III. PROPIEDADES DE LOS VIDRIOS

GENERALMENTE, cuando pensamos en el vidrio nos imaginamos un s�lido con una rigidez y elasticidad comparables a las del acero, pero con ciertas propiedades mec�nicas que limitan sus aplicaciones; como por ejemplo que no tiene ductibilidad, ya que no se deforma a temperatura ambiente, y que si tratamos de cambiar su forma aplicando una fuerza, lo �nico que logramos es que se rompa. En realidad es un material duro pero fr�gil al mismo tiempo, y algo que refuerza esa debilidad es la presencia de imperfecciones superficiales, como astilladuras o ranuras.

El �xito en la manufactura del vidrio radica en controlar la temperatura del proceso, para regular las fuerzas internas que lo hacen quebradizo. Estas fuerzas internas tambi�n se aprovechan para producir vidrio de extrema dureza y resistencia si se emplea la t�cnica del templado. Templar un vidrio es someterlo a un calentamiento controlado y despu�s enfriarlo r�pidamente. La superficie queda en un estado permanente de compresi�n, de modo que las fuerzas que se apliquen al objeto tendr�n que vencer primero las tensiones de comprensi�n. El efecto del templado se puede demostrar con las conocidas gotas de Prince Rupert, como se ve en la figura 26. En este experimento se dejan caer unas gotas de vidrio fundido en agua fr�a. Aquellas gotas que sobreviven son muy resistentes, tanto, que puedes golpearlas con un martillo y no se rompen, pero si despu�s de golpear una de ellas la presionas ligeramente con los dedos, la gota entera explota en fragmentos diminutos. De alguna manera la presi�n de los dedos act�a como una imperfecci�n que se propaga a trav�s de la pieza entera en respuesta del impresionante esfuerzo interno.

Figura 26. La gota de Rupert.

Por diversos experimentos se ha comprobado que la tensi�n en un vidrio puede ser menor cuando �ste ha sido templado dentro de cierto rango de temperatura. En la figura 27 se muestra la temperatura de templado de un vidrio pyrex contra el tiempo. Cuando la temperatura y el tiempo son bajos, en la figura se indica con puntos, y cuando tienen valores mayores, aparecen c�rculos cada vez m�s grandes. Esto quiere decir que, para el vidrio pyrex, cuando la temperatura de templado es alta y el tiempo largo, la diferencia entre el l�mite superior y el inferior es grande. El l�mite superior est� determinado por la temperatura a la cual el vidrio es un l�quido que fluye con facilidad. El l�mite inferior, tambi�n llamado punto de tensi�n, no est� completamente definido, aunque lo han descrito como la temperatura a la que una pieza puede ser r�pidamente enfriada sin que tenga una tensi�n permanente. As�, mientras m�s separados est�n estos l�mites es mejor, porque el rango en el que podemos trabajar es mayor.

Figura 27. Curva de templado de un vidrio pyrex.

La viscosidad en un vidrio es otra propiedad de importancia pr�ctica en todas las etapas de preparaci�n porque de �sta depende la velocidad de fusi�n. Podr�amos definir la viscosidad como la resistencia que presenta un l�quido a fluir, pero si el vidrio parece un s�lido, �por qu� medimos su viscosidad? Lo hacemos porque los vidrios, en realidad, son l�quidos sobreenfriados. Un l�quido sobreenfriado es aquel que permanece como l�quido a temperaturas m�s bajas que la de solidificaci�n. Esto se logra llevando a cabo el enfriamiento en condiciones extremas de cuidado y pureza. La viscosidad de algunos l�quidos sobreenfriados comienza a aumentar violentamente a medida que la temperatura disminuye y alcanzan una consistencia tal que su endurecimiento los hace aparecer como s�lidos, pero en realidad tienen la misma estructura at�mica que un líquido. Esto mismo le ocurre al vidrio.

Una forma de determinar la viscosidad es midiendo el tiempo que tarda en pasar una cantidad determinada de l�quido a trav�s de un tubo de di�metro peque�o a una presi�n dada. La resistencia a fluir se debe a la atracci�n entre las mol�culas, por lo que es una medida de su fuerza. En general, a medida que aumenta la temperatura, las fuerzas de cohesi�n est�n m�s incapacitadas para competir con el creciente movimiento molecular, y por lo mismo la viscosidad disminuye.

Para tener un material con cierta resistencia es necesario que las mol�culas est�n unidas con una firmeza relativamente constante, lo que se traduce en tener una viscosidad invariable. Si medimos el tiempo requerido para que esto ocurra, observamos que la temperatura de templado es importante. En la figura 28(a) la temperatura de templado es menor que en la 28(b), y lo que vemos es que la primera tarda m�s en llegar a ser una l�nea horizontal que la segunda, y por lo tanto necesita m�s tiempo para que su viscosidad sea constante. Por otro lado, es evidente que tambi�n var�a en funci�n de la composici�n. En la figura 29 cada raya de la gr�fica representa un valor diferente de x en la f�rmula qu�mica que aparece en el pie de la figura. Es normal que al variar la cantidad de sodio y calcio cambien las propiedades del vidrio. Por otro lado, mientras mayor sea la proporci�n de �xido de aluminio, magnesio o calcio con respecto al �xido de sodio, mayor ser� la viscosidad, como puede verse en la figura 30, donde tambi�n se aprecia que la presencia de �xido de magnesio es la que aumenta m�s r�pidamente esta caracter�stica.

Figura 28. Curva de viscosidad de un vidrio tratado a 477° C (a) y a 486° (b).

 

Figura 29. Cambio de la viscosidad (en poises) de algunos vidrios con f�rmula (2—x)Na₂O — xCaO — 6SiO₂.

Figura 30. Variaci�n de la viscosidad (en poises) a 1 000°C con respecto a la composici�n del vidrio.

Dentro de las propiedades t�rmicas podemos definir cuatro temperaturas de referencia en funci�n de la viscosidad del vidrio. El punto de trabajo, donde la viscosidad del vidrio caliente es lo suficientemente baja como para poder darle forma utilizando m�todos ordinarios. El punto de reblandecimiento, temperatura a la cual el vidrio empieza a deformarse de manera visible. El punto de recocido, que es cuando las tensiones internas existentes son desvanecidas, y que corresponde a la temperatura m�s alta de recocido. Por �ltimo el punto de deformaci�n, donde el vidrio es un s�lido r�gido y puede enfriarse r�pidamente sin introducir ning�n tipo de tensiones externas.

La densidad, definida como el resultado de la masa entre el volumen, es otra propiedad de los vidrios que ha sido muy estudiada. Depende de factores como la temperatura, la presi�n a la que est� sometido y la composici�n. En la figura 31 se observa que en un vidrio la densidad aumenta al incrementar la concentraci�n de �xido de calcio (CaO) y de titanio (TiO₂), mientras que cuando se eleva la cantidad de alumina (A1₂O₃) o de magnesia (MgO) la densidad disminuye. Por otro lado, comparando un vidrio con f�rmula Na₂O-PbO-SiO₂ con otro que contenga K₂O-PbO-SiO₂, vemos que se intensifica notablemente la densidad cuando el porcentaje de PbO es alto (figura 32), que con sodio (Na) es m�s alta que con potasio (K), y que cuando llegan alrededor de 40% de contenido de �xido de plomo pr�cticamente se igualan. En general, la densidad de un vidrio var�a muy poco si cambiamos la presi�n.

Figura 31. Densidad de algunos vidrios de f�rmula (2 — x)Na₂O — x[MgO,CaO,Al₂O₃ o TiO₂]6SiO en el punto de templado.

Figura 32. Densidad de diferentes vidrios de composición: a) Na₂O — PbO— SiO₂ y b) K₂O —PbO—SiO₂.

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Cuando una pieza de vidrio es estirada por la acci�n de una fuerza, puede regresar a su tama�o y forma original en el momento que se elimina el esfuerzo que lo deforma, siempre que nos movamos dentro de ciertos l�mites de temperatura. A esta propiedad se le llama elasticidad y si despu�s de eliminar la fuerza deformante el material no recupera sus dimensiones originales, se dice que excedi� el l�mite el�stico. Mientras no se alcance ese l�mite podemos decir que la tensi�n es directamente proporcional al esfuerzo. Para calcular la deformaci�n se usa una constante el�stica, determinada experimentalmente, llamada m�dulo de Young, que mide la relaci�n del esfuerzo de alargamiento con la tensi�n que se produce. Matem�ticamente se expresa como:

Y = (F/A) / (e/L)

F = (AY/L)e

k = (AY/L)

donde Y es el m�dulo de Young, F es la fuerza aplicada para producir el alargamiento, A es el �rea, L es la longitud del vidrio, e es el alargamiento y k es la constante el�stica.

La fuerza el�stica en un vidrio se debe a las atracciones moleculares dentro del material cuando �ste se solidifica. Si las capas de vidrio se separan ligeramente por la aplicaci�n de una fuerza deformadora, las fuerzas moleculares se ponen en actividad para atraerlas a sus posiciones originales. Pero en el límite el�stico las fuerzas moleculares dejan de ser tan efectivas a causa de las imperfecciones y de la falta de cristalinidad del material.

En la figura 33 se presenta la variaci�n del m�dulo de Young en un vidrio formado por 18% de Na₂O y 82% de SiO₂, al cual se le agregan peque��simas cantidades de diferentes �xidos met�licos para cambiar su composici�n. Con la incorporaci�n de �xidos de sodio y potasio el m�dulo de Young disminuye, mientras que con �xidos de magnesio, hierro y calcio, aumenta. Sin embargo, al adicionar �xidos de bario, aluminio, cinc y plomo casi permanece constante. Un efecto diferente ocurre cuando el �xido es un borato (B₂O₃), porque en este caso el m�dulo de Young primero aumenta hasta llegar a un m�ximo, y despu�s disminuye por el exceso de boro. Desde el punto de vista práctico, la composici�n ideal para que un vidrio tenga mayor elasticidad es con silicio, sodio, calcio y boro.

Figura 33. Variaci�n del m�dulo de Young por adici�n de �xidos en el vidrio que contiene 18% de Na₂O y 82% de SiO₂.

Como se observa en la figura 34, la temperatura es un factor muy importante debido a los altos valores de compresibilidad y la rapidez con la que cambia, que concuerdan con la concepci�n de la naturaleza l�quida del estado v�treo. La compresibilidad es la acci�n de reducir el volumen de un material. En los s�lidos y l�quidos el volumen se comprime muy poco por efecto de la presi�n. En el vidrio sucede lo mismo, pero esta propiedad es importante porque de ella dependen las aplicaciones que se le puedan dar. En la figura 34 se aprecia que la compresibilidad del vidrio de Na y K aumenta linealmente con la temperatura, el que contiene borosilicato de cinc siempre decrece, mientras que el de s�lice y el pyrex decaen para volver a crecer aproximadamente despu�s de los 250�C.

Figura 34. Porcentaje de compresibilidad por efecto de la temperatura en varios vidrios.

La resistencia que ofrece el vidrio al ponerlo en contacto con el agua o con agentes atmosf�ricos, as� como con soluciones acuosas de �cidos, bases y sales, es una propiedad de gran importancia llamada durabilidad qu�mica, que lo hace tomar ventaja sobre otro tipo de materiales, como los pl�sticos, por ejemplo. Los vidrios comunes parecen ser qu�micamente inertes, pero en realidad reaccionan con muchas sustancias, lo que sucede es que lo hacen lentamente y por eso se pueden utilizar. Cuando se habla de altas resistencia a reactivos qu�micos se quiere decir que para que las reacciones ocurran tiene que pasar un tiempo muy largo, por lo que pr�cticamente no reaccionan. El vidrio tiene una resistencia excelente a los �cidos, excepto al fluorh�drico, y a las soluciones alcalinas fr�as. Por eso es muy �til como envase de reactivos qu�micos. Tambi�n es particularmente adecuado para tuber�as transparentes. Por supuesto que tiene el gran inconveniente de su fragilidad y de la poca resistencia a los cambios bruscos de temperatura, pero en ese caso se puede usar vidrio blindado con fibra de vidrio de poli�ster para evitar roturas, teniendo as� la ventaja de la resistencia a la corrosi�n del vidrio y la fuerza estructural del acero.

Los recubrimientos de vidrio son resistentes a todas las concentraciones de �cido clorh�drico a temperaturas menores de 200� C; a todas las concentraciones de �cido n�trico hasta el punto de ebullici�n; al �cido sulf�rico diluido hasta el punto de ebullici�n y concentrado hasta 300� C. Existe tambi�n un vidrio que aguanta a los �cidos con resistencia mejorada a las bases. En la figura 35 se presenta una gr�fica de la resistencia que tiene un vidrio comercial a la acci�n de diferentes �cidos y �lcalis. El material fue expuesto a los reactivos durante seis horas. De estas gr�ficas se deduce que el vidrio pyrex es el m�s inerte y el �nico que no es afectado por las bases. Los otros vidrios tienen como f�rmula qu�mica general wNa₂O-xCaO-SiO₂. Nuevamente, lo que cambia son los valores de w y x, dando distintas composiciones. Mientras m�s grande sea el valor de w, m�s Na₂O tendr� y ser� m�s resistente.

Figura 35. Comparaci�n de la acci�n de diferentes soluciones �cidas, H₂O y b�sicas en seis vidrios. Los n�meros del 1 al 5 son s�dico-c�lcicos y el 6 es pyrex.

En la misma figura se puede observar que todos, menos el pyrex, reaccionan con el agua caliente. En contacto con medio acuoso lo que ocurre es un intercambio de iones sodio [Na⁺] por iones hidronio [H₃O⁺]. Los iones hidronio est�n presentes en el agua en equilibrio con los iones [OH_—]. Este intercambio va disolviendo el material. Por el contrario, cuando el vidrio se mezcla con una base, el intercambio i�nico sucede entre los aniones (los que tienen carga negativa) de la estructura [A1(OH)_{— 4}] y los grupos hidroxilo [OH_—] de la base. Como resultado tendremos una mayor cantidad de [OH_—] dentro de la estructura del vidrio.

Tener un material qu�micamente inerte ha sido una preocupaci�n por muchos a�os. Desde que en 1868 Stas obtuvo por primera vez un vidrio resistente a los �cidos, a las bases y a diferentes agentes corrosivos qu�micos, se han sucedido muchos adelantos hasta llegar al vidrio pyrex, conocido por su alta durabilidad qu�mica a altas temperaturas, con una composici�n de 81% de SIO₂, 13% de B₂O₃, 3.6% de Na₂O, 0.2% de K₂O y 2.2% de A1₂O₃, que hasta la fecha no ha cambiado ni ha podido ser sustituido por otro.

Con respecto a las propiedades el�ctricas, la conductividad de un vidrio depende de su composici�n, de su temperatura y de las condiciones atmosf�ricas que rodean al material. A bajas temperaturas los vidrios multicomponentes son aislantes. A todas las temperaturas son conductores electrol�ticos, y de 25 a 1,200�C la resistividad, o resistencia a conducir la electricidad, es variable. La resistividad del vidrio disminuye r�pidamente a medida que aumenta la temperatura, y por consiguiente se dice que es un semiconductor. La conducci�n en este caso no se debe a que los electrones se muevan, sino a iones que emigran a trav�s de la red v�trea.

En la figura 36 se observa que al aumentar la temperatura aumenta la conductividad el�ctrica, y a pesar de que es semejante el comportamiento de los vidrios que aparecen en la figura, se puede ver que los que contienen bario (4) y plomo (5) necesitan una temperatura mayor, de 244 y 248�C respectivamente, para comportarse como conductores.

Si nos referimos a la capacidad calor�fica del vidrio, sabemos que es mucho m�s peque�a que la de los metales, pero que puede usarse con �xito en ciertas aplicaciones de transmisi�n de calor, como en los moldes para cocinar en hornos caseros. La conductividad de diversos vidrios a temperatura ambiente var�a mucho, y los valores m�s altos se encuentran en aquellos que tienen un mayor contenido de s�lice.

Figura 36. Cambio de la conductividad el�ctrica con la temperatura en varios vidrios.

De esta forma quedan descritas las propiedades m�s importantes del protagonista de nuestro libro. Conoci�ndolas es posible que tengas una idea m�s clara de por qu� los reactivos qu�micos se guardan en frascos de vidrio, y de por qu� los focos tambi�n est�n hechos con este material.