Vidrio

El vidrio es un material inorgánico duro, frágil, transparente y amorfo que se encuentra en la naturaleza aunque también puede ser producido por el hombre. El vidrio artificial 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 a unos 1.500 °C de arena de sílice (SiO2), carbonato de sodio (Na2CO3) y caliza (CaCO3).

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 (sus moléculas no están dispuestas de forma regular) y no un sólido cristalino.

Archivo: IDET2007 glass.jpg prueba de balas

Vidrio a prueba de balas laminado después de las pruebas balísticas. De justa IDET 2007 en Brno
IDET2007 bulletproof glass.jpg

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). 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, de pureza en SiO2 superior al 95% y con el menor contenido en componentes férricos posible (entre un 0,15% y 0,01% en términos de Fe2O3)
    • Cuarcitas molidas
  • Para el sodio:
    • Carbonatos sódicos naturales (yacimientos de EE.UU. y África).
    • Carbonato sódico sintético, el más utilizado en Europa.
    • Sulfato sódico sintético, subproducto de la industria química.
    • Nitrato sódico natural (nitrato de Chile).
    • Cloruro sódico o sal común.
      • Estos tres últimos, utilizados en pequeñas proporciones, debido al desprendimiento de gases contaminantes durante la elaboración del vidrio: SOX, NOX, Cl2.
  • Para el Calcio:
    • Calizas naturales.
  • Para el Magnesio:
    • Dolomitas naturales.
  • Para el Bario:
  • Para el Aluminio:

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 (\sim5% 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.

Propiedades del vidrio común

Las propiedades del vidrio común, son una función tanto de la naturaleza como 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. Las composiciones de los vidrios silicato sódicos más utilizados se sitúan dentro de los límites que se establecen en la tabla adjunta.

Intervalos de composición frecuentes en los vidrios comunes
Componente Desde … % … hasta %
SiO2 68,0 74,5
Al2O3 0,0 4,0
Fe2O3 0,0 0,45
CaO 9,0 14,0
MgO 0,0 4,0
Na2O 10,0 16,0
K2O 0,0 4,0
SO3 0,0 0,3

Muchos estudios –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 muchas 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.

Composición “tipo” de vidrio de silicato sódico
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O SO3
73,20 1,51 0,10 10,62 0,03 13,22 1,12 0,20

Los contenidos en MgO, Fe2O3 y SO3 son consecuencia de las impurezas de la caliza, arena y el sulfato sódico, respectivamente

Fuente
Coeficientes para el cálculo de propiedades del vidrio
Coeficientes para el cálculo de propiedades del vidrio[8]
Propiedad Valor Unidades Fuente
Densidad a 25 °C(1) 2,49 g/cm3 Gilard & Dubrul
Coeficiente de dilatación lineal a 25 °C(2) 8,72•10-6 °C-1 Wilkelman & Schott
Conductividad térmica a 25 °C 0,002 cal/cm.s.°C Russ
Tensión superficial a 1200 °C 319 dinas/cm Rubenstein
Índice de refracción (a 589,3 nm)(3) 1,52 Gilard & Dubrul
Módulo de elasticidad a 25 °C 719 kbar Appen
Módulo de Poisson a 25 °C 0,22 Wilkelman & Schott
Resistencia a la tracción a 25 °C(4) \sim (900) bar Wilkelman & Schott
Constante dieléctrica (4.5.188 Hz) 7,3 Appen & Bresker
Resistencia eléctrica a 1100 °C 1,06 Ώ.cm
Resistencia eléctrica a 1500 °C 0,51 Ώ.cm
Calor específico a 25 °C 0,20 cal/g/°C Sharp & Ginter
Atacabilidad química DIN 12111(5) 13,52 ml de HCl 0,01N R. Cuartas
Nota
La viscosidad se expresa en la figura 3(6).
Fuente
Coeficientes para el cálculo de propiedades del vidrio (cuadro)

Figura 3: Logaritmo de la viscosidad según temperaturas (según R. Cuartas).

La absorción (o transparencia)(7) a la luz de los vidrios de silicato sódico en la zona del espectro visible (0,40 μ a 0,70 μ) depende de su contenido en elementos de transición (Ni y Fe en el ejemplo). Sin embargo, tanto en el ultravioleta como en el infrarrojo el vidrio se comporta prácticamente como un objeto casi opaco, independientemente de cualquiera de estos elementos.

 Véase también

Enlaces externos

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