El dióxido de silicio (SiO2), también llamado sílice, abunda extraordinariamente en la naturaleza, ya sea en estado cristalino (cuarzo) o amorfo, es decir, en estado vítreo (ópalo, sílex). Estructuralmente, la diferencia entre ambos estados es clara. El cuarzo consiste en tetraedros SiO44– que guardan una disposición espacial regular, mientras que en las formas vítreas estos tetraedros están desordenados, como se esquematiza en la figura 4.1. Las imágenes parecen sugerir la idea de que la transparencia óptica está asociada con la cristalinidad. Sin embargo, se pueden obtener materiales amorfos de SiO2 extraordinariamente transparentes, como vamos a ver.
Lo que comúnmente llamamos vidrio y tanto empleamos en la vida cotidiana (platos, vasos, botellas, ventanas…) es un material basado en SiO2 que también incluye, habitualmente, carbonato de sodio (Na2CO3) y carbonato de calcio (CaCO3). Existen también vidrios con mejores propiedades técnicas, como los de borosilicato, a base de óxidos de Si, B, Na, K, Al y Ca, muy resistentes térmicamente, por lo que con ellos se fabrican recipientes de laboratorio, siendo uno de los más conocidos el llamado vidrio Pyrex. Pero también se pueden fabricar vidrios exclusivamente de SiO2, que son los que se van a tratar en este apartado.
Según la materia prima se pueden considerar, en general, dos tipos de vidrio de SiO2: el cuarzo fundido y la sílice fundida o sílice vítrea. El primer material, como su nombre indica, se puede obtener fundiendo cuarzo natural muy rico en SiO2, ya sea eléctricamente (en el vacío o en atmósfera inerte) o bien en una llama alimentada con oxígeno. Al dejar enfriar se obtiene un sólido amorfo porque para que se produzca una ordenación correcta en una estructura cristalina se necesitaría ir disminuyendo la temperatura de forma extraordinariamente lenta.
El procedimiento de síntesis de la sílice fundida es muy distinto. Se consigue haciendo reaccionar algún precursor que contenga Si con ciertos gases a altas temperaturas. Por ejemplo, se podría usar como precursor tetracloruro de silicio (SiCl4, líquido a temperatura ambiente) y hacerlo reaccionar con H2 y O2. Tal reacción se llama hidrólisis en llama y se puede llevar a cabo con una llama normal o con una antorcha de plasma (que es parecida a una llama, pero es generada eléctricamente y produce temperaturas mucho más altas). Es esta:
SiCl4 + 2 H2 + O2 ⟶ SiO2 + 4 HCl [4.1]
Si la síntesis se realiza en una antorcha de plasma (fig. 4.2-izqda.), los reactivos SiCl4, O2 y H2 se inyectan por una boquilla y el producto queda depositado en una superficie colocada encima. El método se denomina deposición química de vapor. Lo que se obtiene es un “hollín” de SiO2 amorfo. Este también se puede lograr en una llama oxhídrica como se ilustra en la figura 4.2-dcha. Para obtener piezas de sílice fundida, el polvo de SiO2 se compacta en caliente a una temperatura por debajo del punto de fusión (este procedimiento se denomina sinterización). Después, el producto se pule.
Como se ha adelantado, una de las propiedades más interesantes de estos materiales amorfos de SiO2 es su transparencia óptica. Para que un material sea completamente transparente no debe reflejar ni dispersar nada de radiación visible ni tampoco absorberla. Respecto a esta última condición, si un material no absorbe radiación, eso es indicativo de que tiene una particular estructura electrónica que se lo impide. Vamos a considerarlo.
Los electrones de un átomo aislado de un elemento químico se distribuyen en orbitales atómicos o “niveles de energía” cuyas energías son muy concretas. Si dos átomos del elemento se unieran para formar una molécula, los electrones se colocarían en orbitales moleculares que se formarían a partir de los orbitales atómicos. La teoría de orbitales moleculares establece que dos orbitales atómicos de la misma energía (uno por cada átomo) generan dos orbitales moleculares de distinta energía. Estas consideraciones son bastantes extrapolables al modelo del enlace metálico, que es el que explica cómo se unen entre sí los átomos en un metal.
Supongamos el magnesio, cuya configuración electrónica es 1s2 2s2 2p6 3s2. Si entre dos átomos de Mg se estableciera un cierto enlazamiento, se admite que los orbitales 1s de cada átomo de Mg generarán dos orbitales “moleculares” del conjunto Mg-Mg; los orbitales 2s producirán otros dos orbitales, etc. Análogamente, si se unen N átomos de Mg para formar un fragmento de metal Mg, cada orbital 1s dará lugar a N orbitales de diferente energía. Pero estas energías tienen valores muy parecidos, de modo que, como son tantos átomos, el conjunto de los N orbitales (o N niveles) se observa como una banda de energía que se puede considerar continua. Igualmente, los orbitales 2s formarán otra banda, etc. Especialmente importante es la banda de valencia, que es la que forman los orbitales más externos de los átomos (en el caso del Mg, la 3s) y es la responsable de la unión entre estos. Por otro lado, como en cada átomo de Mg individual en su estado fundamental existen orbitales atómicos no ocupados (el 3p, el 4s, etc.), cabe considerar las bandas de orbitales “moleculares” que formarían dichos orbitales atómicos. Pues bien, la de meno energía sería la de los orbitales 3p, y a ella se le da el nombre de banda de conducción. Las distintas bandas de energía pueden estar muy próximas entre sí (e incluso estar solapadas) o bien pueden existir brechas energéticas más o menos anchas entre ellas. La anchura de la brecha entre la banda de valencia y la de conducción determina si el metal (el material, en general) es conductor de la corriente eléctrica, semiconductor o aislante. Todo esto se ilustra en la figura 4.3.
En efecto, si las bandas de valencia y conducción están solapadas, adosadas o muy próximas, los electrones pueden pasar desde la primera a la segunda mediante algún tipo de excitación energética, como puede ser la absorción de fotones. Si las bandas están muy separadas energéticamente serían necesarios fotones muy energéticos para ser absorbidos y producir las transiciones correspondientes. En cualquier caso, si el material no absorbe fotones correspondientes a radiación visible y tampoco los refleja o dispersa, estos fotones se transmitirán a través del material, que será visto por nuestro ojo como transparente. Probablemente sí sean absorbidos fotones de energía mayor como los ultravioleta, pero eso no afectará a las propiedades ópticas del material porque nuestro ojo no ve radiaciones tan energéticas.
Las sílices fundidas, por su particular estructura de bandas, tienen una transmisión excelente en el intervalo que va desde ~0,18 mm (región llamada de “ultravioleta de vacío”) hasta ~3,5 mm (en el infrarrojo). Eso se puede constatar en la figura 4.4-izqda., que muestra el espectro de transmisión de dos sílices fundidas diferentes (llamadas de UV o de IR según la región en que transmiten mejor la radiación) y un cuarzo fundido. Un espectro de transmisión es un gráfico en el que se representa la fracción de radiación transmitida, medida en %, frente a la longitud de onda. Como se ve, estos materiales transmiten un porcentaje muy alto de radiación entre 400 y 750 nm, es decir, en la región visible, lo que les da muy buena transparencia óptica. Además, la sílice fundida “de UV” tiene muy buena transmisión en la región UV entre 200 y 400 nm, lo que la hace apropiada para fabricar cubetas para espectroscopía UV (figura 4.4-dcha). Por su lado, la sílice fundida de IR tiene gran trasparencia en la zona de IR, al menos entre 800 y 3000 nm.
Si el material contiene impurezas, entonces la transmisión puede verse disminuida, ya que dichas impurezas tendrán sus correspondientes propiedades de absorción, diferentes a las del componente principal, pudiendo restar transparencia o dar color al conjunto. Podrían aparecer impurezas metálicas (Al, Ti, Na, Fe…) en cuarzo fundido obtenido de una materia prima que ya las contuviera. En la sílice fundida puede haber impurezas de grupos OH surgidos como subproductos en la reacción [4.1]. Si es así, la transparencia en el IR del material será menor porque estos grupos químicos absorben fuertemente en esa región (especialmente en torno a 2730 nm). En el espectro de la figura 4.4-izqda. se puede ver que la sílice fundida formulada especialmente para transmitir en el UV no lo hace tan bien en el IR, como lo delata la intensísima banda de absorción a 2730 nm (y otras próximas), que tiene el origen mencionado.
El ópalo (fig. 4.1-dcha.) es un dióxido de silicio SiO2 que contiene cantidades variables de agua y se organiza en cadenas desordenadas que se empaquetan en minúsculas esferas de tamaño irregular. Esta estructura produce variados efectos sobre la luz y de ahí que, habitualmente, los ópalos no sean transparentes y algunos presenten coloraciones por difracción de la luz, que es el fenómeno de dispersión (cambio de dirección) de los rayos cuando pasan cerca de un borde material o a través de una rendija estrecha. Este efecto puede significar en un sólido la aparición de colores. En este sentido la difracción se parece a la refracción, otro fenómeno de dispersión (en este caso cuando la luz pasa de un medio a otro) que también produce colores, como lo manifiesta ostensiblemente un prisma cuando descompone la luz blanca en los colores del arco iris. En general, un objeto no puede ser transparente si refleja o dispersa en su interior la luz, aunque no la absorba.
Como se ha adelantado, el modelo de bandas también explica la conductividad eléctrica de un material y, en parte, la conductividad térmica. Cuando los electrones de la banda de valencia absorben energía pueden pasar a la banda de conducción, así llamada precisamente porque es la responsable de que se conduzca la corriente eléctrica. Los sólidos en los que las bandas de valencia y conducción se superponen son conductores; sus electrones se pueden mover libremente y la corriente fluye en cuanto el material se somete a una diferencia de potencial. Los sólidos en los que ambas bandas están separadas por una pequeña brecha o banda prohibida son semiconductores; y aquellos en los que la brecha es muy grande son aislantes.
Los materiales de sílice amorfa son bastante aislantes. Además, tienen una constante dieléctrica muy baja. Esta variable, también llamada permitividad relativa, es una medida de la polarizabilidad o tendencia de un material a crear un dipolo eléctrico (dos cargas de signos opuestos separadas) cuando se somete a un campo eléctrico. La razón es que la estructura de la red de Si–O es muy rígida por tener estos enlaces mezcla de carácter covalente e iónico, y ser por tanto muy fuertes. Por ello, el campo no produce fácilmente separación de cargas.
En cuanto a la conductividad térmica, en parte tiene que ver con la movilidad de los electrones porque al tiempo que transportan corriente eléctrica transportan calor. Pero esta correlación, que es válida en los metales, no lo es tanto en los no metales porque hay que tener en cuenta otros factores. Por ejemplo, el diamante es aislante eléctrico y sin embargo es un conductor excelente del calor, incluso mejor que la plata, que es una gran conductora eléctrica. Como es sabido, los átomos que forman los materiales están en continua vibración. Pues bien, en la conductividad del calor es fundamental que exista un buen acoplamiento de todas las vibraciones, lo que se consigue si los átomos tienen masas similares o si los enlaces son fundamentalmente covalentes y fuertes.
Otra propiedad interesante de estos materiales es su bajísimo coeficiente de dilatación. Para un determinado material que tiene una longitud L0 en determinada dirección a una temperatura T0, el coeficiente de dilatación o de expansión térmica lineal, αL, se define así [4.2]:
expresión que para pequeños cambios de temperatura se puede aproximar a [4.3]:
donde ΔL es el cambio de la longitud cuando la temperatura cambia en ΔT. La ecuación [4.3] también se puede expresar como [4.4]:
La dilatación con la temperatura la explica la teoría cinética de la materia. Al aumentar la temperatura aumenta la energía cinética y las amplitudes de vibración de los átomos también se incrementan, lo que hace que unos “empujen” a otros y que en la práctica la muestra aumente de volumen. Esta expansión es menor, en general, si los enlaces entre átomos son muy fuertes. Así sucede en materiales covalentes como el diamante. También habrá poca expansión si el material tiene huecos en su interior.
Los materiales cerámicos que se dilatan mucho con la temperatura se rompen con facilidad cuando se enfrían o calientan rápidamente. Piénsese en un vaso de vidrio en el que se vierte agua hirviendo; debido a las tensiones que se producen entre la parte interior del vaso (más caliente y dilatada) y la parte exterior (más fría y contraída) el vaso se puede fracturar.
Las sílices fundidas tienen valores de coeficientes de expansión térmica que se encuentran entre los más bajos de todos los materiales cerámicos. Podrían darse al menos dos explicaciones de esta propiedad; una es la fuerza del enlace entre el silicio el oxígeno, que, como se ha dicho, tiene contribución covalente e iónica; la otra es la existencia de espacios vacíos en el interior de la estructura. Debido a la buena cristalización, el cuarzo natural no tiene tantos huecos como la sílice fundida. Eso explica que el coeficiente de expansión térmica lineal del cuarzo natural (~1,1·10–6 K–1) sea unas 20 veces más alto que el del cuarzo fundido (~0,6·10–7 K–1)[5].
Para tener una mejor idea de lo poco que se dilata la sílice fundida pondremos un ejemplo muy elocuente. Si se incrementa en 500 oC la temperatura de 1 m3 de acero inoxidable, el mismo volumen de vidrio de borosilicato (como Pyrex) y el mismo de sílice fundida, el volumen del bloque de acero aumentará en más de 28 L, el de borosilicato en 5 L y el de sílice fundida en menos de un litro. El bajo coeficiente de expansión hace que el material resista choques térmicos muy severos. Así, es posible enfriar pequeñas piezas de cuarzo fundido desde más de 1000 oC sumergiéndolas en agua fría sin que se rompan[6].
Por otro lado, estos vidrios son químicamente muy resistentes. El fluorhídrico y el fosfórico son los únicos ácidos comunes que los atacan. La reacción con el primer ácido es muy conocida y en ella se basa el grabado del vidrio. Contra la creencia popular, el HF no es un ácido especialmente fuerte, pero ataca a los vidrios porque con SiO2 forma SiF4 según esta reacción ácido-base (el SiO2 actúa como base por ser un óxido de un elemento no metálico):
SiO2 + 4 HF ⟶ SiF4 + 2 H2O [4.5]
Con fosfórico, el SiO2 forma una variedad de compuestos complejos como el Si(HPO4)2·H2O.
También son sensibles a todos los compuestos de metales alcalinos y alcalinotérreos porque la presencia de una cantidad aunque sea mínima de estos metales acelera la desvitrificación (es decir, la pérdida de estructura vítrea y su conversión en cristalina) a altas temperaturas.
Todas estas propiedades explican que el SiO2 fundido se use para fabricar ventanas de altas especificaciones, como las de las naves espaciales (fig. 4.5-izqda.) o las de inmersión profunda (batiscafo). También en componentes ópticos como espejos de telescopios o lentes de láseres de alta energía. Su transparencia ultravioleta encuentra usos en la industria de los semiconductores. Se empleó este material en las memorias de solo lectura programable y borrable (EPROM), que se limpiaban de datos con luz UV. Se recurre a él en los laboratorios para fabricar bandejas o crisoles que deban soportar temperaturas que los vidrios de borosilicato no resisten o en aplicaciones con radiación UV (como cubetas de espectroscopía). Se usa también para fabricar lámparas halógenas y lámparas de descarga de alta intensidad que exigen altas temperaturas de operación.
La disponibilidad de la materia prima para fabricar estos materiales es muy grande, ya que el cuarzo constituye más del 10% de la corteza terrestre, por ser el componente principal de las arenas[8].
[1] Imágenes: Izqda.: Quartz, Tibet.jpg. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Quartz,_Tibet.jpg&oldid=705864532; centro y dcha.: Internet, varios sitios.
[2] Imagen: C. Koch y T. J. Rink. Silicon Wafer. Quartz Wafers. Glass Wafers. Production. Specifications. Si and SiO2 Etching. Microchemical 2014. https://www.microchemicals.com/products/wafers/fused_silica_wafers.html.
[3] Imagen basada en una publicada en https://escooptics.com/pages/materials-fused-silica-quartz.
[4] Imagen: UV Quartz Cuvette.jpg. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:UV_Quartz_Cuvette.jpg&oldid=701053861.
[5] Coefficients of Linear Thermal Expansion. The Engineering ToolBox. https://www.engineeringtoolbox.com/linear-expansion-coefficients-d_95.html.
[6] Properties of fused silica. QSI Quartz Scientific. https://www.qsiquartz.com/properties-fused-silica/.
[7] Imagen: Tracy Caldwell Dyson in Cupola ISS.jpg. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Tracy_Caldwell_Dyson_in_Cupola_ISS.jpg&oldid=695108524.
[8] C. Jim Reader y M. Nargiello. The Use of Engineered Silica to Enhance Coatings. American Coatings Association. https://www.paint.org/coatingstech-magazine/articles/the-use-of-engineered-silica-to-enhance-coatings/.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
