En la lengua popular de ciertos lugares, sobre todo en España, se confunde el vidrio con elcristal, algo incorrecto debido a que son materiales distintos: el vidrio es unsólido amorfo (sus moléculas están dispuestas de forma irregular) y no unsólido cristalino.[3] Los objetos devidrio de plomo y otros vidrios de alta calidad también son frecuentemente denominados «cristal» (por ejemplo algunos vasos y copas de vino) y se caracterizan por tener más brillo, una sonoridad más fina cuando son golpeados y ser más frágiles, debido alóxido de plomo que contienen. Por sus diferentes propiedades no deben mezclarse con elvidrio común en el proceso dereciclaje de vidrio.[4]
La palabra española "vidrio" se deriva directamente dellatínvitreus, que significa «hecho de vidrio, vítreo». Vidrio en latín se decíavitrum y su etimología remite alprotoindoeuropeo*wed-ro- (parecido alagua).[5]Vitrum también se usaba para lahierba pastel (Isatis tinctoria), que teñía de un color azulado.
La costumbre de llamar "cristal" a ciertos tipos de vidrio proviene delvenecianocristallo, ya que hacia el año 1450 enMurano desarrollaron un vidrio que imitaba la transparencia delcristal de roca.[6] Tras la invención enInglaterra de la producción industrial delvidrio de plomo este se comercializó con el nombre de "cristal".
El vidrio es uno de los materiales más antiguos utilizados por la humanidad. Su empleo, principalmente destinado al almacenamiento y conservación de alimentos, se remonta a unos 3000 años antes de Cristo. Fue en Siria donde los mercaderes de natrón —un mineral usado para producir sosa— descubrieron el vidrio al observar que, al fundir este mineral y mezclarlo con arena, se generaba un material de apariencia brillante.[7][8]
Laobsidiana es un vidrio natural que se tallaba en la prehistoria
El vidrio se puede encontrar de manera natural en forma deobsidiana, que se produce cuandolava volcánica con alto contenido ensílice se enfría rápidamente, de manera que no se formen cristales. La obsidiana se utilizó desde la prehistoria principalmente para fabricar objetos cortantes debido a que al fracturarse forma bordes afilados, con los primeros indicios en el actualKurdistán hacia el 12.500 a. C.
Plinio el Viejo (siglo I), en suHistoria Natural, cuenta que el vidrio fue descubierto a orillas del ríoBelus, enFenicia, cuya arena, por su gran pureza y alto contenido en sílice fue utilizada durante toda la antigüedad para la producción de vidrio. La leyenda fue posteriormente relatada por el alquimistaGeorg Bauer en su tratadoDe re metallica:[9]
Unos mercaderes que se dirigían haciaEgipto para vendernitro (nitrato potásico, KNO3) se detuvieron para cenar. Como no había piedras para colocar sus ollas, decidieron utilizar algunos trozos del mineral. Calentaron sus alimentos, comieron y se dispusieron a dormir. A la mañana siguiente vieron asombrados que las piedras se habían fundido y habían reaccionado con la arena para producir un material duro y brillante, el vidrio.
Tubo de cosméticos egipcio de ladinastía XVIII, 1550-1295 a. C.
En realidad, el hombre aprendió a fabricar el vidrio muchísimo tiempo antes, probablemente a partir de la experimentación conesmaltes cerámicos o de lasescorias residuales de la fundición metalúrgica. Los primeros ejemplos se han hallado en Egipto y la costa del actualLíbano hacia el 2500 a. C. en forma decuentas de collar y ocasionalmente recipientes ylingotes. Se cree que la elaboración del vidrio se mantenía como un secreto reservado a las áreas de producción, y los artesanos de otras zonas debían limitarse a comprar lingotes para elaborar sus piezas. El vidrio fabricado durante este período no era transparente y trataba de imitar el aspecto depiedras semipreciosas. En las tumbas delperiodo predinástico de Egipto, en la culturaNaqada (3500-3200 a. C.),[10] se encuentran con frecuencia cuentas de collares y restos de cerámica elaborados confayenza. Aunque no es vidrio propiamente dicho, la fayenza es un tipo de cerámica rica encuarzo que muestra un acabado brillante debido a lavitrificación de su superficie.
Es probable que fueran artesanos asiáticos los que establecieron la manufactura del vidrio en Egipto, de donde proceden las primerasvasijas, producidas durante el reinado deTutmosis III (1504-1450 a. C.). La fabricación del vidrio floreció en Egipto yMesopotamia hasta el 1200 a. C. y posteriormente cesó casi por completo hasta el siglo IX a. C., cuando se retomó la producción tras desarrollarse técnicas para crear vidrio transparente. Egipto produjo un vidrio claro, que contenía sílice puro y como elemento alcalino usabannatrón (carbonato sódico hidratado: Na2CO3·10H2O), extraído de depósitos minerales, o carbonato sódico, obtenido por la calcinación de diversas plantas, especialmente las que crecen en aguas salobres. Lo coloreaban de azul y verde. Durante laépoca helenística, Egipto se convirtió en el principal proveedor de objetos de vidrio de las cortes reales. En este periodo se desarrollaron nuevas técnicas de fabricación como el uso de moldes para crear relieves y el millefiori, en la que fragmentos de barras de vidrio de colores se fusionan para formar patrones semejantes a mosaicos.
Sin embargo, fue en las costas fenicias donde se desarrolló el importante descubrimiento delvidrio soplado en el siglo I a. C. Anteriormente los recipientes se creaban de forma muy laboriosa: el vidrio fundido se extendía en cordones sobre un núcleo central de arcilla y arena que le servía de molde. Una vez enfriado se retiraba el molde y la pieza se acababa de formar con técnicas de pulido semejantes a las usadas para la piedra.
LaCopa Trivulzio (siglo IV d. C.) es unadiatreta, vasos en relieve considerados como el culmen de la manufactura romana del vidrio.
Durante laépoca romana, la manufactura del vidrio se extendió por el imperio, desdeRoma hastaAlemania. La producción del vidrio en bruto se realizaba frecuentemente en lugares diferentes de donde se trabajaba. En esta época se descubrió que añadiendoóxido de manganeso se podía aclarar el vidrio[11] y también desarrollaron el reciclaje de la cristalería romana.[12] De los romanos también proviene el nombre en español, pues la coloración natural del vidrio era de color verde, nombre que se pronunciaba comoviride, oviridus, y de ahí el nombre viridio o vidrio.[13] Estos avances hicieron que, a partir del siglo I, se desarrollara la industria a gran escala, especialmente enAlejandría, convirtiéndose el vidrio en un producto mucho más asequible y generalizado que en épocas anteriores.
En laIndia, el vidrio más antiguo que se ha hallado es una cuenta de color rojo que se remonta al siglo XVIII a. C., durante lacivilización del Valle del Indo. Se ha hallado vidrio de épocas posteriores pero no es hasta el siglo III a. C. que se encuentra en cantidades apreciables, y su uso se generalizó a partir del siglo I d. C.
En laantigua China el vidrio llegó hacia el periodo de lasPrimaveras y Otoños, en la forma de piezas importadas deAsia Central. Posteriormente hay evidencia arqueológica de producción de cuentas de vidrio en el periodo de losReinos Combatientes, hacia principios del siglo V a. C. Posteriormente, enépoca Han (206 a. C.-220 d. C.), la producción se hizo más diversa para decaer posteriormente y resurgir hacia el siglo V. La composición del vidrio chino de este periodo es muy diferente de la del resto del mundo, con una formulación a base deóxido de bario yplomo. La proporción de óxido de bario es de un 5-15 %, y se ha especulado que este material aportaba una turbidez al vidrio que le hacía asemejarse aljade. El vidrio permaneció como un producto secundario durante toda la historia de China, muy por detrás de laporcelana y otros materiales más apreciados.
El vidrio en lospaíses islámicos, entre los siglosVIII yXIV, tuvo su auge en elOriente Próximo. La antigua tradiciónSasánida de tallado del vidrio fue continuada por los artesanos musulmanes que realizaron vasijas decoradas enaltorrelieve, muchas con motivos animales, y con vidrio incoloro de gran calidad con diseños tallados a la rueda. La técnica de esmaltado al fuego y la del dorado incrementaron las posibilidades decorativas, destacando los artesanos vidrieros deAlepo yDamasco. De Egipto proviene el descubrimiento de coloraciones vidriadas con brillantes efectos metálicos, tanto en cerámica como en vidrio. Las lámparas de las mezquitas y otras vasijas de uso cotidiano se pintaron con motivos geométricos propios del islam. Sus formas y decoraciones influyeron en la producción occidental posterior, destacando las deVenecia yEspaña.
En el norte de Europa yGran Bretaña se continuaron produciendo objetos utilitarios de vidrio. El vidrio común tipoWaldglas (delalemán, ‘vidrio del bosque’) continuó fabricándose en Europa hasta la era moderna. Sin embargo, la producción más importante en este material durante laEdad Media fueron los mosaicos de vidrio en la Europa mediterránea y las vidrieras en la zona del norte. Los mosaicos se hacían conteselas de vidrio, que se cortaban de bloques de vidrio. En documentos del siglo VI se hace referencia a vidrieras en las iglesias, aunque los primeros ejemplares conservados datan del siglo XI. Las más apreciadas se elaboraron durante los siglosXIII yXIV, principalmente enFrancia eInglaterra. El vidrio se coloreaba o se laminaba ya coloreado añadiendo óxidos metálicos a la mezcla, y después se cortaba. Los detalles se pintaban sobre el cristal con un esmalte. Las piezas se sujetaban con una red de plomo conocida como emplomado.[14] El arte de la fabricación de vidrieras decayó a finales delRenacimiento, aunque volvió a recuperarse en el siglo XIX.
Copa veneciana decristallo fabricada aproximadamente entre 1550 y 1650
El «vidrio veneciano» más antiguo conocido data del siglo XV, aunque el vidrio ya se fabricaba en Venecia desde el siglo X. Con centro en la isla deMurano, los venecianos dominaron el mercado europeo hasta el año 1700. La contribución más importante fue la elaboración de un vidrio sódico duro y refinado muy dúctil. Conocido como «cristallo», era incoloro, de gran transparencia, muy semejante alcristal de roca.[15] También se hacían en cristal coloreado y opaco. Hacia finales del siglo XVI las vasijas se hicieron más ligeras y delicadas. Desarrollaron un tipo de filigrana de vidrio que sería muy imitada. Consistía en incorporar hebras de vidrio blanco opaco dentro de un cristal transparente, que producía el efecto de un encaje.
También en Murano surgieron muchos estilos diferentes para lámparas de cristal, aunque fue la factoría deNevers, en Francia, la que adquirió mayor fama durante el siglo XVII. La práctica del grabado al diamante, técnica de los artesanosholandeses del siglo XVII, lograba elaborados diseños.
Los fabricantes de vidrio de Europa intentaron copiar las técnicas y decoraciones de los venecianos. La información se difundió con el libroEl arte del vidrio (1612), deAntonio Neri, y también por los sopladores de vidrio venecianos, pues aunque una ley prohibía a los artesanos vidrieros abandonar Venecia y divulgar los secretos de su arte, muchos se instalaron en otros países europeos. Cada país desarrolló sus imitaciones. La influencia italiana declinó en el siglo XVII, al surgir en Alemania e Inglaterra nuevos métodos para la fabricación de vidrio.
Tradicionalmente se ha considerado que la materia podía presentarse bajo tres formas: lasólida, lalíquida y lagaseosa. Nuevos medios de investigación de su estructura íntima —particularmente durante el siglo XX— han puesto al descubierto otras formas oestados en los que la materia puede presentarse. Por ejemplo el estado mesomorfo[16] (una forma líquida con sus fases esmécticas,[17] nemáticas[18] y colestéricas[19]), el estado deplasma (o estado plasmático, propio de gases ionizados a muy altas temperaturas) o el estadovítreo, entre otros.
Los cuerpos enestado 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 ópticamenteisótropos, transparentes a la mayor parte del espectro electromagnético de radiación visible. Cuando se estudia su estructura interna a través de medios como ladifracción de rayos X, da lugar a bandas de difracción difusas similares a las de los líquidos. Si se calientan, suviscosidad va disminuyendo paulatinamente —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".[20]
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 unlíquido subenfriado o líquido con una viscosidad tan alta que le confiere aspecto de sólido sin serlo.[21][22] Esta hipótesis implica la consideración del estado vítreo como un estado metaestable al que una energía de activación suficiente de sus partículas debería conducir a su estado de equilibrio, es decir, el de sólido cristalino.
Figura 1: Cristal organizado de SiO2.
En apoyo de esta hipótesis se aduce el hecho experimental de que, calentado un cuerpo en estado vítreo hasta obtener un comportamiento claramente líquido (a una temperatura suficientemente elevada para que suviscosidad sea inferior a los 500poises, 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.[20] Sin embargo en muchos casos se observa undesorden ordenado, es decir, la presencia de grupos ordenados que se distribuyen en el espacio de manera total o parcialmente 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.
Figura 2: SiO2 en estado vítreo.
Según la teoríaatómica 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. Una vista en planta de este ordenamiento se esquematiza en la figura 1, en la que el cuarto oxígeno estaría encima del plano de la página. Cuando este sílice pasa al estado vítreo, la ordenación tetraédrica se sigue manteniendo a nivel individual de cada átomo de silicio, aunque los enlaces entre átomos de oxígeno y silicio se realizan en un aparente desorden,[23] que sin embargo mantiene una organización unitaria inicial (véase la figura 2).
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 tanto de naturaleza inorgánica como orgánica, entre otras:
Elementos químicos: Si, Se, Au-Si, Pt-Pd, Cu-Au.
Óxidos: SiO2, B2O3, P2O5, y algunas de sus combinaciones.
Se denominasílice 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), lacristobalita y lastridimitas. 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 1723 °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 denominarvidrio 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. Solo es atacado, de manera importante a temperatura ambiente, por elácido 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 1000 °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.
Suresistividad 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:
Viscosidades
de la sílice vítrea
(Según Brückner)
Temperatura
Viscosidad
°C
μ (poises)
1800
107,21
2000
106,10
2200
105,21
2400
104,50
2600
103,90
2800
103,40
El punto de fusión de la sílice cristalizada depende de la variedad enanciotrópica que se trate. Para la variedad estable a partir de los 1470 °C (la α-cristobalita) este es de 1723 °C. Estas son temperaturas que no pueden alcanzarse fácilmente, salvo en instalaciones muy especializadas. Por esta razón, la fabricación delvidrio de cuarzo ha sido siempre rara y cara. Industrialmente, su producción es bastante limitada si se la compara con otros tipos de vidrio.
Suviscosidad en estado vítreo presenta una gran variación con la temperatura, pasando de valores superiores a 107 poises (aspecto totalmente sólido) por debajo de los 1800 °C, a 103,5 poises a 2758 °C (aspecto pastoso y moldeable).
Las viscosidades toman valores tan sumamente elevados que deben expresarse como potencias de diez. En general, las viscosidades de los vidrios suelen darse bajo la forma de su logaritmo decimal. Para obtener el vidrio de cuarzo es necesario partir de un cuarzo cristalizado de gran pureza, finamente molido, que se somete a altas temperaturas. 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 denominargres 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 3600 °C. En la práctica para poder desgasificar elvidrio de sílice se funde el cuarzo a temperaturas próximas a los 2000 °C 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 °C 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 ambiente, se comporta como un cuerpo perfectamente elástico con una funciónalargamiento/esfuerzo lineal, pero sin prácticamente 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.
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 1087 °C.
De acuerdo con latermodinámica, la mezcla de dos sustancias de puntos de fusión diferentes presenta un «punto de liquidus»[24] 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 1200 °C, lejos de los más de 2000 °C necesarios para preparar el vidrio de cuarzo.
Al producto así obtenido se le da corrientemente el nombre genérico desilicato sódico, si bien con esta denominación se identifica a un conjunto de productos derivados de lafusión del cuarzo con sales sódicas (generalmente carbonatos) en diferentes proporciones de uno y otro componente. Industrialmente se preparan silicatos sódicos con proporciones molares de cada componente situadas entre:
3,90 moles de SiO2 / 1 mol de Na2O y 1,69 moles de SiO2 / 1 mol de Na2O
Nota
La proporciónestequiométrica de un metasilicato sódico puro sería de1 mol de SiO2 / 1 mol de Na2O
Estos silicatos sódicos presentan un aspecto vítreo, transparente y muy quebradizo. Para alcanzar una viscosidad del orden de los 1000 poises (necesaria para su moldeado) se precisan temperaturas que, en función de su composición, oscilan entre los 1220 °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 degel 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.
Su producción se realiza en hornos continuos de balsa calentados mediante la combustión de derivados del petróleo y frecuentemente también con energía eléctrica, a temperaturas lo más elevadas posibles (dentro de una cierta rentabilidad) con el fin de aumentar la productividad del horno. Estas temperaturas suelen situarse entre los 1400 °C y los 1500 °C.
Con el fin de obtener un producto con propiedades similares a las del vidrio de cuarzo a temperaturas inferiores y por tanto que sean 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, y que estabilizan la estructura del vidrio para evitar que se disuelva en agua y por tanto sea más inerte a los agentes químicos a temperatura ambiente, 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 precio:
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 Estados Unidos y África).
Carbonato sódico sintético, el más utilizado en Europa.
Sulfato sódico sintético, subproducto de la industria química.
Estos tres últimos, utilizados en pequeñas proporciones, debido al desprendimiento de gases contaminantes durante la elaboración del vidrio: SOX, NOX, Cl2.
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 1450 °C y los 1600 °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 denominavidrio 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 laestructura 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.
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.
Notas
(1) La densidad es algo más elevada que en elcuarzo fundido (2,5 frente a 2,2 g/cm³).
(2) El coeficiente de dilatación térmica lineal a temperatura ambiente es notablemente más alto que el del sílice fundido (unas 20 veces más), por lo que los objetos de vidrios de silicato sódico son menos resistentes al "choque térmico".
(3) Su índice de refracción es ligeramente mayor que el del vidrio de cuarzo y puede aumentarse mediante el uso de aditivos.
(4) La resistencia a la tracción en cualquier tipo de vidrio es una magnitud que depende extraordinariamente del estado de la superficie del objeto en cuestión, por lo que su cuantificación es compleja y poco fiable.
(5) La resistencia al ataque químico o físico (disolución) de los vidrios comunes es una función de su composición química fundamentalmente. No obstante, en todos ellos esta resistencia es elevada. Se suele medir mediante una serie de pruebas tipificadas internacionalmente. Entre las más usadas:
DIN 12116
DIN 52322
DIN 12111
La atacabilidad de los vidrios también se modifica mediante tratamientos superficiales con SO2, Sn, Ti, y otros.
(6) Para moldear un vidrio es necesaria una viscosidad que se sitúa entre 1000 poises y 5000 poises. En el caso del sílice son necesarias temperaturas de más de 2600 °C, en tanto que para los vidrios comunes basta con 1 200 °C, aproximadamente.
(7) La absorción de la luz se ve influenciada por la estructura íntima de estas materias transparentes. En el caso de una estructura Si-O la absorción de fotones es baja, incluso para longitudes pequeñas de onda (transparencia a los rayos UVA). No es así cuando a esta sencilla estructura se le añaden otros elementos (Na, Mg, Ca, etc.) que inciden decisivamente en la absorción a las longitudes de onda pequeñas (menores de 200 nm) y en las infrarrojas (superiores a 700 nm). Por otra parte, la presencia en la red vítrea deelementos de transición (verTabla periódica de los elementos) produce absorciones selectivas de radiación visible, lo que permite, entre otras cosas, colorear los vidrios con una amplia gama de matices.
Depósito público para reciclaje de vidrio. En este depósito público, existen tres divisiones para separar el vidrio según su color: ya sea incoloro, verde o ámbar.
Elreciclaje de vidrio es el proceso mediante el cual se convierten desechos de vidrio en materiales que servirán para la creación de nuevos productos.
El vidrio es un material totalmente reciclable y no hay límite en la cantidad de veces que puede ser reprocesado. Al reciclarlo no se pierden las propiedades y se ahorra una cantidad de energía de alrededor del 30 % con respecto al vidrio nuevo. Estereciclaje permite reducir la cantidad de residuos que luego se llevan al vertedero, lo que supone un ahorro tanto de materias primas como de energía respecto a la fabricación de vidrio a partir de materias primas nuevas.
En ciertos casos el vidrio es reutilizado, antes que reciclado. No se funde, sino que se vuelve a utilizar únicamente lavándolo (en el caso de los recipientes). En acristalamientos, también se puede aprovechar el vidrio cortándolo nuevamente (siempre que se necesite una unidad más pequeña).
En los lugares donde se implementan programas de reciclaje de vidrio, se pueden encontrar contenedores especiales para vidrio en lugares públicos.
Las principales características del vidrio (su transparencia y su dureza), a pesar de las restricciones impuestas por su principal limitación (su fragilidad), lo convierten en un elemento imprescindible en numerosísimas aplicaciones, formando por sí mismo un grupo de materiales de una enorme importancia económica.
Desde mediados del siglo XX las fachadas de vidrio se han convertido en una seña de identidad casi imprescindible de losgrandes edificios de las principales urbes del mundo.[26] Estas fachadas suelen estar realizadas mediante piezas de vidrio plano con una amplísima gama de colores, lo que facilita la labor creativa de los arquitectos. Estos vidrios normalmente son sometidos a determinados procesos que mejoran sus propiedades de aislamiento térmico y acústico; y su capacidad de atenuación de la luz exterior.
En las fachadas convencionales el vidrio sigue manteniendo su papel preponderante en lasventanas, integrado en distintos tipos de carpinterías (desde las tradicionales de madera, pasando por las de acero, las de aluminio, y llegando a las de PVC), con vidrios sencillos o vidrios dobles separados por una capa confinada de aire.
Interiores
Escalera de vidrio laminado
Hoy en día, el vidrio se ha convertido en un elemento primordial en la decoración del hogar. Gracias a su elegancia, transmisión de la luz exterior y su transparencia, el vidrio hace que los espacios se conviertan en amplios y limpios. Para ello la elección del vidrio adecuado es muy importante sobre todo para arquitectos y diseñadores que son los que hacen uso de este material para la creación de sus proyectos.
Además, al tener distintos colores y texturas, el vidrio se puede utilizar de formas numerosas en infinidad de elementos, tales como:
Mamparas de baño
Mamparas divisorias
Espejos
Revestimiento de paredes
Barandillas
Cortinas
Vitrinas
Mesas
Lucernarios
Vidrieras
Aislamiento térmico y acústico
Lalana de vidrio se utiliza como aislante térmico y acústico en edificación, colocada entre los paramentos exteriores e interiores de muchas edificaciones.
Elementos estructurales
Existen algunas realizaciones pioneras que han utilizado la fibra de vidrio tratada con resinas para su empleo en pequeños puentes[27] y pasarelas, aprovechando las ventajas de su ligereza. Así mismo, se ha planteado el uso de barras de fibra de vidrio para el armado de hormigones, evitando así el efecto de la corrosión sobre las armaduras metálicas en ambientes especialmente agresivos.
Desde los primeros carruajes acomodados para el transporte de viajeros, todas las empresas de fabricación de medios de transporte (los ferrocarriles, la construcción naval, la industria del automóvil y la industria aeroespacial) están ligadas desde sus orígenes a la realización de los elementos de vidrio utilizados tanto en ventanillas yparabrisas como en los sistemas deiluminación interior y exterior de todo tipo de vehículos. Igualmente, otro elemento ligado a la industria del automóvil es la fabricación deespejos retrovisores.
Un ejemplo claro es la evolución del diseño de los automóviles, que pasó de utilizar vidrios planos en exclusiva, a integrar sofisticados elementos de vidrio curvado en parabrisas y ventanas. Tanto la industria aeroespacial como la automovilística se han beneficiado y a su vez han hecho notables contribuciones al desarrollo de vidrios cada vez más ligeros y resistentes, como elGorilla Glass,[28] utilizado después con profusión en la fabricación de teléfonos celulares.
El vidrio (pese a la competencia de envases más baratos como las latas de aluminio o acero; los bricks de cartón encerado o revestido de aluminio; y las botellas de plástico) es todavía uno de los envases usados preferentemente para la comercialización de la mayoría de las bebidas alcohólicas (entre las que se pueden incluir de forma masiva elvino y lacerveza, pese a la progresión de otros tipos de contenedores en estos dos casos), multitud de conservas (especialmente mermeladas y hortalizas, que se benefician de la visibilidad del producto a través del vidrio), refrescos de todo tipo y productos de perfumería como las colonias o determinados productos de belleza (a los que envases de vidrio[29] de diseños originales prestan un innegable valor añadido).
Desde la primera mitad del siglo XX, cuando las empresas de alimentación se encargaban de la recogida de los envases para su limpieza y nueva utilización (práctica habitual por entonces en industrias lácteas, cerveceras y de refrescos), hasta la década de 1980, en la que se generalizó el uso deenvases no retornables[30] destinados a ser reciclados en la fabricación de nuevas botellas, el vidrio se ha mostrado como uno de los materiales menos contaminantes y de más fácil reciclado.
De igual manera, laindustria farmacéutica utiliza frecuentemente envases de vidrio para muchos de sus preparados líquidos como jarabes o inyectables.
Los sistemas de producción energética como lospaneles fotovoltaicos[31] y lascentrales termosolares utilizan masivamente elementos de vidrio en la captación de la energía solar. En el caso de las placasfotovoltaicas, protegen las células de silicio (y finalmente concentran la luz), y en el caso de las centrales termosolares son el elemento clave de los espejos captadores (y en algunos sistemas, también de loscolectores por donde circulan los fluidos con los que se acumula el calor del sol).
La mejora de las propiedades de estos vidrios (coste, transparencia, estabilidad térmica y química, resistencia a la suciedad y a los agentes ambientales...) es clave en la rentabilidad de las costosas inversiones necesarias para la puesta en servicio de estas instalaciones.
Constituye una de las principales aplicaciones específicas del vidrio desde elRenacimiento, cuando se empezaron a producir lentes de calidad con procedimientos cada vez más perfeccionados. Algunas de las bases científicas de la óptica ya se habían sentado anteriormente (desde el año 1000 matemáticos árabes comoAlhacen habían estudiado la geometría de los espejos). Sin embargo, no fue hasta que aparecieronGalileo Galilei con su telescopio de lentes,Anton van Leeuwenhoek con su primitivo microscopio, y el propioIsaac Newton con el desarrollo del telescopio de espejos, cuando se establecieron definitivamente las bases de la importancia de los instrumentos ópticos, hasta llegar a los límites teóricos de resolución a comienzos del siglo XX, con las realizaciones deCarl Zeiss a partir de los descubrimientos teóricos deErnst Abbe, fundamentadas en la utilización devidrios de distintos tipos.
Las aplicaciones de la tecnología óptica del vidrio se centran principalmente en los instrumentos para el tratamiento y captación de imágenes; en aparatos científicos para el estudio de la luz; en comunicaciones digitales; y en la corrección oftalmológica de defectos de la vista humana mediante lentes:
Los televisores utilizan de forma sistemática pantallas de vidrio para proteger los distintos sistemas de píxeles luminosos mediante los que forman las imágenes.
De igual manera, laslavadoras incorporan habitualmente una puerta circular de vidrio, y muchosfrigoríficos utilizan baldas de vidrio para mejorar la sensación de espacio y la luminosidad interior.
Lámpara de araña en la Sala Verde de laCasa Blanca
Desde la invención de las lámparas de llama de gas o de petróleo, se han utilizado campanas de vidrio para evitar tanto el apagado de la llama como su propagación accidental. Con la invención de labombilla de incandescencia eléctrica, la característica ampolla de vidrio que protege el filamento se ha convertido en un elemento insustituible, que se ha ido adaptando progresivamente a los mayores requerimientos térmicos que exigen laslámparas de vapor de sodio, lashalógenas (con vidrios de sílice pura) o las dexenón (que emplean vidrios especiales). Incluso en lostubos fluorescentes, cuyas temperaturas de funcionamiento son reducidas, el vidrio que contiene el gas neón es un elemento imprescindible. Solo el desarrollo de los sistemas deluz LED (debido a su baja emisión de calor) puede permitir la sustitución del vidrio por materiales plásticos translúcidos, más baratos, ligeros y fáciles de fabricar.
Muchos modelos delámparas en las que se montan los puntos de luz, utilizan elementos de vidrio para dispersar y dar un determinado aspecto decorativo a la luz que proyectan. En este sentido, pueden citarse las enormeslámparas de araña formadas por numerosas piezas de vidrio engarzadas, características de los grandes salones de edificios públicos y privados desde la Época Victoriana hasta la Primera Guerra Mundial.
Tradicionalmente, las esferas de los relojes se han protegido con vidrios abombados, adoptándose perfiles planos posteriormente. En el caso de los relojes de pulsera, es un requisito indispensable tanto cuando montan dispositivos de agujas (para evitar que se dañen) como cuando se trata de dispositivos digitales (el vidrio permite mostrar la pantalla hacia el exterior). Los relojes de alta gama suelen montarcristal de zafiro, cuya extraordinaria dureza evita que se rayen fácilmente.
Muchos utensilios de cocina pueden ser de vidrio (como fuentes o boles). La aparición delvidrio borosilicatado capaz de soportar temperaturas muy altas, amplió extraordinariamente el uso del vidrio en la cocina, hasta convertirlo en un material profusamente utilizado en fuentes para preparar asados al horno.
En la mesa, tanto los vasos como todo tipo de copas, así como jarras y los recipientes de la mayoría de los líquidos, suelen ser de vidrio, existiendo así mismo vajillas en las que los platos también son de este material, sustituyendo a la cerámica.
Vidrios de colores de especial calidad son frecuentemente utilizados en bisutería, sustituyendo a gemas naturales de mucho mayor precio. Un ejemplo es el vidrio deSwarovski, que se utiliza para producir una amplia gama de productos decorativos, así como complementos de moda ligados a la bisutería.
En otro tipo de productos, es frecuente la venta de cuentas de vidrio de colores que se utilizan en la confección de collares y pulseras artesanales, tanto para su comercialización como por puro entretenimiento.
De acuerdo con los datos publicados por la webCIAdvanced,[32] las principales industrias fabricantes de vidrio del mundo (la gran mayoría comparten esta actividad con la fabricación de materiales cerámicos), se concentran en Japón, Europa y los Estados Unidos.
El potencial económico de estas empresas es considerable. La mayor de ellas, la francesaSaint-Gobain, facturó 45.000 millones de dólares en 2014 y daba empleo a cerca de 60.000 trabajadores, con unos 3.700 dedicados a tareas de investigación y desarrollo. Sus principales clientes son la industria del automóvil, la aeroespacial, las plantas energéticas y la óptica oftalmológica. También es notable el tamaño de las empresas de Japón, que concentra cuatro de las diez primeras.
La más pequeña de las diez, la austriaca RHI AG, en 2014 facturó 1900 millones de dólares, y daba empleo a 8000 trabajadores.
Por otro lado, la empresa estadounidenseOwens-Illinois es el mayor fabricante mundial de recipientes de vidrio. Factura 7400 millones de dólares anuales y emplea a 24 000 trabajadores.(Véase:Fabricación de vidrio).
↑Entry "vitrum", in: Michiel de Vaan (ed.),Etymological Dictionary of Latin (Ph. D. 2002). First published online at Brill, October 2010. Consulted online on 23 May 2019.
↑Bruce Nash.Modern Marvels: glass (documental). History Channel. Escena en 4 min.La referencia utiliza el parámetro obsoleto|añoacceso= (ayuda);|fechaacceso= requiere|url= (ayuda)
↑Mesomorfo: Estado de la materia intermedio entre un sólido y un líquido
↑«Esméctico».UCO. Archivado desdeel original el 6 de mayo de 2016. Consultado el 1 de febrero de 2016. «Cristal líquido esméctico: Es la fase de cristal líquido de ordenamiento siguiente a la fase nemática conforme se incrementa la temperatura partiendo del líquido. El término se deriva del griego que significa limo o grasa. La estructura esméctica (excepto la esméctica D) se encuentra estratificada, con las moléculas organizadas en capas.»
↑«Nemático».enciclonet 3.0. Consultado el 1 de febrero de 2016. «Nemático: Se dice del estado de la materia más cercano al estado líquido que al cristalino, en el cual las moléculas se disponen de forma alargada y se mueven manteniéndose paralelas unas a otras: el estado nemático es un tipo de los dos estados mesomorfos que puede presentar la materia».
↑«Colestérico».Cristales Líquidos. Archivado desdeel original el 6 de mayo de 2016. Consultado el 1 de febrero de 2016. «Cristales líquidos colestéricos: También conocidos como nemáticos girados. Similar a la fase nemática, sin embargo, en la fase colestérica, las moléculas en las diferentes capas se orientan con un desfase en un leve ángulo de unas capas respecto a otras (en vez de paralelas como en el nemático). Cada molécula consecutiva se gira ligeramente con relación a la anterior. Por lo tanto, en vez del tener un vector director constante como el nemático, el vector director colestérico gira helicoidalmente en todas las partes de la muestra. Muchos ésteres colestéricos exponen esta fase, de ahí el nombre colestérico.»
↑abNavarro, José María Fernández (2003).El vidrio. Editorial CSIC - CSIC Press.ISBN9788400081584. Consultado el 2 de marzo de 2018.
↑«Primer puente en España de fibra de carbono y vidrio».Acciona. Consultado el 1 de febrero de 2016. «Puente de mayor longitud del mundo (46 m.) fabricado con materiales poliméricos. Puente carretero de mayor luz entre apoyos consecutivos (13 m.). Premio de Arquitectura y Construcción 2005. El puente ha sido construido para la Dirección General de Carreteras del Ministerio de Fomento dentro del "Proyecto de Construcción Autovía del Cantábrico, Tramo: Tamón (Carreño) - Otur (Luarca), Subtramo: Vegarrozadas - Soto del Barco en el P.K.=1+640.»
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