C es extremadamente pequeño: se sitúa en 5,1•10-7 K-1, lo que permite, por ejemplo, calentarlo al rojo y sumergirlo bruscamente en 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.

Silicato sódico

Las sales más comunes de sodio tienen puntos de fusión por debajo de los 900 °C. Cuando se calienta una mezcla íntima de cuarzo finamente dividido con una sal de estos metales alcalinos, por ejemplo Na2CO3, a una temperatura superior a los 800 °C se obtiene inicialmente una fusión de la sal alcalina, cuyo líquido rodea a los granos de cuarzo, produciéndose una serie de reacciones que pueden englobarse en la resultante siguiente:

SiO2 (s) + Na2CO3 (s) Na2SiO3 (s) + CO2 (g) H = -5,12 kcal/mol

Esta reacción, levemente exotérmica, desprende anhídrido carbónico gaseoso -que burbujea entre la masa en fusión- y conduce a un primer silicato sódico, de punto de fusión 1.087 °C.

De acuerdo con la termodinámica, la mezcla de dos sustancias de puntos de fusión diferentes presenta un “Punto de Liquidus”7 que se sitúa entre los de las dos sustancias en contacto. De esta forma la mezcla de la sílice y el silicato sódico formado da lugar a un producto de SiO2 y silicatos, ya en estado líquido a temperaturas que no sobrepasan los 1.200 °C, lejos de los más de 2.000 °C necesarios para preparar el vidrio de cuarzo.

Estos silicatos sódicos presentan un aspecto vítreo, transparente y muy quebradizo. Para alcanzar una viscosidad del orden de los 1.000 poises (necesaria para su moldeado) se precisan temperaturas que, en función de su composición, oscilan entre los 1.220 °C para el silicato más rico en SiO2, y los 900 °C para el más pobre. Son muy solubles en agua: entre un 35% y un 50% en peso de silicato, según el contenido en SiO2. Su falta de rigidez mecánica y su solubilidad en agua les hacen inútiles como sustitutos del vidrio de cuarzo en ninguna de sus aplicaciones.

Raramente se presentan en la industria en forma sólida, sino bajo la forma de disolución acuosa. Su solución en agua se utiliza como pegamento cerámico muy eficaz o como materia prima para la producción mediante hidrólisis de gel de sílice, sustancia usada como absorbente de la humedad (torres de secado de gases, etc.) o como componente de ciertos productos tales como neumáticos para vehículos y otras aplicaciones en la industria química.

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 químicos 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).

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 °C y los 1.600 °C. En estos hornos se introduce una mezcla en polvo ligeramente humedecida ( 5% de agua) y previamente 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 silicatos que, combinados y mezclados, darán lugar a esa sustancia a la que se denomina vidrio común.

Usos en la ingeniería civil

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