II. TIPOS DE VIDRIO

COMO acabamos de leer en el cap�tulo anterior, la materia prima b�sica para hacer un vidrio son las arcillas. Cuando a esta materia se le agregan distintos compuestos qu�micos se obtienen diferentes tipos de vidrio. Con base en su composici�n qu�mica se puede hacer una clasificaci�n como la que aparece en la tabla II.1, donde se resumen los compuestos y elementos que poseen los vidrios comerciales m�s comunes.

TABLA II.1. Composici�n de los vidrios comerciales (los n�meros indican el porcentaje)
Elementos	Sódico—cálcico	Plomo	Borosilicato	Sílice
Sílice	70-75	53-68	73-82	96
Sodio	12-18	5-10	3-10
Potasio	0-1	1-10	0.4-1
Calcio	5-14	0-6	0-1
Plomo		15-40	0-10
Boro			5-20	3-4
Aluminio	0.5-3	0-2	2-3
Magnesio	0-4

Para hablar detalladamente de cada uno de ellos sigamos el mismo orden de la tabla.

EL VIDRIO S�DICO-C�LCICO

Est� formado por s�lice, sodio y calcio principalmente. La s�lice es parte de la materia prima b�sica, el sodio le da cierta facilidad de fusi�n y el calcio la provee de estabilidad qu�mica. Sin el calcio el vidrio ser�a soluble hasta en agua y pr�cticamente no servir�a para nada. �Te imaginas un vaso que se deshiciera con el agua?

Este tipo de vidrio es el que se funde con mayor facilidad y el m�s barato. Por eso la mayor parte del vidrio incoloro y transparente tiene esta composici�n. Las ventanas de los edificios, desde la m�s grande hasta la m�s peque�a est�n hechas con este vidrio. Lo �nico que cambia de una diminuta ventana a un ventanal de enormes dimensiones es el espesor. Est� tan estudiado el grosor en relaci�n con el tama�o, que hay una clasificaci�n y una reglamentaci�n para el tipo de vidrio que se debe usar en cada construcci�n. En la figura 19 se ilustra el espesor necesario del vidrio, seg�n el tama�o de la ventana. Por ejemplo, un ventanal de 200 cm de altura tiene que tener entre 75 y 100 mm de espesor.

Figura 19. Espesores de vidrios de ventanas.

La resistencia qu�mica del vidrio s�dico-c�lcico se ha mejorado en a�os recientes al aumentar la proporci�n del s�lice, porque �sta es poco reactiva. Tambi�n se aumenta la fortaleza a lo que se conoce como choque t�rmico. �Sabes lo que es el choque t�rmico? Quiz� alguna vez hayas visto c�mo se rompe un refractario (no de los especiales) que, despu�s de sacarlo del horno y estando a�n caliente, se pone debajo del agua fr�a. Esto es lo que se conoce como un choque t�rmico. La explicaci�n de por qu� se produce es muy sencilla. Imagin�monos que las mol�culas est�n formadas por pelotas unidas con resortes que se estiran y contraen (las pelotas son los �tomos y los resortes los enlaces). Al aumentar la temperatura, lo que estamos haciendo es aumentar la energ�a t�rmica que se traduce en que los resortes de las mol�culas se contraigan y se estiren m�s y a mayor velocidad. Al hacerlo necesitan un lugar m�s amplio, como se puede ver en la figura 20(a), y el material se expande. Si ahora lo ponemos en agua fr�a, la energ�a t�rmica disminuye y los resortes vuelven a tener su movimiento original, por lo que ya no necesitan m�s espacio para moverse. Si el vidrio se enfr�a poco a poco, paulatinamente llega a sus dimensiones originales y no se produce ning�n rompimiento. Cuando el material regresa r�pidamente al tama�o inicial se rompe. Se llama choque t�rmico porque se est�n enfrentando dos temperaturas diferentes, lo cual provoca que el material se destruya.

Figura 20. Vibraciones en la mol�cula de SiO₂.

Los �tomos tambi�n se mueven de arriba hacia abajo, como se muestra en la figura 20(b), y en este caso los resortes casi no se estiran ni contraen. Cuando se aumenta la temperatura este movimiento se hace m�s pronunciado, pero como los resortes se estiran menos, no se necesita un espacio mucho mayor y el material no se expande tanto. As�, aun cuando r�pidamente regrese a su tama�o inicial al enfriarse, no se produce ninguna rotura porque no hay gran diferencia entre la dimensi�n original y la expandida.

A estos movimientos entre los �tomos se les conoce como vibraciones, y en general se producen los dos tipos en la mayor�a de los materiales. Cuando las vibraciones son de arriba hacia abajo, como las de la figura 20(b), la expansi�n ser� m�s reducida que cuando son de la otra forma y el material tendr� m�s resistencia al choque t�rmico. Esta caracter�stica es medible y se conoce como coeficiente de dilataci�n calor�fico. Ahora ya podemos dar una explicaci�n al hecho de que el vidrio con mayor proporci�n de s�lice sea m�s resistente al choque t�rmico. La s�lice tiende a mantener sus dimensiones cuando se calienta. Est� formada por un �tomo de ox�geno entre dos �tomos de silicio, y la mayor parte de sus vibraciones son como las de la figura 20(b), moviendo al �tomo de ox�geno de lado a lado. La distancia entre las mol�culas de s�lice es suficiente para acomodar este movimiento y por esta raz�n la distancia entre los �tomos de silicio crece muy poco cuando se aumenta la temperatura, la expansi�n es peque�a y, por lo tanto, la resistencia al choque t�rmico es grande. Cuando se a�aden otros elementos, como en la figura 20(c), se rompe el puente Si-O-Si, y entonces pueden predominar vibraciones como la de la figura 20(a). Si esto pasa, el material tiene que expandirse para poder moverse longitudinalmente, aumentando con esto la probabilidad de un choque t�rmico. Sin importar cu�l sea la composici�n del vidrio de que se trate, su resistencia al choque t�rmico siempre ser� mayor mientras m�s cantidad de s�lice tenga.

EL VIDRIO DE PLOMO

El siguiente tipo de vidrio que aparece en la tabla es el de plomo, en el cual se sustituye el �xido de calcio por �xido de plomo. Es igual de transparente que el vidrio s�dico-c�lcico, pero mucho m�s denso, con lo cual tiene mayor poder de refracci�n y de dispersi�n. Se puede trabajar mejor que aqu�l porque funde a temperaturas m�s bajas. Su coeficiente de dilataci�n calor�fica es muy elevado, lo cual quiere decir que se expande mucho cuando se aumenta la temperatura y por lo tanto no tiene gran resistencia al choque t�rmico. Posee excelentes propiedades aislantes, que se aprovechan cuando se emplea en la construcci�n de los radares y en el radio. Absorbe considerablemente los rayos ultravioletas y los rayos X, y por eso se utiliza en forma de l�minas para ventanas o escudos protectores.

Es un vidrio blando a baja temperatura que permanece con cierta plasticidad en un rango de temperatura, lo cual permite trabajarlo y grabarlo con facilidad. Las piezas del material conocido como cristal cortado est�n hechas con este vidrio. Asimismo, se utiliza en la elaboraci�n de vidrios �pticos, para lo cual se a�ade �xido de lantano y tono. Estos vidrios dispersan la luz de todos los colores. Son excelentes lentes para c�maras fotogr�ficas porque con una correcci�n m�nima dan luz de todos los colores y la enfocan de manera uniforme en el plano de la pel�cula. Si no fuera as�, unos colores ser�an m�s intensos que otros en una fotograf�a, y no se lograr�an im�genes tan reales.

Si nos fijamos en la tabla II.1, vemos que el vidrio de plomo tambi�n tiene una proporci�n de potasio. El potasio hace que el material sea m�s quebradizo, pero el plomo resuelve el problema. Este tipo de vidrio, con estas propiedades tan peculiares, fue inventado cuando se trataba de resolver el problema de la fragilidad del vidrio con potasio. Como te podr�s imaginar, es m�s caro que el anterior.

EL VIDRIO DE BOROSILICATO

Naci� en 1912. Despu�s de la s�lice, su principal componente es el �xido de boro. Es pr�cticamente inerte, m�s dif�cil de fundir y de trabajar. Los �tomos de boro se incorporan a la estructura como Si-O-B, y su forma de vibrar es como la que se presenta en la figura 20 (b). Tiene alta resistencia a cambios bruscos de temperatura, pero no tan alta como la del vidrio de s�lice puro, pues aun cuando presenta el mismo tipo de vibraci�n, la longitud de los enlaces var�a m�s cuando est� presente el boro y el material tiene un coeficiente de dilataci�n mayor. El valor de este coeficiente es 0.000005 cent�metros por grado cent�grado. Esto quiere decir que por cada grado cent�grado que aumenta la temperatura, el vidrio se agranda 0.000005 cent�metros. Muy poco, �verdad? Por eso se utiliza en la elaboraci�n de utensilios de cocina para el horno y de material de laboratorio, pues es muy resistente al calor y a los cambios bruscos de temperatura. Estos objetos no se hacen de vidrio de s�lice puro porque su manufactura es complicada, ya que tienen que alcanzar temperaturas de 1650�C para hacerlo.

EL VIDRIO DE S�LICE

Formado con 96% de s�lice es el m�s duro y el m�s dificil de trabajar, pues es necesario emplear una costosa t�cnica al vac�o para obtener un producto para usos especiales, que transmite energ�a radiante del ultravioleta y del infrarrojo con la menor p�rdida de energ�a. Tambi�n existe otra novedosa t�cnica en cuya primera etapa se utiliza vidrio de borosilicato que se funde y se forma, pero con dimensiones mayores a las que se desea que tenga el producto final. Este art�culo se somete despu�s a un tratamiento t�rmico, con lo cual se transforma en dos fases v�treas entremezcladas, es decir, en dos tipos de vidrios diferentes entremetidos uno en el otro. Uno de ellos es rico en �lcali y �xido de boro, adem�s de ser soluble en �cidos fuertes (clorh�drico y fluorh�drico) calientes. El otro contiene 96% de s�lice, 3% de �xido de boro y no es soluble. Esta �ltima es la composici�n final del vidrio de s�lice.

En la segunda etapa de fabricaci�n el art�culo se sumerge en un �cido caliente, para diluir y quitar la fase soluble. El vidrio que tiene grandes cantidades de s�lice, y que no se disuelve, forma una estructura con peque�os agujeros, llamados poros. Posteriormente se lava el vidrio para eliminar el �cido b�rico y las sales que se forman, concluyendo con un secado.

En la tercera y �ltima etapa el art�culo se calienta a 1 200� C, y se observa una contracci�n de aproximadamente 14%. Esto quiere decir que su tama�o disminuye en ese porcentaje. Los poros desaparecen. Su estructura se consolida sin que se produzca ninguna deformaci�n. Los gases contenidos en el interior son desorbidos y el vidrio adquiere una apariencia perfectamente transparente y herm�tica.

Los vidrios que contienen 96% de s�lice tienen una estabilidad tan grande y una temperatura de reblandecimiento tan elevada (1 500�C) que soportan temperaturas hasta de 900�C durante largo tiempo. A temperaturas m�s altas que �stas puede producirse una desvitrificaci�n y la superficie se ve turbia. Por todas estas propiedades se utilizan en la fabricaci�n de material de laboratorio, que requiere una resistencia excepcional al calor, como sucede con los crisoles, los tubos de protecci�n para termopares, los revestimientos de hornos, las l�mparas germicidas y los filtros ultravioletas (figura 21).

Figura 21. Representaci�n esquem�tica de un monocromador de un espectrofot�metro infrarrojo.

La s�lice es un material el�stico casi perfecto. Cuando se deforma debido a una fuerza externa, r�pidamente regresa a su forma original. No pierde su estructura qu�mica ni siquiera con el calor, raz�n por la cual este tipo de vidrio es el m�s cotizado.

C�MO DARLE COLOR AL VIDRIO

Los cuatro tipos de vidrio qu�micamente diferentes que hemos descrito pueden adquirir color f�cilmente si se les a�aden impurezas de metales de transici�n a las mezclas utilizadas. Esto no afecta ninguna de las dem�s propiedades. En la antig�edad, el vidrio estaba inevitablemente coloreado por las impurezas que de manera natural contienen las arcillas y por la contaminaci�n en los crisoles de fusi�n. El primer vidrio relativamente incoloro se obtuvo a principios de la era cristiana, en Roma, pero el primero que realmente no tuvo color no se logr� sino hasta el sigloX en Venecia.

Las investigaciones en los �ltimos 50 a�os acerca de c�mo colorear el vidrio han sido muy importantes, ya que no se han perseguido s�lo fines art�sticos y ornamentales, sino tambi�n cient�ficos, como por ejemplo, la elaboraci�n de filtros y lentes de color para los sistemas de se�ales de transportes, que exigen un control muy riguroso de la transmisi�n de la luz a trav�s del vidrio en todo el espectro.

Existen principalmente tres formas de darle color al vidrio. Una es por medio de los colores de soluci�n, donde el color se produce porque el �xido met�lico presente absorbe la luz de la regi�n visible del espectro, y deja pasar la que corresponde a algunos colores, que son los que se ven. De esta forma el cobre absorbe la luz con longitudes de onda que pertenecen a todos los colores, menos la vinculada al color rojo rub�, cuando est� en estado de oxidaci�n +1, o al verde, cuando su estado de oxidaci�n es +2. Por eso un vidrio que contenga Cu⁺¹ se ver� rojo rub�, y con Cu⁺² ser� verde. El cobalto siempre absorbe la luz con todas las longitudes de onda menos la que produce el color azul, y as�, de la misma manera, el vanadio, el manganeso, el titanio, el cromo, el hierro y el n�quel producen sus propios colores. En la figura 22 a) y b), se localizan en un mapa de la Rep�blica mexicana los diferentes yacimientos de estos metales.

Figura 22. a) Ubicaci�n de metales en la Rep�blica Mexicana.

Figura 22. b) Ubicaci�n en la Rep�blica Mexicana de metales que dan coloraci�n al vidrio.

La segunda forma de darle color es por medio de una dispersi�n coloidal. Ésta consiste en part�culas submicrosc�picas suspendidas en el vidrio, que reflectan o dispersan selectivamente los rayos de luz de un color. Por ejemplo, el selenio combinado con sulfuro de cadmio produce part�culas en el vidrio que dispersan toda la luz, menos la de color rojo. Aqu� el color depende de la concentraci�n y el tama�o de las part�culas, no tanto del elemento por el que est�n formadas. El color rub� se puede producir con oro y cobre en su estado elemental, o por seleniuros y sulfuros en soluci�n.

Cuando el cobre se calienta con la s�lice a temperaturas muy altas se deposita en forma de escamas y produce tambi�n el color rub�, pero ahora por medio de part�culas macrosc�picas, que es la tercera forma de darle color al vidrio. Con esta misma t�cnica se puede producir el vidrio opaco, porque las escamas que se forman dentro provocan que la luz se difracte en el interior del vidrio, quit�ndole transparencia. Tambi�n se forma un tipo de vidrio alabastro, que es como un m�rmol transl�cido, generalmente con visos de colores. Las estructuras internas que se forman para producir estos efectos son poco conocidas, pero esto no impide que se utilicen en aparatos de alumbrado de luz difusa y en art�culos de ornato.

Seg�n reza el proverbio: "En este mundo traidor nada es verdad, nada es mentira, todo es seg�n el color del cristal con que se mira", pero, �qu� le pasa a la luz cuando atraviesa un vidrio rojo? La luz que vemos salir es del mismo color que el vidrio, pero �por qu�? Todos sabemos que la luz blanca est� formada por todos los colores del arcoiris. �D�nde quedaron los otros colores en la luz que atraves� el vidrio? Aunque no lo creas, se quedaron en �l. El vidrio rojo absorbe todos los colores y s�lo deja pasar al rojo. En cambio si mandas un rayo de luz blanca a trav�s de un vidrio transparente de suficiente espesor, lo que observar�s es la separaci�n de todos los colores del arcoiris. Como puedes ver, el vidrio tiene propiedades de dispersi�n �ptica muy especiales, �no crees?

Cada tipo de vidrio que encontramos a nuestro paso es el producto de una composici�n determinada y de la forma en que �sta fue trabajada. A pesar de que los reactivos principales de los diversos vidrios est�n, como ya vimos, en la tabla II.1, se pueden obtener vidrios de diferentes caracter�sticas manejando la temperatura, el tiempo de enfriado y todas las variantes que existen alrededor de la manufactura del vidrio. Una segunda clasificaci�n se basa en su funci�n m�s que en su composici�n. De esta forma podemos tener los siguientes ejemplares.

EL VIDRIO DE SEGURIDAD

�Por qu� es diferente cuando se rompe el vidrio de la ventana de una casa que cuando se rompe el de un coche? �Por qu� el de la casa se rompe como un vaso y el otro no? �Qu� es lo que hace que el del coche quede hecho pedacitos? Indudablemente, la respuesta est� en la forma en que se fabric� cada uno de ellos. El vidrio que se utiliza en los coches es de seguridad, y evita que en un accidente se corran mayores riesgos cuando llega a romperse.

Para elaborar un vidrio de seguridad es necesario elegir placas que no tengan distorsiones, pegarlas, cortarlas y agujerarlas hasta que tengan la forma deseada. Para elaborar el vidrio de seguridad simple, conocido con el nombre de Security, estas placas se tienen que meter al horno para calentarlas a cierta temperatura y despu�s enfriarlas con aire, proceso que se conoce como templado. Esto provoca una serie de tensiones, ya que la superficie queda sometida a fuerzas de compresi�n, mientras que en el centro existen fuerzas de tensi�n. En el interior del vidrio, donde las fuerzas de tensi�n se incrementan por el templado, la fuerza del material es casi ilimitada porque est� pr�cticamente libre de imperfecciones. Esto se debe a que los enlaces entre los �tomos tienen la misma fuerza y por lo tanto disminuyen hasta un m�nimo las tensiones internas. Ning�n �tomo jala m�s que el otro, y esto le da una fortaleza adicional. Tambi�n se suele poner una placa de pl�stico transparente entre dos l�minas de vidrio, lo cual, adem�s de hacerlo m�s resistente, lo hace m�s seguro, porque al romperse se fraccionar� en numerosos trozos peque�os, sin producir astillas, evitando con esto que queden pedazos de vidrio cortantes.

Los conocidos vidrios antibalas, ofrecen seguridad contra asaltos o ataques terroristas. Antes de la aparici�n de las armas de fuego, el blindaje habitual de los combatientes eran el casco, la armadura y el escudo, pero se volvieron in�tiles ante las balas. Fue entonces que apareci� un blindaje m�s complicado que ten�a al vidrio como la base de su protecci�n. Quiz� te resulte dif�cil imaginar que en verdad existe un vidrio tan resistente que soporte el impacto de las balas, pero s� existe. Se conoce con el nombre de vidrio de seguridad combinado, y est� formado por dos o m�s placas entre las que se colocan l�minas de pl�stico, que act�an como planchas de uni�n. Todas las capas prensadas se pasan a un autoclave, someti�ndolas a altas presiones y temperaturas. As� se forma una unidad de elevada resistencia que no pierde su transparencia, y que en efecto es a prueba de balas. En general son vidrios muy gruesos. Cada capa intermedia tiene alrededor de 0.40 mm de espesor, y puede tener muchas. A veces se le pone una trama de alambre, que adem�s de darle fortaleza adicional le da un efecto decorativo muy fino, que resulta �til e interesante en el acristalado de puertas, como se ve en la figura 23.

Figura 23. Vidrio Security para puertas y ventanas.

En 1914 apareci� el primer vidrio blindado para algunos autom�viles. Estaba fabricado con planchas de acero y vidrios, que formaban dos capas con una red de acero en el centro. En 1920 se fabricaron con materiales cada vez m�s resistentes y con dise�os y espesores adecuados, y empezaron a usarse tambi�n en los bancos. Las condiciones que deben reunir los vidrios blindados son: estabilidad y duraci�n, resistencia mec�nica y qu�mica a la acci�n del calor y de las radiaciones, facilidad de aplicaci�n y eficacia de protecci�n para un peso y un volumen aceptable. Este tipo de vidrio debe reunir muchas caracter�sticas, pues aunque su principal funci�n es proteger, tambi�n es deseable que sea est�tico, que nos permita ver hacia afuera igual que un vidrio com�n, que no se deshaga despu�s de estar tres a�os al Sol y que sea lo suficientemente ligero para ponerlo en una puerta.

EL VIDRIO AISLANTE

En M�xico el clima es sumamente bondadoso, por lo que dif�cilmente pensar�amos en un tipo de vidrio para las ventanas que ayudara a mantener elevada la temperatura de una habitaci�n. Pero en los pa�ses en los que la nieve cae durante seis meses este tipo de vidrio s� es muy importante porque ayuda a disminuir la energía necesaria para calentar el lugar.

Los acristalados aislantes se fabrican montando dos o m�s placas separadas entre s�, de forma que los espacios intermedios permanezcan herm�ticamente cerrados y deshumidificados para que conduzcan lo menos posible el calor. En los bordes del vidrio se colocan nervios distanciadores soldados con esta�o, como se muestra en la figura 24. De esta forma tenemos dos placas de vidrio que no se tocan, separadas por aire que no puede transmitir el calor con facilidad, y as� se evita que se escape la energ�a. Al mismo tiempo, una ventana de este tipo amortigua considerablemente los ruidos, lo cual siempre es una ventaja adicional.

Figura 24. Vidrio aislante.

Tambi�n podemos obtener vidrio que sea un aislante el�ctrico, sobre todo si lo fabricamos con vidrio s�dico-c�lcico. Son necesarios para fabricar focos, tubos de radio, aislantes de l�neas telef�nicas y de transmisi�n de energ�a. Para que te des una idea de lo especial de este vidrio, piensa en que cuando enciendes un foco lo que quieres es que la corriente el�ctrica se dirija hacia el filamento y no se conduzca por el vidrio hacia afuera. Para equipo m�s especializado, como los tubos de alto voltaje para rayos X o aceleradores Van de Graaff de corriente continua (figura 25), el vidrio tiene que ser m�s resistente y entonces se utiliza el que se elabora con 96% de s�lice. El acelerador Van de Graaff de corriente continua se utiliza para mover con gran velocidad part�culas como los protones. Para hacerlo necesita generar una gran diferencia de potencial, por lo cual precisa una alta eficiencia y un control de la energ�a. Un vidrio aislante ayuda a conseguir esta eficacia.

Figura 25. Esquema del acelerador Van de Graff para electrones (Instituto de F�sica de la UNAM).

EL VIDRIO DIEL�CTRICO

A los materiales que pueden polarizarse en presencia de un campo el�ctrico se les conoce como diel�ctricos. Polarizar quiere decir que las mol�culas o los �tomos se convierten en dipolos, acomodando todas sus cargas negativas hacia un lado y las positivas hacia otro. Los dipolos el�ctricos se acomodan en la misma direcci�n que el campo el�ctrico local que los produce. Son importantes porque una vez formados son capaces de conducir la electricidad, pero antes no. Un vidrio diel�ctrico se obtiene a partir de arcillas ricas en plomo y se utiliza para fabricar cintas para los condensadores electr�nicos. Estos materiales necesitan una gran resistencia, por lo que se suele utilizar tambi�n vidrio de 96% de s�lice y cuarzo fundido.

EL VIDRIO CONDUCTOR

Para que un vidrio tenga una conductividad el�ctrica apreciable, en su elaboraci�n se tiene que elevar la temperatura a 500�C, o recubrirlo con una pel�cula conductora de metales, �xidos alcalinos o aleaciones, en cuyo caso el que conduce es el metal que se le pone y no tanto el vidrio.

EL VIDRIO PROTECTOR CONTRA EL SOL

Este vidrio refleja la luz del Sol. La capa de recubrimiento que lleva incorporada, adem�s de reflejar puede presentar diversas tonalidades de color, como plateado, bronce, verde o gris. Se coloca en el espacio intermedio y en la capa interior de la placa externa. De esta forma se hace el vidrio polarizado y el de tipo espejo. Los espejos que se instalan en las ventanas de los edificios modernos son precisamente para proteger contra el Sol.

�stos son algunos ejemplos de los vidrios que existen y de las aplicaciones que se les pueden dar. Desde luego, no esperamos abarcar todos los usos porque �stos dependen de la capacidad imaginativa del hombre, que es ilimitada. Sin embargo, creemos que es una muestra de todo lo que se puede hacer con este caprichoso material.

En el siguiente cap�tulo hablamos de las propiedades generales del vidrio como compuesto.