El Vidrio

¿Cómo y con que se hace el vidrio?

Además del papel que ha desempeñado en la vida cotidiana, el vidrio ha tenido una trascendental participación en el desarrollo de la tecnología y de nuestra concepción de la naturaleza. Gracias a él sabemos cómo son los microorganismos, a través del microscopio; cómo es el Universo, con el uso de los telescopios; cuál es la naturaleza del átomo y el dinamismo de una célula viva. La variedad de usos que se le ha encontrado solamente está limitada por la capacidad y el ingenio del hombre. Su versatilidad es difícilmente sustituible, por lo que su estudio se vuelve más interesante.

Básicamente, el principio de fabricación del vidrio ha permanecido invariable desde sus comienzos, pues las principales materias primas y las temperaturas de fusión no han sido modificadas. Sin embargo, las técnicas se han transformado para conseguir un proceso de producción más acelerado, y los investigadores han elaborado diferentes compuestos para combinarlos con el material bruto y así variar las propiedades físicas y químicas, de manera que sea posible disponer de una amplia gama de vidrios para diversas aplicaciones.

El vidrio se hace en un reactor de fusión, en donde se calienta una mezcla que casi siempre consiste en arena silícea (arcillas) y óxidos metálicos secos pulverizados o granulados. En el proceso de la fusión (paso de sólido a líquido) se forma un líquido viscoso y la masa se hace transparente y homogénea a temperaturas mayores a 1 000ºC. Al sacarlo del reactor, el vidrio adquiere una rigidez que permite darle forma y manipularlo. Controlando la temperatura de enfriamiento se evita la desvitrificación o cristalización.

En la antigüedad la fusión se hacía en moldes de arena hechos en casa

Horno de fusión casero antiguo (siglo XVII)

Pero para la industrialización de este proceso fue necesario construir grandes hornos, donde además de las materias primas se podían añadir trozos de vidrio viejo de desecho.

Horno tanque.

Durante los tiempos primitivos de la industria del vidrio, las únicas materias primas que se utilizaban en su fabricación eran las arcillas. Hoy en día se emplean distintas mezclas para obtener diferentes tipos. Por ejemplo, los bloques de vidrio se fabrican en moldes con una mezcla de arena de sílice, cal y sosa, y se les añade dolomita, arcilla de aluminio y productos para el refinado. En la actualidad muchos materiales desempeñan un papel importante, pero las arcillas siguen siendo fundamentales.

Aunque la palabra puede resultarnos conocida, es posible que no sepamos que la arcilla es el producto del envejecimiento geológico de la superficie de la Tierra, y que como esta degeneración es continua y se produce en todas partes, es un material terroso muy abundante en la naturaleza. De hecho, para el cultivador, el minero o el constructor de carreteras resulta un estorbo. En nuestro país tenemos numerosas arcillas. Los yacimientos en la República se encuentran distribuidos en el territorio correspondiente a 10 de los estados que forman la confederación política del país. Las localidades donde se han encontrado se ilustran en el mapa correspondiente (figura 10). En éste se observa que en Chihuahua, Zacatecas, Aguascalientes, Jalisco, Guanajuato, Querétaro, Hidalgo, Tlaxcala, Puebla y Guerrero se encuentran las zonas importantes. A menudo estos territorios están relacionados con regiones de mineralización, como las que corresponden a los estados de Guanajuato, Hidalgo y Querétaro.

Ubicación de los principales yacimientos de arcillas silíceas en la República Mexicana

La arcilla es un material engañosamente sencillo. No tiene la obstinada dureza de la piedra, ni la fibra temperamental de la madera, ni la solidez del metal, pero tiene una fragilidad y una inconstancia que parecen pedir un cuidado especial. Es blanda, dócil, plástica, maleable, sin veta ni dirección. Clasificarla es una tarea difícil y conduce a diferentes resultados, dependiendo de la característica del material que se tome como referencia. La podemos ordenar desde un punto de vista geológico, mineralógico o de acuerdo con su uso.

Diagrama de flujo de la clasificación de las arcillas.

La arcilla es como tierra, como arena, y de ella se obtienen los vidrios. El hombre primitivo cuando lo descubrió. Puso a calentar tierra y ésta se empezó a poner dura hasta que se transformó en un vidrio.

Hoy sabemos que a medida que la temperatura de tratamiento de la arcilla aumenta más allá del rojo vivo, se produce un endurecimiento, seguido de una compactación y finalmente de una transformación de la arcilla en vidrio. Durante la vitrificación se produce una considerable contracción, debida a la disminución del tamaño de las partículas y a una reestructuración de las moléculas dentro de la matriz vítrea.

Las arcillas son silicoaluminatos complejos. Un silicoaluminato es un compuesto hecho con silicio y aluminio, que se forma cuando la sílice modifica su superficie por la interacción con iones aluminato, intercambiando iones Si(OH)-4 por iones Al(OH)-4, como se ilustra en la figura 12. Se pueden intercambiar unos por otros porque son muy parecidos entre sí. El Al(OH)-4 tiene una carga negativa y cuatro grupos OH, igual que el Si(OH)-4. Además, el silicio y el aluminio son de un tamaño similar. Con el tiempo estos compuestos reaccionan y forman sales solubles con los iones alcalinos (Na, Li, y K) y alcalinotérreos (Be, Mg y Ca), cambiando así la estructura de los silicoaluminatos originales. El aluminio puede estar rodeado por 4 o 6 átomos de oxígeno, y puede tener carga +3 o +4. Imaginemos un silicato donde uno de los átomos de Si+4está sustituido por un ion Al+3.

Estructura del silicoaluminato en una arcilla.

Como la carga global tiene que ser la misma y el silicio tiene cuatro mientras que el aluminio tiene tres, se une un K+1 o un Li+1 y resuelve el problema. En la figura 13 aparece un dibujo de la estructura de las arcillas con y sin metales. En la figura 13(a) vemos que hay dos tipos diferentes de capas. En la parte de abajo encontramos una capa de silicio, en medio una de aluminio y a continuación otra de silicio, con sus respectivos oxígenos cada una, por supuesto. Es claro que el aluminio cambió la forma de la arcilla. En la figura (b) la situación es similar, salvo que en ésta se indica la posición que

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