I. �C�MO Y CON QU� SE HACE EL VIDRIO?

ADEM�S del papel que ha desempe�ado en la vida cotidiana, el vidrio ha tenido una trascendental participaci�n en el desarrollo de la tecnolog�a y de nuestra concepci�n de la naturaleza. Gracias a �l sabemos c�mo son los microorganismos, a trav�s del microscopio; c�mo es el Universo, con el uso de los telescopios; cu�l es la naturaleza del �tomo y el dinamismo de una c�lula viva. La variedad de usos que se le ha encontrado solamente est� limitada por la capacidad y el ingenio del hombre. Su versatilidad es dif�cilmente sustituible, por lo que su estudio se vuelve m�s interesante.

B�sicamente, el principio de fabricaci�n del vidrio ha permanecido invariable desde sus comienzos, pues las principales materias primas y las temperaturas de fusi�n no han sido modificadas. Sin embargo, las t�cnicas se han transformado para conseguir un proceso de producci�n m�s acelerado, y los investigadores han elaborado diferentes compuestos para combinarlos con el material bruto y as� variar las propiedades f�sicas y qu�micas, de manera que sea posible disponer de una amplia gama de vidrios para diversas aplicaciones.

El vidrio se hace en un reactor de fusi�n, en donde se calienta una mezcla que casi siempre consiste en arena sil�cea (arcillas) y �xidos met�licos secos pulverizados o granulados. En el proceso de la fusi�n (paso de s�lido a l�quido) se forma un l�quido viscoso y la masa se hace transparente y homog�nea a temperaturas mayores a 1 000�C. Al sacarlo del reactor, el vidrio adquiere una rigidez que permite darle forma y manipularlo. Controlando la temperatura de enfriamiento se evita la desvitrificaci�n o cristalizaci�n.

En la antig�edad la fusi�n se hac�a en moldes de arena hechos en casa, como se ve en la figura 8, pero para la industrializaci�n de este proceso fue necesario construir grandes hornos (figura 9), donde adem�s de las materias primas se pod�an a�adir trozos de vidrio viejo de desecho.

Figura 8. Horno de fusi�n casero antiguo (siglo XVII).

Figura 9. Horno tanque.

Durante los tiempos primitivos de la industria del vidrio, las �nicas materias primas que se utilizaban en su fabricaci�n eran las arcillas. Hoy en d�a 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 a�ade dolomita, arcilla de aluminio y productos para el refinado. En la actualidad muchos materiales desempe�an 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 geol�gico de la superficie de la Tierra, y que como esta degeneraci�n 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 pa�s tenemos numerosas arcillas. Los yacimientos en la Rep�blica se encuentran distribuidos en el territorio correspondiente a 10 de los estados que forman la confederaci�n pol�tica del pa�s. Las localidades donde se han encontrado se ilustran en el mapa correspondiente (figura 10). En �ste se observa que en Chihuahua, Zacatecas, Aguascalientes, Jalisco, Guanajuato, Quer�taro, Hidalgo, Tlaxcala, Puebla y Guerrero se encuentran las zonas importantes. A menudo estos territorios est�n relacionados con regiones de mineralizaci�n, como las que corresponden a los estados de Guanajuato, Hidalgo y Quer�taro.

 

Figura 10. Ubicaci�n de los principales yacimientos de arcillas sil�ceas en la Rep�blica Mexicana

Las rocas �gneas primarias que dieron lugar a las arcillas fueron, entre otras, granitos, pegmatitas y feldespatos. El envejecimiento de estas rocas primarias fue producido por la acci�n mec�nica del agua, el viento, los glaciares y los movimientos terrestres, combinados con la acci�n qu�mica del agua y del bi�xido de carbono a altas temperaturas. Hoy en d�a las mismas fuerzas naturales siguen produciendo arcilla, form�ndose as� m�s cantidad de la que el hombre puede utilizar.

La arcilla es un material enga�osamente 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, d�cil, pl�stica, maleable, sin veta ni direcci�n. Clasificarla es una tarea dif�cil y conduce a diferentes resultados, dependiendo de la caracter�stica del material que se tome como referencia. La podemos ordenar desde un punto de vista geol�gico, mineral�gico o de acuerdo con su uso.

Una clasificaci�n geol�gica es la m�s conveniente en el caso de la arcilla, pues puede ser una gu�a preliminar �til de las materias primas empleadas en la industria del vidrio (figura 11). Asimismo pueden dividirse en dos grandes grupos: las primarias y las secundarias. Las arcillas primarias, tambi�n conocidas como arcillas residuales, son las que se han formado en el lugar de sus rocas madres y no han sido transportadas por el agua, el viento o el glaciar. Al no haber movimiento, casi no hay oportunidad de que las mezclas de otras procedencias alteren su composici�n, por lo que tienden a ser relativamente puras y libres de materiales no arcillosos. Son valoradas por su limpieza, su blancura, su suavidad, su bajo costo y su dificultad para encontrarlas. Las arcillas secundarias son aquellas que han sido desplazadas del lugar donde fueron formadas. Son mucho m�s comunes, menos puras, pues tienen material procedente de distintas fuentes, y su composici�n var�a ampliamente. Estos datos son particularmente importantes para las personas que van a utilizar estos materiales, ya que las condiciones de trabajo se alteran de manera notable. Las arcillas que se encuentran esencialmente puras requieren un tratamiento m�nimo, mientras que las otras tienen que tratarse a profundidad antes de ser utilizadas en la industria.

Figura 11. Diagrama de flujo de la clasificaci�n de las arcillas.

Quiz� te est�s preguntando por qu� le damos tanta importancia a las arcillas, si �ste es un libro acerca del vidrio. Lo que sucede es que queremos ense�arte y convencerte de que la arcilla es como tierra, como arena, y que de ella se obtienen los vidrios. Cuesta trabajo imaginarlo, �verdad? Piensa en la sorpresa que se llev� el hombre primitivo cuando lo descubri�. Puso a calentar tierra y �sta se empez� a poner dura hasta que se transform� en un vidrio. Suena como magia. Hoy sabemos que a medida que la temperatura de tratamiento de la arcilla aumenta m�s all� del rojo vivo, se produce un endurecimiento, seguido de una compactaci�n y finalmente de una transformaci�n de la arcilla en vidrio. Durante la vitrificaci�n se produce una considerable contracci�n, debida a la disminuci�n del tama�o de las part�culas y a una reestructuraci�n de las mol�culas dentro de la matriz v�trea. Pero, �de qu� est�n formadas las arcillas que les permite hacer todo eso? 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 interacci�n 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 s�. El Al(OH)_-4 tiene una carga negativa y cuatro grupos OH, igual que el Si(OH)_-4. Adem�s, el silicio y el aluminio son de un tama�o similar. Con el tiempo estos compuestos reaccionan y forman sales solubles con los iones alcalinos (Na, Li, y K) y alcalinot�rreos (Be, Mg y Ca), cambiando as� la estructura de los silicoaluminatos originales. El aluminio puede estar rodeado por 4 o 6 �tomos de ox�geno, y puede tener carga +3 o +4. Imaginemos un silicato donde uno de los �tomos de Si⁺⁴ est� sustituido por un ion Al⁺³.

Figura 12. 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 continuaci�n otra de silicio, con sus respectivos ox�genos cada una, por supuesto. Es claro que el aluminio cambi� la forma de la arcilla. En la figura 13(b) la situaci�n es similar, salvo que en �sta se indica la posici�n que toman los �tomos de potasio (K). Si seguimos buscando diferencias, veremos que en la arcilla que carece de metales (figura 13(a)) aparecen mol�culas de agua (H₂O) entre capas de silicio. Por eso se dice que todos estos minerales tienen la propiedad de absorber agua, lo que tambi�n contribuye a que las estructuras sean m�s anchas porque, como puedes ver, la de la figura 13(a) mide entre 9.6 y 21.4 Å, dependiendo de la cantidad de agua que haya absorbido, mientras que la de la figura 13(b) mide 10 Å. Estos cambios en la estructura de la arcilla son la base de su naturaleza caprichosa.

Figura 13. Estructura cristalina de arcillas. a) Sin metales alcalinos (montmorillonita). b) Con metales alcalinos y alcalinot�rreos (illita).

En la s�lice, la unidad estructural fundamental es un tetraedro de SiO₄, es decir, un �tomo de silicio rodeado siempre por cuatro �tomos de ox�geno (figura 14). Las fuerzas que mantienen unidos a estos �tomos comprenden enlaces i�nicos y covalentes, lo cual provoca que la fuerza del enlace sea muy grande. Si pensamos en tetraedros de s�lice juntos, unos rodeando a otros, tendr�amos una combinaci�n de tetraedros de s�lice (con sus respectivos ox�genos) orientados al azar. En un cristal como el de la figura 15(a) los �tomos siguen un patr�n estricto de orientaci�n que se repite n veces, siempre de la misma manera. En un vidrio, los enlaces Si-O-Si no tienen una orientaci�n determinada (figura 15 (b)); la distancia de separaci�n entre los �tomos de Si y O no es homog�nea, las unidades tetra�dricas no se repiten con regularidad y el compuesto est� desordenado. A esta �ltima se le conoce como s�lice amorfa, mientras que a la ordenada se le conoce como s�lice cristalina, y ambas se utilizan en la fabricaci�n del vidrio. El cuarzo (figura 16), es un ejemplo de s�lice cristalina muy empleada en esta manufactura.

Figura 14. Tetraedro de silicio rodeado de cuatro �tomos de ox�geno.

 

Figura 15. Representaci�n gr�fica de las diferencias estructurales entre un cristal (a) y un vidrio (b).

Figura 16. Estructura cristalina regular de cuarzo.

Con las arcillas se hacen los vidrios, y como existe una gran variedad, el vidrio que obtengamos depender� de la arcilla que escojamos, raz�n por la cual se necesita conocer muy bien las materias primas. Esto lo saben los se�ores vidrieros, y por eso han aprendido que la caolinita (figura 17) es el grupo de minerales de arcilla m�s sencillo, su estructura b�sica se compone de �tomos de ox�geno ordenados de tal manera que dan lugar a capas alternadas de huecos tetra�dricos, que se ocupan por �tomos de silicio y aluminio, y huecos octa�dricos, ocupados por �tomos de aluminio, magnesio, hierro y cinc.

Figura 17. Estructura de la caolinita.

Tambi�n hay impurezas que ocupan sitios intersticiales, o dicho de otra manera, tienen iones que est�n mal acomodados. El efecto de las impurezas depende de su naturaleza, de la proporci�n en que se encuentran, del tama�o y de la forma de los granos de la arcilla, y de las condiciones de reacci�n, incluyendo la temperatura alcanzada, la duraci�n del calentamiento y los efectos de algunas otras sustancias presentes. Cuando estas impurezas son compuestos de hierro, por ejemplo, el color de la arcilla cambia, y aparecen eflorescencias de colores en la superficie del material seco y manchas negras o grises. Tambi�n se modifican las propiedades refractarias. El �xido f�rrico es altamente refractario cuando se encuentra en una atm�sfera oxidante; en una reductora act�a como fundente. La diferencia entre las dos situaciones es que en la primera el hierro pierde electrones, mientras que en la segunda los gana. Esta disparidad puede cambiar radicalmente las propiedades de la materia prima necesaria para hacer un vidrio. Las impurezas nos pueden ayudar a su manufactura, lo importante es saberlas escoger y manejar.

Desde que el hombre primitivo descubri� el vidrio, su fabricaci�n ha cambiado poco, y ha dependido en gran medida de la infraestructura disponible para la fusi�n de las materias primas. Antiguamente se utilizaban crisoles con capacidad de pocas toneladas (hoy en d�a se siguen usando para elaborar vidrios especiales). En las grandes f�bricas modernas se utiliza el llamado horno tanque, que consiste en un gran tanque cerrado, hecho con los mejores materiales refractarios. El combustible (gas o petr�leo) se quema dentro del tanque, produce enormes llamas que pasan sobre la superficie de vidrio fundido y sobre las materias primas flotantes a�n no fundidas. Los hornos tanque m�s usuales son continuos, lo que quiere decir que las materias primas que se introducen por el extremo de fusi�n salen con la misma rapidez por el lado opuesto en forma de vidrio fundido, para despu�s pasar a las m�quinas que le dan forma. Existen hornos continuos muy grandes, con una capacidad total de 450 toneladas y una producci�n diaria de vidrio de 250 toneladas. Las altas temperaturas con las que trabajan estos hornos (alrededor de 1 500�C) requieren sistemas de caldeo regenerativos para recuperar parte del calor.

Cuando el vidrio sale del tanque de fusi�n se enfr�a y se endurece r�pidamente. En los pocos segundos que permanece a una temperatura entre el rojo amarillo y el rojo naranja se trabaja de muchas formas para darle diferentes aspectos. Se puede prensar, soplar, estirar y laminar. El vidrio fr�o puede volverse a calentar y trabajarse repetidas veces con la misma facilidad aplicando el mismo m�todo. Es importante evitar que el vidrio caliente y blando permanezca a la intemperie demasiado tiempo, porque se puede cristalizar.

En la producci�n a gran escala, inmediatamente despu�s de que se le ha dado forma a un art�culo de vidrio, �ste es transportado hasta un horno de recocido continuo, en el cual se vuelve a calentar a la temperatura apropiada. Con esto se evitan tensiones dentro del material v�treo. Posteriormente se somete a un enfriamiento lento y controlado. Despu�s de salir del horno de cocido, cada art�culo es inspeccionado, embalado y, si es necesario, se somete a operaciones de acabado. En la figura 18 se muestra un diagrama del proceso de fabricaci�n del vidrio. La materia prima se pone en el tanque de fusi�n. Una vez fundida se le da forma para despu�s recocerla. Se puede ver que la temperatura de recocido es relativamente baja comparada con la de fusi�n, y que el vidrio roto de desecho se puede volver a utilizar cuantas veces se desee.

Figura 18. Diagrama para la fabricaci�n de vidrio.

Es importante destacar que el proceso de fabricaci�n es pr�cticamente el mismo para todos los tipos, y lo que cambia de un ejemplar a otro es el material. Todos ellos tienen en mayor o menor proporci�n �tomos de silicio, que es uno de los elementos de la tabla peri�dica que m�s se parece al carbono. Esto resulta interesante si pensamos que el carbono es la base fundamental de la vida en nuestro planeta. Si son tan parecidos, �por qu� no existe vida en la Tierra basada en la qu�mica del silicio?, y �por qu� no podemos utilizar el carbono para fabricar vidrio? La raz�n radica en la gran facilidad que tiene el silicio para formar compuestos con el ox�geno, evitando con esto las largas cadenas que ser�an equivalentes a las del carbono, y que son importantes en la qu�mica de la vida. Es precisamente esta afinidad con el ox�geno lo que lo hace �til e indispensable en la formaci�n del vidrio.