José Antonio Anaya RoaJosé Antonio Anaya RoaEstado de México, marzo 2004Estado de México, marzo 2004

Universidad Autónoma ChapìngoUniversidad Autónoma Chapìngo

MATERIAL DE LABORATORIO

2° Parte

Academia Universitaria de Química

Curso

2° Parte

Vidrio

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 quine 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.

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 La técnica para moldear tazas, jarros y copas en una estructura de arena o de arcilla, consistía en recoger estructura de arena o de arcilla, consistía en recoger el vidrio en fusión con el extremo de una caña hueca, el vidrio en fusión con el extremo de una caña hueca, dentro de la cual se soplaba para dar al objeto la dentro de la cual se soplaba para dar al objeto la forma deseada. 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.

• El vidrio es un sólido amorfo que resulta de El vidrio es un sólido amorfo que resulta de enfriar de manera drástica una mezcla de enfriar de manera drástica una mezcla de materiales inorgánicos fundidos.materiales inorgánicos fundidos.

• El súbito proceso de solidificación de la mezcla El súbito proceso de solidificación de la mezcla fundida, incrementa la viscosidad, disminuye la fundida, incrementa la viscosidad, disminuye la energía cinética y favorece la atracción entre energía cinética y favorece la atracción entre partículas (energía potencial). partículas (energía potencial).

• La interrupción drástica en el movimiento de La interrupción drástica en el movimiento de las partículas da lugar a sólidos desordenados, las partículas da lugar a sólidos desordenados, sin estructura tridimensional (amorfos) y de sin estructura tridimensional (amorfos) y de composición variablecomposición variable

• Los sólidos amorfos pueden ser considerados Los sólidos amorfos pueden ser considerados como fases meta-estables o líquidos endurecidos como fases meta-estables o líquidos endurecidos por sobre-enfriamiento sin llegar a ser por sobre-enfriamiento sin llegar a ser verdaderos sólidos cristalinos. verdaderos sólidos cristalinos.

• ElEl vidrio vidrio no presentano presenta características características específicas específicas ((punto de fusiónpunto de fusión, densidad, índice de refracción, , densidad, índice de refracción, etc.) ya que algunas de ellas dependen de su etc.) ya que algunas de ellas dependen de su composición. composición.

• Normalmente es quebradizo, de ruptura Normalmente es quebradizo, de ruptura azarosa, con puntos de remblandecimiento azarosa, con puntos de remblandecimiento variables y transprente, aún cuando puede variables y transprente, aún cuando puede hacerse opaco bajo ciertos procesos.hacerse opaco bajo ciertos procesos.

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

Vidrios sin oxígenoVidrios coloreados

Sus constituyentes reducen la exposición de la luz

Color Agente colorido

Ámbar Hierro y sulfuro - manganeso y sulfuro

Negro Mezclas de Co,Mn,Ni,Fe,Cu,Cr-FeS; Mn/Co en PbO

Azul Cu2+, Co2+, Sulfuro en vidrios de B2O3

Azul verdoso Fe2+ + Fe3+

Café Mn/Fe-Ti y Fe-Ni en Na2O; Fe/Se-Mn/Ti-Mn/Ce

Verde Cr3+; Cu con Ti, Cr, Fe ; Fe con Cr-U-V ; Mo en P2O5

Naranja CdS y CdSe

Púrpura Mn2+, N, Ni en K2O

Rojo CdS – Se/ Au-Cu-Ar en PbO

Violeta Ni2+ en K2O, Nd3+, Mn3+

Amarillo Ni2+ en Na2O, Ce4+, U, CdS*, Ce, Ti-Ag

Amarillo café Fe3+

Amarillo verdoso Pr3+, (UO4)2-

G R U P O I N G R E D I E N T E S

Con oxígeno(óxidos)

Son complejos silicatados (Si02) en cuya composición incluye elementos oxidados (Na2O, CaO, Al2O3, B2O3)

Sin oxígenoNo contienen óxidos metálicos y por lo general incluyen sulfuros y metales.

El principal constituyente de los vidrios comerciales es arena El principal constituyente de los vidrios comerciales es arena de sílice (SiOde sílice (SiO22). ).

Un vidrio puede hacerse al fundir arena a una temperatura de Un vidrio puede hacerse al fundir arena a una temperatura de 1700°C y enfriarla drásticamente. 1700°C y enfriarla drásticamente.

La adición de carbonato sódico, NaLa adición de carbonato sódico, Na22COCO33, (soda ash), en una , (soda ash), en una

proporción de mezcla fundida, 75% sílice (SiOproporción de mezcla fundida, 75% sílice (SiO22) y 25% de óxido ) y 25% de óxido

de sodio (Nade sodio (Na22O), reduce la temperatura de fusión a 800°C.O), reduce la temperatura de fusión a 800°C.

Para dar estabilidad al vidrio se adicionan óxido de calcio Para dar estabilidad al vidrio se adicionan óxido de calcio (CaO) y óxido de magnesio (MgO). (CaO) y óxido de magnesio (MgO).

Vidrios con características diferentes emplean como materia Vidrios con características diferentes emplean como materia prima carbonatos metálicos, como CaCOprima carbonatos metálicos, como CaCO33 ( (limestone) limestone) y MgCOy MgCO33

(dolomit(dolomitaa) los cuales liberan dióxido de carbono por ) los cuales liberan dióxido de carbono por descomposición a descomposición a altas altas temperaturas.temperaturas.

Vidrios con oxígenoVidrios con oxígeno(comerciales)(comerciales)

Constituyentes principales enConstituyentes principales envidrios comercialesvidrios comerciales

Nombre Nombre comúncomún

Nombre químicoNombre químico Fórmula Fórmula QuímicaQuímica

Componentes Componentes del vidriodel vidrio

Sand Sand (arena de (arena de

sílice)sílice)

Sílice o Dióxido Sílice o Dióxido de Siliciode Silicio SiOSiO22 SiOSiO22

Soda Ash Soda Ash (ceniza de (ceniza de

sosa) sosa)

Carbonato de Carbonato de SodioSodio NaNa22COCO33 NaNa22OO

LimestoneLimestone(caliza o (caliza o piedra de piedra de

limolimo))

Carbonato de Carbonato de Calcio Calcio CaCOCaCO33 CaOCaO

SiO2 : 70-74Na2O : 12-16 CaO: 5-11 MnO: 1-3 Al2O3: 1-3

Composición básica de losComposición básica de losvidrios comercialesvidrios comerciales

(% en peso)

TipoTipo UsoUso

LimeLime “soda-lime” o “flint”

Por su dureza se emplea paraPor su dureza se emplea paraelaborar botellas, vidrios de elaborar botellas, vidrios de ventana, bombillas eléctricas, ventana, bombillas eléctricas, y un sin número de objetos y un sin número de objetos comerciales. comerciales.

Lead Lead “crystal glass” (<24% PbO)

“lead crystal” (>24% PbO)

Por su gran ductilidad, índice de refracción alto y superficie suave y fácil de decorar se emplean en lámparas de neón.

Vidrios comercialesVidrios comerciales

El vidrio suave y el vidrio Pyrex son los más empleados en El vidrio suave y el vidrio Pyrex son los más empleados en laboratorios químicos, físicos y biológicos.laboratorios químicos, físicos y biológicos.

Vidrio para uso en laboratorios

El vidrio suave funde entre 600 y 800ºC y se emplea El vidrio suave funde entre 600 y 800ºC y se emplea generalmente para goteros, varillas de vidrio, tubos para generalmente para goteros, varillas de vidrio, tubos para lavado de frascos, frascos, etc.; manejable con un mechero lavado de frascos, frascos, etc.; manejable con un mechero de bunsen, pero es atacado por las sustancias alcalinas y de bunsen, pero es atacado por las sustancias alcalinas y no resiste los cambios térmicos.no resiste los cambios térmicos.

El vidrio Pyrex es un vidrio borosilicatado que funde entre El vidrio Pyrex es un vidrio borosilicatado que funde entre 750 y 1100ºC; se emplea generalmente para la fabricación 750 y 1100ºC; se emplea generalmente para la fabricación de vasos de precipitados, frascos, equipo especializado, de vasos de precipitados, frascos, equipo especializado, etc.; requiere, además del gas butano, oxígeno para poder etc.; requiere, además del gas butano, oxígeno para poder trabajarlo; es resistente a las sustancias alcalinas y a los trabajarlo; es resistente a las sustancias alcalinas y a los cambios térmicos.cambios térmicos.

Vidrio para uso en laboratorios(con oxígeno)

Alta Sílica

Equipo y material de laboratorio.Fibra óptica.

Borosilicato Refractarios de cocina.

Sin boro Colimadores.Celdas colorimétricas.

Aluminiosilicato 20% Al2O3

Tubos de combustión, vidrios para altas presiones, lámparas de halógeno-tungsteno.

Vidrio de borosilicato

Los vidrios borosilicatados fueron Los vidrios borosilicatados fueron desarrollados en los años veintes por los desarrollados en los años veintes por los laboratorios Corning, en respuesta a la laboratorios Corning, en respuesta a la necesidad de contar con materiales de necesidad de contar con materiales de laboratorio con las siguientes características:laboratorio con las siguientes características:

•Resistentes al calor.Resistentes al calor.

•Soporte de cambios bruscos de temperatura Soporte de cambios bruscos de temperatura sin fracturarse.sin fracturarse.

• Resistentes al ataque de sustancias Resistentes al ataque de sustancias corrosivas como algunos ácidos y álcalis. corrosivas como algunos ácidos y álcalis.

Composición básica del vidrio de borosilicato

% en peso% en peso

SiOSiO22: : 70-8170-81

BB22OO33: : 7-13 7-13

NaNa22O: O: 3- 5 3- 5

AlAl22OO33: : 1- 3 1- 3

KK22O:O: 0.5- 1 0.5- 1

El vidrio borosilicatado se hace fundiendo El vidrio borosilicatado se hace fundiendo Borax (NaBorax (Na22BB44OO7710 H10 H22O) y (NaO) y (Na22COCO33) en la llama de ) en la llama de

un sopleteun soplete

COMPARACIÓN DE ALGUNOS VIDRIOS CORNING COMPARACIÓN DE ALGUNOS VIDRIOS CORNING Fuente: Corning Glass WorksFuente: Corning Glass Works

% en % en pesopeso

Lead Lime Aluminiosilicato

Borosilicato

High Silica

High lead

Lamp tubing

Lamp bulbs

Ignition tubes

Pyrex Vycor Radiation shielding

SiOSiO22 63 73 62 81 96 5

AlAl22OO33 1 1 17 2 0.3 3

BB22OO33 - - 5 13 3 10

NaNa22OO 7 17 1 4 4 -

KK22O O 7 - - - - -

MgOMgO - 4 7 - - -

CaOCaO - 5 8 - - -

PbOPbO 22 - - - - 83

COMPARASIÓN DE ALGUNOS VIDRIOS CORNINGCOMPARASIÓN DE ALGUNOS VIDRIOS CORNINGFuente Corning Glass WorksFuente Corning Glass Works

Lead Lime Aluminosilicate

Borosilicate

High Silica

High lead

TSR (°C) 19 17 28 53 202 19

UUT (°C) 380 460 650 490 1100 200

SP (°C) 625 695 915 820 1500 390

WP (°C) 985 1002 1190 1245 (1700) 985

α (10-7/ °C) 93 92 42 33 8 104TSR = Resistencia al choque térmico.UUT = Máxima temperatura de trabajo.SP .= Punto de reblandecimiento. WP = Temperatura de moldeado. α = Coeficiente de expansión térmica 0-300 °C

Lead Lime Aluminiosilicato

Borosilicato

High Silica

High lead

Intemperie 2 3 1 1 1 3

Agua 2 2 1 1 1 1

Ácido 2 2 3 1 1 4

COMPARISIÓN DE ALGUNOS VIDRIOS CORNINGCOMPARISIÓN DE ALGUNOS VIDRIOS CORNINGFuente: Corning Glass WorksFuente: Corning Glass Works

Resistencia a la corrosión

* Números altos indican mayor corrosión(el 1 es el más resistente a la corrosión)

VIDRIO COMPOSICION O CARACTERISTICAS

PYREX (Corning 7740)

*81.0% sílice*13.0% trióxido de boro*2.2% sesquióxido, principalmente Al2O3

*3.6% óxido de sodio*0.2% óxido de potasio y otros compuestos

QUICKFIT *80.0% sílice*14.0% trióxido de boro*4.0% óxidos de sodio, potasio y calcio*2.0% alúmina

IVA *Borosilicato, similar a Pyrex 7740

DURAN 50 (Jena) *Borosilicato, contiene zinc

GERATEGLASS (Jena)

*Borosilicato, contiene zinc

FIOLAX *Borosilicato

VIDRIO COMPOSICION O CARACTERISTICAS

VICOR (Corning 7900 y 7913)

*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

COREX (Corning) *Aluminio-silicato, endurecido químicamente

CORNING 7280 (Libre de Boro, resistente al alcali)

*Sílice con un máximo de 0.2% de Boro

KIMAX KG-33 (Kimble)

*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.

Gracias

Academia Universitaria de Química