Vidrio

El vidrio es un material inorgánico duro, frágil, transparente y amorfo que se encuentra en la naturaleza, aunque también puede ser producido por el ser humano. El vidrio artificial se usa para hacer ventanas, lentes, botellas y una gran variedad de productos. El vidrio es un tipo de material cerámico amorfo.

El vidrio se obtiene a unos 1500 °C a partir de arena de sílice ( Si O2), carbonato de sodio ( Na2 C O3) y caliza ( Ca C O3).

En España, así como en otras partes del mundo, el término " cristal" es utilizado muy frecuentemente como sinónimo de vidrio, aunque es incorrecto en el ámbito científico debido a que el vidrio es un sólido amorfo (sus moléculas están dispuestas de forma irregular) y no un sólido cristalino.

Botella de vidrio coloreado.
La obsidiana es un vidrio natural. Originaria de minerales fundidos que no se recristalizaron al enfriarse después de su erupción.
Vasija de vidrio egipcio.

El vidrio en la antigüedad

Plinio el Viejo (siglo I), en su Historia Natural, cuenta que unos mercaderes que se dirigían hacia Egipto para vender natrón (carbonato de sodio), se detuvieron para cenar a orillas del río Belus, en Fenicia. Como no había piedras para colocar sus ollas, decidieron utilizar algunos trozos de natrón. Calentaron sus alimentos, comieron y se dispusieron a dormir. A la mañana siguiente vieron asombrados que las piedras se habían fundido y habían reaccionado con la arena para producir un material duro y brillante, el vidrio.

En realidad, el hombre aprendió a fabricar el vidrio muchísimo tiempo antes en forma de esmaltes vitrificados, la fayenza. Hay cuentas de collares y restos de cerámica elaborados con fayenza en tumbas del periodo predinástico de Egipto, en las culturas Naqada (3500-3200 a. C.).[1]

Los primeros objetos de vidrio que se fabricaron fueron cuentas de collar o abalorios. Es probable que fueran artesanos asiáticos los que establecieron la manufactura del vidrio en Egipto, de donde proceden las primeras vasijas producidas durante el reinado de Tutmosis III (1504-1450 a. C.). La fabricación del vidrio floreció en Egipto y Mesopotamia hasta el 1200 a. C. y posteriormente cesó casi por completo durante varios siglos. Egipto produjo un vidrio claro, que contenía sílice pura; lo coloreaban de azul y verde. Durante la época helenística Egipto se convirtió en el principal proveedor de objetos de vidrio de las cortes reales. Sin embargo, fue en las costas fenicias donde se desarrolló el importante descubrimiento del vidrio soplado en el siglo I a. C. Durante la época romana la manufactura del vidrio se extendió por el Imperio, desde Roma hasta Alemania.[4]

El vidrio en la Edad Media

El vidrio en los países islámicos, entre los siglos VIII y XIV, tuvo su auge en el Oriente Próximo. La antigua tradición Sasánida de tallado del vidrio fue continuada por los artesanos musulmanes que realizaron vasijas decoradas en altorrelieve, muchas con motivos animales, y con vidrio incoloro de gran calidad con diseños tallados a la rueda. La técnica de esmaltado al fuego y la del dorado incrementaron las posibilidades decorativas, destacando los artesanos vidrieros de Alepo y Damasco. De Egipto proviene el descubrimiento de coloraciones vidriadas con brillantes efectos metálicos, tanto en cerámica como en vidrio. Las lámparas de las mezquitas y otras vasijas de uso cotidiano se pintaron con motivos geométricos propios del islam. Sus formas y decoraciones influyeron en la producción occidental posterior, destacando las de Venecia y España.[5]

En el norte de Europa y Gran Bretaña continuaron produciendo objetos utilitarios de vidrio. El vidrio común tipo Waldglas (del alemán, ‘ vidrio del bosque’) continuó fabricándose en Europa hasta la era moderna. Sin embargo, la producción más importante en este material durante la edad media fueron los mosaicos de vidrio en la Europa mediterránea y las vidrieras en la zona del norte. Los mosaicos se hacían con teselas de vidrio, que se cortaban de bloques de vidrio. En documentos del siglo VI se hace referencia a vidrieras en las iglesias, aunque los primeros ejemplares conservados datan del siglo XI. Las más apreciadas se elaboraron durante los siglos XIII y XIV, principalmente en Francia e Inglaterra. El vidrio se coloreaba o se laminaba ya coloreado añadiendo óxidos metálicos a la mezcla, y después se cortaba. Los detalles se pintaban sobre el cristal con un esmalte. Las piezas se sujetaban con una red de plomo conocida como emplomado.[5]

Del renacimiento al siglo XVIII

El cristal veneciano

El «cristal veneciano» más antiguo conocido data del siglo XV, aunque el vidrio ya se fabricaba en Venecia desde el siglo X. Con centro en la isla de Murano, los venecianos dominaron el mercado europeo hasta el año 1700. La contribución más importante fue la elaboración de un vidrio sódico duro y refinado muy dúctil. Conocido como «cristallo», era incoloro, de gran transparencia, muy semejante al cristal de roca. También se hacían en cristal coloreado y opaco. Hacia finales del siglo XVI las vasijas se hicieron más ligeras y delicadas. Desarrollaron un tipo de filigrana de vidrio que sería muy imitada. Consistía en incorporar hebras de vidrio blanco opaco dentro de un cristal transparente, que producía el efecto de un encaje.

También en Murano surgieron muchos estilos diferentes para lámparas de cristal, aunque fue la factoría de Nevers, en Francia, la que adquirió mayor fama durante el siglo XVII. La práctica del grabado al diamante, técnica de los artesanos holandeses del siglo XVII, lograba elaborados diseños.

Los fabricantes de vidrio de Europa intentaron copiar las técnicas y decoraciones de los venecianos. La información se difundió con el libro El arte del vidrio (1612) de Antonio Neri, y también por los sopladores de vidrio venecianos, pues aunque una ley prohibía a los artesanos vidrieros abandonar Venecia y divulgar los secretos de su arte, muchos se instalaron en otros países europeos. Cada país desarrolló sus imitaciones. La influencia italiana declinó en el siglo XVII, al surgir en Alemania e Inglaterra nuevos métodos para la fabricación de vidrio.[7]

Estado vítreo

Tradicionalmente se ha considerado que la materia podía presentarse bajo tres formas: la sólida, la líquida y la gaseosa. Nuevos medios de investigación de su estructura íntima –particularmente durante el siglo XX– han puesto al descubierto otras formas o estados en los que la materia puede presentarse. Por ejemplo el estado mesomorfo[11] ), el estado de plasma (o estado plasmático, propio de gases ionizados a muy altas temperaturas) o el estado vítreo, entre otros.

Los cuerpos en estado vítreo se caracterizan por presentar un aspecto sólido con cierta dureza y rigidez y que ante esfuerzos externos moderados se deforman de manera generalmente elástica. Sin embargo, al igual que los líquidos, estos cuerpos son ópticamente isótropos, transparentes a la mayor parte del espectro electromagnético de radiación visible. Cuando se estudia su estructura interna a través de medios como la difracción de rayos X, da lugar a bandas de difracción difusas similares a las de los líquidos. Si se calientan, su viscosidad va disminuyendo paulatinamente –como la mayor parte de los líquidos– hasta alcanzar valores que permiten su deformación bajo la acción de la gravedad, y por ejemplo tomar la forma del recipiente que los contiene como verdaderos líquidos. No obstante, no presentan un punto claramente marcado de transición entre el estado sólido y el líquido o " punto de fusión".

Todas estas propiedades han llevado a algunos investigadores a definir el estado vítreo no como un estado de la materia distinto, sino simplemente como el de un líquido subenfriado o líquido con una viscosidad tan alta que le confiere aspecto de sólido sin serlo.[13] Esta hipótesis implica la consideración del estado vítreo como un estado metaestable al que una energía de activación suficiente de sus partículas debería conducir a su estado de equilibrio, es decir, el de sólido cristalino.

Figura 1: Cristal organizado de SiO2.

En apoyo de esta hipótesis se aduce el hecho experimental de que, calentado un cuerpo en estado vítreo hasta obtener un comportamiento claramente líquido (a una temperatura suficientemente elevada para que su viscosidad sea inferior a los 500 poises, por ejemplo), si se enfría lenta y cuidadosamente, aportándole a la vez la energía de activación necesaria para la formación de los primeros corpúsculos sólidos (siembra de microcristales, presencia de superficies activadoras, catalizadores de nucleación, etc.) suele solidificarse dando lugar a la formación de conjuntos de verdaderos cristales sólidos.

Todo parece indicar que los cuerpos en estado vítreo no presentan una ordenación interna determinada, como ocurre con los sólidos cristalinos. Sin embargo en muchos casos se observa un desorden ordenado, es decir, la presencia de grupos ordenados que se distribuyen en el espacio de manera total o parcialmente aleatoria.

Esto ha conducido a diferentes investigadores a plantear diversas teorías sobre la estructura interna del estado vítreo, tanto de tipo geométrico, basadas tanto en las teorías atómicas como en las de tipo energético.

Figura 2: SiO2 en estado vítreo.

Según la teoría atómica geométrica, en el sílice sólido cristalizado el átomo de silicio se halla rodeado de cuatro átomos de oxígeno situados en los vértices de un tetraedro cada uno de los cuales le une a los átomos de silicio vecinos. Una vista en planta de este ordenamiento se esquematiza en la figura 1, en la que el cuarto oxígeno estaría encima del plano de la página. Cuando este sílice pasa al estado vítreo, la ordenación tetraédrica se sigue manteniendo a nivel individual de cada átomo de silicio, aunque los enlaces entre átomos de oxígeno y silicio se realizan en un aparente desorden,[14] que sin embargo mantiene una organización unitaria inicial (véase la figura 2).

No obstante, ninguna de estas teorías es suficiente para explicar el comportamiento completo de los cuerpos vítreos aunque pueden servir para responder, en casos concretos y bien determinados, a algunas de las preguntas que se plantean.

Las sustancias susceptibles de presentar un estado vítreo pueden ser tanto de naturaleza inorgánica como orgánica, entre otras:

  • Elementos químicos: Si, Se, Au-Si, Pt-Pd, Cu-Au.
  • Óxidos: SiO2, B2O3, P2O5, y algunas de sus combinaciones.
  • Compuestos: As2S3, GeSe2, P2S3, BeF2, PbCl2, AgI, Ca(NO3)2.
  • Siliconas (sustancias consideradas como semiorgánicas)
  • Polímeros orgánicos: tales como glicoles, azúcares, poliamidas, poliestirenos o polietilenos, etc.
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