Química del vidrio

Francisco Tomás López Ramírez »

De todos es conocido este material. Los cristales de las ventanas, los vasos y demás menaje que utilizamos en la cocina, una gran mayoría de los envases para alimentos y bebidas que consumimos diariamente, y un largo etcétera; se fabrican en vidrio. Utilizado desde la antigüedad hasta nuestros días, aparece en cualquier sitio de nuestro entorno, dando una imagen de material natural, sostenible, inerte y garante de los productos en el envasado. Como todo, tiene sus puntos débiles: material tradicional con limitada innovación, frágil, pesado y con cierta peligrosidad cuando se rompe.

El principio de la fabricación del vidrio y sus materias primas han permanecido invariables durante el tiempo. Las mejoras han venido de los avances técnicos en el procesamiento para lograr mayor eficiencia y calidad y en las modificaciones de su composición para variar propiedades físicas y químicas del mismo.

Los componentes básicos del vidrio se pueden clasificar según los siguientes grupos o familias:

• 

  Vitrificantes
• Óxidos
• Fundentes
• Afinantes
• Colorantes

El vitrificante por excelencia y responsable de la formación de la red vítrea es la sílice (SO₂), procedente fundamentalmente de la arena silícea. Esta funde a temperaturas muy altas, 1800ºC, aunque se consigue disminuir el punto de fusión con fundentes. Entre los óxidos más importantes se encuentran la caliza (Ca CO₃) y la dolomía (CaCO₃) y MgCO₃). El primero facilita la fusión y da fluidez al vidrio, mientras el segundo aumenta la resistencia del vidrio a los cambios de temperatura y mejora las propiedades mecánicas. El fundente mas corriente es el Na₂SO₄ y su misión es homogeneizar la masa de vidrio fundido mediante la cesión de gases que al desprenderse remueven dicha masa de vidrio. Los colorantes suelen ser compuestos metálicos que en una pequeñísima proporción aporta color al vidrio. Por ejemplo, el óxido de cobalto aporta coloración azul, el óxido de cromo (III) color verde, y la pirita color topacio.

Hay distintos tipos de vidrio según la composición porcentual de las diferentes materias primas que lo constituyen. El vidrio utilizado en envases y vidrios de ventanas es del tipo sodo-cálcico. El vidrio al plomo se utiliza para lentes y aislantes. El vidrio de borosilicato, dada su resistencia a las altas temperaturas, se utiliza en utensilios de cocina y laboratorio. El vidrio tipo sílice es el que resiste temperaturas más altas y se destina a materiales especiales.

Hoy en día la fabricación de vidrio industrial se realiza en hornos de fusión continuos tipo balsa, en los que por un extremo entra la mezcla de arena y demás componentes y por el otro sale el vidrio ya fundido. Los hornos se calientan hasta temperaturas de 1500-1600ºC mediante quemadores de fuel o gas natural y energía eléctrica. El proceso de fusión se podría separar en varias etapas:

• Reacción de las materias primas y formación del vidrio.
• Disolución del excedente de sílice sin reaccionar.
• Afinado y homogeneización.
• Reposo y acondicionamiento térmico.

Conforme va ascendiendo la temperatura en el horno se van sucediendo una serie de reacciones entre los materiales para formar finalmente una masa homogénea de vidrio. A continuación se muestran las principales reacciones que se producen durante la fusión del vidrio.

130 ºC: Eliminación del agua de la composición (humedad): H₂O(l) →H₂O(v)

400 ºC: Comienza la descomposición de la dolomía.

CaCO₃·MgCO₃ ↔ MgO + CO₂↑+ CaCO₃

600 ºC: La sosa y la caliza se combinan para formar el carbonato doble de sodio y calcio, que funde a 813 ºC.

CO₃Na₂ + CO₃Ca → CaNa₂(CO₃)₂

Reducción del sulfato por el carbón.

2Na₂SO₄ + 2C + xSiO₂ → 2Na₂S.xSiO₂ + 2CO₂ + SO₂ + S

785 ºC: Descomposición de la caliza:

CaCO₃ ↔ CaO + CO₂↑

740-900 ºC:

3 Na₂Ca(CO₃)₂ + 10 SiO₂ ↔
2 Na₂O·2SiO₂ + Na₂O·3CaO·6SiO₂ + 6CO₂

Na₂O·3CaO·6SiO₂ + Na₂O·2SiO₂ → Na₂O·2CaO·3SiO₂ + fundido

2Na₂O·CaO·3SiO₂ + Na₂O·2SiO₂ → Na₂O·2CaO·3SiO₂ + residuo fundido

El carbonato de magnesio que proviene de la dolomía se descompone:

CO₃Mg → MgO + CO₂

La magnesia se combina con la sílice para formar un silicato de magnesio:

MgO + SiO₂ → MgSiO₃

Se entra, pues, en una segunda fase liquida formada por una mezcla de Na₂SiO₃, CaSiO₃, MgSiO₃ y Na₂SO₄ que lleva como infundidos arena y feldespato.

1045 ºC: Fusión del Na₂O·3CaO·6SiO₂

1141 ºC: Fusión del 2Na₂O·CaO·3SiO₂

1284 ºC: Fusión del Na₂O·2CaO·3SiO₂

1100 ºC: Comienzo de la fusión del feldespato. Disolución de la sílice en el silicato.

1450 ºC: Descomposición del sulfato por la sílice:

Na₂SO₄ + SiO₂ → Na₂SiO₃ + 8SO₃

Una vez el vidrio fundido se encuentra acondicionado pasaría a la etapa de conformación según el producto terminado previsto, ya sea formar envases o producir láminas de vidrio plano, aunque estos procesos escapan del objetivo central del presente artículo.

Al final de toda esta sucesión de reacciones se obtiene el vidrio. Pero, ¿cuál es la estructura del vidrio? El vidrio es un material vítreo o amorfo, lo que viene a indicar que no tiene una estructura ordenada como los sólidos cristalinos, acaso un cierto desorden ordenado. El vidrio forma una red aleatoria en el que cada átomo de silicio se une a 4 átomos de oxígeno y estos a su vez a otros átomos de silicio. El grupo individual presenta una ordenación tetraédrica, aunque la agrupación global de estos grupos se hace de manera desordenada. Los átomos de calcio y sodio se encontrarían en los huecos de esta red molecular. Por tanto, cuando llamamos al vidrio cristal, estamos incurriendo en una incongruencia. De hecho, durante el proceso de fabricación del vidrio hay un control muy estricto de la temperatura con el fin de evitar procesos de cristalización que menoscabarían las propiedades físicas y mecánicas del vidrio.

Sin embargo, se desconocen ciertos aspectos de la estructura del vidrio que lo hace especial, no comportándose ni como un sólido ni como un líquido. Existe el convencimiento de que cuándo se averigüen los detalles de la formación y estructura del vidrio, se abrirá un importante campo de trabajo en la fabricación de metales con estructura vítrea.

Referencias

• www.gpi.org.
• La tabla de materias primas y otros datos están tomados de gpi.org
• La tabla de tipos de vidrios está tomada de bibliotecadigital.ilce.edu.mx
• Las reacciones químicas que tienen lugar están tomadas del documento Reacciones Componentes Disolucion Silice de la Universidad de Oviedo.
• tendencias21.net
• Información técnica de Saint-Gobain.
• infema.cl
• econvidrio.net
• pilkington.com
• airliquide.com
• monografias.com