Vidrio borosilicatado o de borosilicato

Rubén Herrero »

Todos los que con mayor o menor fortuna estudiamos química, bien el bachillerato, bien la Universidad, recordamos los utensilios hechos de vidrio borosilicatado, como matraces, erlenmeyers, vasos de precipitados, probetas y demás material, con los que realizábamos las prácticas de laboratorio. Aprendimos palabras nuevas, como “Pyrex” y “Duran”, ambas marcas comerciales de este tipo de vidrio, al tiempo que ese material era caro, mucho más que el vidrio de silicato sódico o cal sodada con el que estaban hechos los vasos y las botellas que teníamos en casa.

Mientras que el vidrio tradicional (vidrios de cal sodada o, comúnmente, de silicato sódico) se elabora utilizando sílice (SiO₂) y carbonatos u óxidos de sodio y calcio, al vidrio borosilicatado o de borosilicato se le suele añadir aproximadamente un 10% de un óxido ácido, el óxido bórico (B₂O₃), que es un sólido blanco, obtenido por calentamiento del bórax (Na₂B₄O₇·10H₂O):

Na₂B₄O₇·10H₂O → Na₂B₄O₇ + 10 H₂O →  B₂O₃ +  2 NaBO₂

Los vidrios de borosilicato, poseen en la red una combinación de poliedros triangulares de B₂O₃^3- y de tetraedros SiO₄^4-, que son los formadores de red, tal y como se aprecia en la siguiente imagen:

La composición química habitual (pero no la única) de un vidrio borosilicatado suele ser:

• 76 % de sílice (SiO₂)
• 13% de óxido bórico (B₂O₃)
• 4% de alúmina (Al₂O₃)
• 5% óxido sódico (Na₂O)
• 2 % óxido cálcico (CaO)

La alúmina es un oxido intermedio, ya que el catión Al ³⁺ puede sustituir al ión Si⁴⁺ en la red de tetraedros contribuyendo a estabilizar el la red cristalina. El óxido sódico y el óxido cálcico son modificadores de red que proporcionan una buena conformabilidad sin sacrificar la durabilidad del vidrio.

¿Por qué en un laboratorio de química se usa un vidrio borosilicatado y no un vidrio de silicato sódico, como el que tenemos en vasos, jarras o botellas?

Pues la respuesta la encontramos en el coeficiente de dilatación lineal del vidrio borosilicatado, que es muy bajo en comparación con otros tipos de vidrios. El óxido bórico, al estabilizar la red cristalina, reduce considerablemente el coeficiente de dilatación, que mide cómo se expande o contrae un material cuando lo sometemos a cambios bruscos de temperatura, es decir al choque térmico. El choque térmico se define como la fractura parcial o completa de un material como resultado de un cambio de temperatura (normalmente un enfriamiento brusco).

El coeficiente de dilatación lineal viene expresado por:

α =  dlnL / dT

siendo L la longitud y T la temperatura. Sus unidades son ºC^–1.

En general, la dimensión lineal del material en una dirección, L, aumentará cuando aumente la temperatura. Al disminuir el coeficiente de dilatación, mejor soportará el material el choque térmico, y no se fracturará.

El coeficiente de dilación lineal del vidrio de la marca comercial “Pyrex” es de 0.3 × 10^–5 º C^–1, mientras que un vidrio común sódico cálcico de los que están hechos los vasos y copas de nuestra vajilla es de 9 × 10^–5 º C^–1. La diferencia es apreciable, de ahí que también un tipo de vidrio sea más caro que otro.

Por esta razón, el vidrio de borosilicato es ideal para fabricar con él utensilios de laboratorio y de cocina, como por ejemplo recipientes para cocinar en el horno, que están sometidos a intensos calentamientos. Un vaso de vidrio de borosilicato es mucho más resistente a estos cambios térmicos porque se expande y se dilata en menor medida (las tensiones generadas en su estructura cristalina disminuyen), y así se puede usar sin problemas en un laboratorio para operaciones que implican cambios bruscos de temperatura.

Fuentes:

• Güemes Alfredo y Shackelford James F. “Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros”. Editorial Prentice Hall . 4ª edición. 2000.
• www.schott.com/tubing/english/india/pharma-infoletter/2014-01/article-5.html
• www.galeon.com/profedemateyfisica/tablas.pdf
• www.labdepotinc.com/articles/cleaning-laboratory-glassware.html