El documento resume la historia y técnicas de fabricación del vidrio. El vidrio se originó hace miles de años en Egipto y Mesopotamia, aunque su descubrimiento exacto es incierto. La técnica del soplado permitió moldear objetos de vidrio y se difundió ampliamente. Existen diferentes tipos de vidrio según su composición, como el vidrio de sodio-calcio o el vidrio de borosilicato usado en laboratorios.

1. MATERIAL DE VIDRIO José Antonio Anaya Roa 2° Parte UNIVERSIDAD AUTÓNOMA CHAPINGO Academia Universitaria de Química

2. Vidrio

3. La historia del vidrio El origen del vidrio se pierde en la noche de los tiempos y permanecerá probablemente siempre misterioso y rodeado de leyendas. Como la de Plinio quien asume la invención del vidrio de manera casual cuando navegantes fenicios, al hacer fuego sobre una playa de arena para cocer sus alimentos, emplearon trozos de natrón (carbonato de sodio) para sostener sus ollas que al fundirse dieron lugar a un liquido translucido que endurecía una vez frío. No obstante la narrativa de Plinio es poco confiable, ya que para lograr el punto de fusión del natrón que dio por resultado la formación del vidrio, hubiera sido necesaria una temperatura aproximada a los 1’300° o 1’500° C., mientras que una fogata al aire libre puede alcanzar, cuando mucho, los 600° C.

4. Los historiadores coinciden en que empleo del vidrio se remonta al 2 500 AC en Egipto y en Mesopotamia, primero como adorno y posteriormente como objetos destinados para contener alimentos. Técnica del Soplado La técnica para moldear tazas, jarros y copas en una estructura de arena o de arcilla, consistía en recoger el vidrio en fusión con el extremo de una caña hueca, dentro de la cual se soplaba para dar al objeto la forma deseada. Esta técnica fue la primera gran innovación vidriera iniciada en Palestina y Siria, y se difundió en todo el occidente y se utilizó hasta la era moderna.

5. El vidrio es un sólido amorfo que resulta de enfriar de manera drástica una mezcla de materiales inorgánicos fundidos. El súbito proceso de solidificación de la mezcla fundida, incrementa la viscosidad, disminuye la energía cinética y favorece la atracción entre partículas (energía potencial). La interrupción drástica en el movimiento de las partículas da lugar a sólidos desordenados, sin estructura tridimensional (amorfos) y de composición variable El estado vítreo

6. Los sólidos amorfos pueden ser considerados como fases meta-estables o líquidos endurecidos por sobre-enfriamiento sin llegar a ser verdaderos sólidos cristalinos. El vidrio no presenta características específicas ( punto de fusión , densidad, índice de refracción, etc.) ya que algunas de ellas dependen de su composición. Normalmente es quebradizo, de ruptura azarosa, con puntos de reblandecimiento variables y transparente, aún cuando puede hacerse opaco bajo ciertos procesos. El estado vítreo

7. A principios de este siglo se desarrolló la fabricación de vidrios en dos tipos: de sosa, cal y sílice para elaborar objetos comunes (bombillas, vidrio plano, parabrisas y ventanillas) y de potasa, plomo y sílice para productos de más calidad (sistemas ópticos de microscopios, telescopios, prismáticos, cámaras fotográficas, etcétera). En 1915 la Corning Glass Company, en Estados Unidos, desarrolló la fabricación del vidrio de borosilicato (12% de óxido bórico y 80% de sílice), cuya característica de resistencia a cambios bruscos de temperatura originó su utilización para hornos domésticos, con el nombre comercial de Pyrex; de aquí su aplicación para la elaboración de cristalería de laboratorio. Tipos de vidrio

8. Vidrios Coloreados Sus constituyentes reducen la exposición de la luz Pr 3+ , (UO 4 ) 2- Amarillo verdoso Fe 3+ Amarillo café Ni 2+ en Na 2 O, Ce 4+ , U, CdS*, Ce, Ti-Ag, Fe 2+ Amarillo Ni 2+ en K 2 O, Nd 3+ , Mn 3+ Violeta CdS – Se/ Au-Cu-Ar en PbO Rojo Mn 2+ , N, Ni en K 2 O Púrpura CdS y CdSe Naranja Cr 3+ ; Cu con Ti, Cr, Fe ; Fe con Cr-U-V ; Mo en P 2 O 5 Verde Mn/Fe-Ti y Fe-Ni en Na 2 O; Fe/Se-Mn/Ti-Mn/Ce Café Fe 2+ + Fe 3+ Azul verdoso Cu 2+ , Co 2+ , Sulfuro en vidrios de B 2 O 3 Azul Mezclas de Co,Mn,Ni,Fe,Cu,Cr-FeS; Mn/Co en PbO Negro Hierro y sulfuro - manganeso y sulfuro Ámbar Agente colorido Color

9. Fórmulas para dar color al vidrio Los vidrios coloreados se distinguen por su claridad y transparencia. Los colores se originan en las sustancias metálicas que se agregan al vidrio en el proceso de su fabricación. Para alcanzar resultados previamente establecidos, se requiere que los colores sean elaborados con base en óxidos de metales, pues de lo contrario no se lograrán teñir las masas vitrificantes

10. Composición del Vidrio El Vidrio puede ser dividido en dos grupos I N G R E D I E N T E S G R U P O Son complejos silicatados (Si0 2 ) en cuya composición incluye elementos oxidados (Na 2 O, CaO, Al 2 O 3 , B 2 O 3 ) Con oxígeno (óxidos) No contienen óxidos metálicos y por lo general incluyen sulfuros y metales. Sin oxígeno

11. El principal constituyente de los vidrios comerciales es arena de sílice (SiO 2 ). Un vidrio puede hacerse al fundir arena a una temperatura de 1700°C y enfriarla drásticamente. La adición de carbonato sódico, Na 2 CO 3 , (soda ash), en una proporción de mezcla fundida, 75% sílice (SiO 2 ) y 25% de óxido de sodio (Na 2 O), reduce la temperatura de fusión a 800°C. Para dar estabilidad al vidrio se adicionan óxido de calcio (CaO) y óxido de magnesio (MgO). Vidrios con características diferentes emplean como materia prima carbonatos metálicos, como CaCO 3 ( limestone) y MgCO 3 (dolomit a ) los cuales liberan dióxido de carbono por descomposición a altas temperaturas. Vidrios con oxígeno (comerciales)

12. Constituyentes principales en vidrios comerciales CaO CaCO 3 Carbonato de Calcio Limestone (caliza o piedra de limo ) Na 2 O Na 2 CO 3 Carbonato de Sodio Soda Ash (ceniza de sosa) SiO 2 SiO 2 Sílice o Dióxido de Silicio Sand (arena de sílice) Componentes del vidrio Fórmula Química Nombre químico Nombre común

13. SiO 2 : 70-74 Na 2 O : 12-16 CaO: 5-11 MnO: 1-3 Al 2 O 3 : 1-3 Composición básica de los vidrios comerciales (% en peso )

14. Vidrios comerciales Por su gran ductilidad, índice de refracción alto y superficie suave y fácil de decorar se emplean en l ámparas de neón. Lead “ crystal glass” (<24% PbO) “ lead crystal” (>24% PbO) Por su dureza se emplea para elaborar botellas, vidrios de ventana, bombillas eléctricas, y un sin número de objetos comerciales. Lime “ soda-lime” o “flint” Uso Tipo

15. Vidrio para uso en laboratorios El vidrio suave y el vidrio Pyrex son los más empleados en laboratorios químicos, físicos y biológicos. El vidrio suave funde entre 600 y 800ºC y se emplea generalmente para goteros, varillas de vidrio, tubos para lavado de frascos, frascos, etc.; manejable con un mechero de bunsen, pero es atacado por las sustancias alcalinas y no resiste los cambios térmicos. El vidrio Pyrex es un vidrio borosilicatado que funde entre 750 y 1100ºC; se emplea generalmente para la fabricación de vasos de precipitados, frascos, equipo especializado, etc.; requiere, además del gas butano, oxígeno para poder trabajarlo; es resistente a las sustancias alcalinas y a los cambios térmicos.

16. Vidrio para uso en laboratorios (con oxígeno) Tubos de combustión, vidrios para altas presiones, lámparas de halógeno-tungsteno. Aluminiosilicato 20% Al 2 O 3 Colimadores. Celdas colorimétricas. Sin boro Refractarios de cocina. Equipo y material de laboratorio. Fibra óptica. Borosilicato Alta Sílica

17. Vidrio de borosilicato Los vidrios borosilicatados fueron desarrollados en los años veintes por los laboratorios Corning, en respuesta a la necesidad de contar con materiales de laboratorio con las siguientes características: Resistentes al calor. Soporte de cambios bruscos de temperatura sin fracturarse. Resistentes al ataque de sustancias corrosivas como algunos ácidos y álcalis.

18. Composición básica del vidrio de borosilicato % en peso SiO 2 : 70-81 B 2 O 3 : 7-13 Na 2 O: 3- 5 Al 2 O 3 : 1- 3 K 2 O: 0.5- 1 El vidrio borosilicatado se hace fundiendo Borax (Na 2 B 4 O 7 10 H 2 O) y (Na 2 CO 3 ) en la llama de un soplete

19. COMPARACIÓN DE ALGUNOS VIDRIOS CORNING Fuente: Corning Glass Works Radiation shielding Vycor Pyrex Ignition tubes Lamp bulbs Lamp tubing 83 - - - - 22 PbO - - - 8 5 - CaO - - - 7 4 - MgO - - - - - 7 K 2 O - 4 4 1 17 7 Na 2 O 10 3 13 5 - - B 2 O 3 3 0.3 2 17 1 1 Al 2 O 3 5 96 81 62 73 63 SiO 2 High lead High Silica Boro silicato Aluminiosilicato Lime Lead % en peso

20. COMPARACIÓN DE ALGUNOS VIDRIOS CORNING Fuente Corning Glass Works TSR = Resistencia al choque térmico. UUT = Máxima temperatura de trabajo. SP .= Punto de reblandecimiento. WP = Temperatura de moldeado.  = Coeficiente de expansión térmica 0-300 °C 104 8 33 42 92 93  (10 -7 / °C) 985 (1700) 1245 1190 1002 985 WP (°C) 390 1500 820 915 695 625 SP (°C) 200 1100 490 650 460 380 UUT (°C) 19 202 53 28 17 19 TSR (°C) High lead High Silica Boro silicate Aluminosilicate Lime Lead

21. COMPARICIÓN DE ALGUNOS VIDRIOS CORNING Fuente: Corning Glass Works Resistencia a la corrosión * Números altos indican mayor corrosión (el 1 es el más resistente a la corrosión) 3 1 1 1 3 2 Intemperie 1 1 1 1 2 2 Agua 4 1 1 3 2 2 Ácido High lead High Silica Boro silicato Aluminiosilicato Lime Lead

22. Borosilicato FIOLAX Borosilicato, contiene zinc GERATEGLASS (Jena) Borosilicato, contiene zinc DURAN 50 (Jena) Borosilicato, similar a Pyrex 7740 IVA 80.0% sílice 14.0% trióxido de boro 4.0% óxidos de sodio, potasio y calcio 2.0% alúmina QUICKFIT 81.0% sílice 13.0% trióxido de boro 2.2% sesquióxido, principalmente Al 2 O 3 3.6% óxido de sodio 0.2% óxido de potasio y otros compuestos PYREX (Corning 7740) COMPOSICION O CARACTERISTICAS VIDRIO

23. Borosilicato de bajo coeficiente de expansión Alta resistencia al ataque químico Bajo contenido de álcali Bajo o ningún nivel de calcio, magnesio y metales del grupo del zinc Se reblandece a 827ºC. Difícilmente erosionable. KIMAX KG-33 (Kimble) Sílice con un máximo de 0.2% de Boro CORNING 7280 (Libre de Boro, resistente al alcali) Aluminio-silicato, endurecido químicamente COREX (Corning) 96.3% sílice 2.9% trióxido de boro 0.4% sesquióxido, principalmente Al2O3 0.02% óxido de sodio 0.02% óxido de potasio 0.36% impurezas VICOR (Corning 7900 y 7913) COMPOSICION O CARACTERISTICAS VIDRIO

24. Gracias Academia Universitaria de Química