



Qué es el vidrio: Estructura y composiciones
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Antes de la llama, el material. El vidrio es rígido y frágil a la vez, hecho de arena y nacido del fuego. Esta primera entrada comienza con algo más pequeño que el material, con los átomos de los que está hecho el vidrio y por qué se unen, para luego examinar qué es realmente el vidrio, sus composiciones principales y cómo se combinan.
Antes del vidrio: átomos y la necesidad de equilibrio
Dentro de un átomo
Todo aquello de lo que está hecho el vidrio, la arena, la sosa, el boro, los metales que le dan color, está hecho de átomos. Un átomo tiene un centro diminuto y pesado, el núcleo, formado por dos tipos de partículas: protones, que tienen carga positiva, y neutrones, que no tienen carga. Alrededor del núcleo se mueven electrones, mucho más ligeros y con carga negativa.
- Los protones determinan qué elemento es. Todo átomo con 8 protones es oxígeno, todo átomo con 14 es silicio, 5 es boro, 27 es cobalto.
- Los neutrones añaden masa y ayudan a mantener unido el núcleo. Los átomos del mismo elemento con diferente número de neutrones se llaman isótopos; químicamente se comportan casi igual.
- Los electrones determinan cómo se comporta un átomo: con qué otros átomos se une, con qué fuerza y cómo interactúa con la luz.
Un átomo neutro tiene tantos electrones como protones, por lo que las cargas se anulan. Los electrones se organizan en capas alrededor del núcleo, y solo la capa más externa, la capa de valencia, participa en la formación de enlaces.
Por qué se unen los átomos
Los átomos son más estables cuando su capa exterior está completa, lo que para los elementos más ligeros del vidrio significa ocho electrones. Muy pocos átomos nacen así. Los gases nobles, como el neón y el argón, lo son, y por eso apenas reaccionan con nada. Todos los demás átomos están, en cierto sentido, desequilibrados, y encuentran el equilibrio dando, tomando o compartiendo electrones con sus vecinos. Ese intercambio es un enlace químico.
- Compartir (enlaces covalentes): dos átomos aportan electrones a un par compartido que pertenece a ambos. El silicio tiene cuatro electrones externos y el oxígeno seis; al compartirlos, se mantienen fuertemente unidos.
- Dar y tomar (enlaces iónicos): algunos átomos liberan fácilmente sus electrones externos, como el sodio, el potasio y el calcio; otros atraen electrones, sobre todo el oxígeno. Un átomo que ha perdido electrones se convierte en un ion positivo, uno que los ha ganado en un ion negativo, y las cargas opuestas se atraen.
La mayoría de los enlaces reales se sitúan en algún punto intermedio entre ambos. El enlace entre el silicio y el oxígeno es en parte compartido y en parte iónico, y es uno de los más fuertes en los minerales de la corteza terrestre.
De los átomos al vidrio
Esta búsqueda de equilibrio es lo que forma el vidrio. Cada átomo de silicio se enlaza con cuatro oxígenos, y cada oxígeno puede unir dos silicios, por lo que los átomos se conectan en la red continua que se describe a continuación. El sodio y el calcio, añadidos como fundentes, entregan sus electrones externos al oxígeno y se convierten en iones positivos: rompen algunos de los puentes de oxígeno y se asientan en los huecos, unidos por atracción en lugar de por electrones compartidos. Menos puentes significan una red que se ablanda a una temperatura más baja. El boro, con tres electrones externos, se une a la red a su manera, formando unidades de una forma diferente.
También es la razón por la que el vidrio adquiere color. Un metal como el cobalto, el cobre o el hierro entra en el vidrio como un ion, habiendo entregado algunos de sus electrones al oxígeno. Cuántos ha entregado es su estado de oxidación, y los electrones que conserva se sitúan en niveles de energía específicos. Cuando la luz pasa, esos electrones absorben los colores cuya energía coincide con la brecha entre los niveles y dejan pasar el resto. Cambie el número de electrones con una llama rica en oxígeno o rica en combustible, y el color también cambia: el cobre como Cu²⁺ es turquesa, mientras que el cobre reducido a átomos neutros que se agrupan en diminutas partículas se vuelve rojo rubí. La oxidación es exactamente esto: electrones que se mueven de un átomo a otro. Color en el vidrio lo explica metal por metal.
Un sólido amorfo
Estructura
El vidrio se fabrica a partir de arenas con un alto contenido de sílice (SiO2), el mismo compuesto que forma el mineral cuarzo. Pero aunque el vidrio se fabrica a partir del mismo compuesto químico que el cuarzo, su estructura interna es muy diferente:
el vidrio es un sólido amorfo.
Esto significa que es sólido, pero sus átomos no están dispuestos en un patrón repetitivo. Esa estructura se decide a medida que el líquido caliente se enfría y se solidifica:
- Cristalización: los átomos se organizan en un patrón regular y repetitivo. Ejemplos: sal, cuarzo, diamante.
- Solidificación desordenada: los átomos permanecen unidos, pero sin un patrón regular. Esto ocurre cuando el enfriamiento impide que los átomos se organicen: no tienen tiempo para reorganizarse y quedan en una estructura desordenada. Los enlaces siguen existiendo, solo que sin un patrón. Ejemplo: vidrio.
El vidrio no es simplemente "cuarzo enfriado rápidamente". Las recetas de vidrio incluyen ingredientes que dificultan la cristalización. El sodio y el calcio rompen la red de sílice; el boro se une a la red, pero la construye a partir de unidades de una forma diferente. De cualquier manera, la red pierde su simetría, un patrón regular se vuelve más difícil de formar y el vidrio prefiere permanecer amorfo.
Cuando se calienta una varilla de borosilicato en la llama, los enlaces de esta red se rompen y se reforman cada vez más rápido, y el vidrio fluye: se convierte en un líquido espeso, tan desordenado como el sólido. A medida que se enfría, el movimiento se ralentiza hasta que el desorden queda congelado en su lugar, y vuelve a ser un sólido amorfo.
Me gusta pensar en ella como alguien que casi llega a donde quiere estar; pero se le acabó el tiempo. Como quien llega tarde a todas partes, pierde el último tren, pierde la fecha límite, muere intentándolo. Abraza su propia tardanza, pero no perdona ese retraso a nadie más que a sí misma. Atravesando pieles. Un recipiente de fluidos. Capaz de contener.
Composición
El componente principal de la mayoría de los vidrios es el dióxido de silicio. Como vimos arriba, cada átomo de silicio se enlaza con cuatro átomos de oxígeno, formando una pequeña pirámide llamada tetraedro, y los tetraedros comparten sus vértices para construir una red tridimensional. Esta red es extremadamente fuerte, por lo que el sílice puro solo se funde por encima de unos 1.700 °C (3.090 °F). Los fabricantes de vidrio añaden otros óxidos, en tres familias:
- Formadores de red construyen la red: sílice (SiO2), óxido de boro (B2O3), pentóxido de fósforo (P2O5).
- Modificadores de red rompen parcialmente la red y reducen la temperatura de fusión: sodio (Na2O), potasio (K2O), calcio (CaO).
- Intermedios, como la alúmina (Al2O3), fortalecen la red y mejoran su resistencia al agua y a los químicos.
Donde los modificadores rompen la red, dejan una estructura más abierta e irregular, y esa apertura es lo que permite al vidrio absorber otros elementos, incluidos los metales que le dan color. El vidrio, entonces, es una red desordenada que puede "atrapar" átomos, iones o partículas en diferentes formas. Eso le permite:
- disolver metales como iones → colores transparentes
- formar diminutas partículas metálicas → colores intensos
- formar diminutos cristales → opacidad
Cómo funciona cada uno de estos procesos es el tema de Color en el vidrio.
Desvitrificación
El vidrio puede cristalizarse si se mantiene caliente durante demasiado tiempo, o si contiene impurezas que actúan como núcleos para los cristales. El tiempo más la temperatura dan a los átomos la oportunidad de reorganizarse: exactamente lo contrario de lo que forma el vidrio. Esto se llama desvitrificación, y se forman pequeños cristales, generalmente en la superficie. Los trabajadores del vidrio lo llaman devit. Se muestra como una piel opaca y escarchada que no se funde hasta quedar lisa, y debilita el vidrio.
Con el soplete, las causas habituales son trabajar una zona durante demasiado tiempo, recalentarla una y otra vez, y la suciedad o los residuos en la varilla. Limpiar el vidrio y calentar de manera eficiente son la mejor prevención. Algunos colores son más propensos al devit que otros.
¿Sólido, líquido o algo intermedio?
La transición vítrea
Un cristal como el hielo tiene un punto de fusión nítido: a 0 °C es sólido, un momento después es agua. El vidrio no tiene un único punto de fusión. A medida que se enfría desde un estado fundido, simplemente se vuelve más y más rígido. Esta rigidez es su viscosidad, su resistencia a fluir, y aumenta en muchos órdenes de magnitud entre el fundido fluido y la varilla rígida.
Los fundidos formadores de vidrio se enfrían más allá del punto en el que "deberían" cristalizar sin hacerlo. Durante un tiempo son un líquido sobreenfriado: aún capaces de fluir y reorganizarse. Sigue enfriándose, y los átomos eventualmente se mueven tan lentamente que su disposición queda fija. La región de temperatura donde esto ocurre es la transición vítrea, denotada como Tg. Por debajo de ella, el material es un vidrio: un sólido con el desorden congelado de un líquido.
La transición vítrea es un rango en lugar de una línea nítida, y se desplaza un poco según la rapidez con la que se enfría el vidrio. Para el borosilicato de laboratorio se sitúa alrededor de 525 °C. Se encuentra cerca del rango de recocido, donde una pieza terminada se mantiene en un horno para que las tensiones congeladas durante el trabajo se relajen antes de que se enfríe lentamente hasta la temperatura ambiente. El recocido se trata en Acabado, Combinación y Solución de Problemas.
El mito de las ventanas que fluyen
Una historia muy conocida dice que el vidrio es "realmente un líquido", y que las ventanas antiguas de las iglesias son más gruesas en la parte inferior porque el vidrio ha fluido a lo largo de los siglos. No es verdad.
- A temperatura ambiente, el vidrio está muy por debajo de su transición vítrea. Investigadores de Corning midieron la viscosidad del vidrio medieval de la Abadía de Westminster y calcularon que fluiría alrededor de un nanómetro en mil millones de años.
- Los paneles desiguales provienen de cómo se fabricaron. Mucho vidrio de ventana antiguo se soplaba y se giraba en un disco plano que era más grueso en el centro que en el borde, por lo que los paneles cortados de él variaban en grosor, y los vidrieros solían colocar el borde más pesado en la parte inferior.
- Si el vidrio fluyera, el antiguo vidrio romano se habría deformado hace mucho tiempo. No lo ha hecho.
El vidrio se describe mejor como un sólido amorfo: rígido como un sólido, desordenado como un líquido.
Composiciones de vidrio y compatibilidad
Las varillas y tubos de vidrio vienen en muchos colores y tamaños. Si estás empezando, comienza con varillas transparentes o de un solo color para aprender las técnicas básicas. Estas son las principales composiciones de vidrio y para qué se usan:
- Vidrio de sosa-cal (aproximadamente 70–74% SiO2, con Na2O y CaO). El vidrio más común: botellas, frascos y ventanas. Barato y fácil de fundir, pero se expande mucho al calentarse, por lo que se agrieta fácilmente ante cambios repentinos de temperatura, y es menos duradero químicamente que el borosilicato.
- Vidrio blando es el nombre que los trabajadores de lámpara le dan al vidrio de tipo sosa-cal hecho para el soplete, como las varillas italianas vendidas como Effetre o Moretti (COE alrededor de 104). Se vuelve trabajable a temperaturas más bajas que el borosilicato (la temperatura de trabajo indicada de Effetre es de unos 945 °C, 1.733 °F), y los metales se disuelven fácilmente en él, por lo que su rango de color es muy amplio. Es propenso al choque térmico y debe calentarse gradualmente en la llama. A menudo se usa para cuentas. El vidrio fundido en horno es una familia relacionada, vendida en rangos combinados como COE 90 y COE 96.
- Borosilicato (alrededor de 80% SiO2, 13% B2O3, 4% Na2O, 2% Al2O3). El óxido de boro reemplaza gran parte de la sosa y la cal, dando una red apretada con una expansión térmica muy baja, por lo que resiste el choque térmico y el ataque químico. Se usa para cristalería de laboratorio, vajilla para horno, escultura y joyería. Es el vidrio de todas las joyas Rain and Rivers.
- Vidrio con plomo (SiO2 con óxido de plomo, PbO). El plomo aumenta el índice de refracción, por lo que el vidrio brilla, y lo hace más fácil de cortar y grabar. Este es el vidrio de las tradicionales copas de vino de "cristal": en la Unión Europea, el "cristal con plomo" debe contener al menos un 24% de PbO. Cuando llamamos a un vidrio "cristal", no significa que tenga una estructura atómica ordenada; el nombre es histórico.
- Vidrio aluminosilicato (SiO2 con una alta proporción de Al2O3). Muy fuerte y resistente al calor. La mayoría del vidrio de las pantallas de los teléfonos es un aluminosilicato alcalino que está fortalecido químicamente: en un baño de sal de potasio fundida, iones de potasio más grandes reemplazan a los iones de sodio más pequeños en la superficie, comprimiéndolo en una compresión que resiste las grietas.
- Vidrio de sílice pura, o sílice fundida (SiO2 solo). La expansión más baja de los vidrios comunes, y extremadamente resistente al calor. Se usa en óptica y ciencia.
- Vidrio de fosfato (construido sobre P2O5 en lugar de sílice). Dopado con neodimio, se usa en láseres de alta potencia.
- Vidrios de fluoruro y calcogenuro (fluoruros, o azufre, selenio y telurio, en lugar de óxidos). Se usan para infrarrojo: fibras ópticas especiales y lentes de imagen térmica.
Compatibilidad
Cada vidrio se expande al calentarse y se contrae al enfriarse, y cada composición lo hace en una cantidad diferente. Si dos vidrios unidos se contraen de manera diferente, uno tira contra el otro: tensión interna, y tarde o temprano una grieta, a veces en el soplete, a veces días después.
Este movimiento se mide como el coeficiente de expansión térmica, COE. "COE 33" es una abreviatura: el vidrio crece por 33 × 10−7 de su longitud por cada grado Celsius (medido entre 20 y 300 °C). Las hojas de datos escriben el mismo valor como 3.3 × 10−6 por kelvin. Cuanto más bajo el número, menos se mueve el vidrio y mejor sobrevive a los cambios repentinos de temperatura.
| Vidrio | COE típico (× 10−7/°C) | Dónde lo encuentras |
|---|---|---|
| Sílice fundida | alrededor de 5 | Óptica, material de laboratorio |
| Borosilicato | 32–33 | Vidrio de laboratorio, vajilla para horno, escultura y joyería trabajada con soplete |
| Vidrio de ventana y botella | alrededor de 85–90 | Vidrio de sosa-cal de uso diario |
| Vidrio para fundido | 90 o 96 | Vidrio formado en horno |
| Vidrio blando italiano (Effetre/Moretti) | alrededor de 104 | Cuentas trabajadas con lámpara |
Las "reglas" prácticas se derivan de esto:
- Nunca mezcles vidrios de diferentes familias de COE. El boro y el vidrio blando no se mantendrán juntos, y tampoco el vidrio de fundido COE 90 y COE 96. Aunque es una "regla", mi práctica es muy experimental, y disfruto encapsulando vidrio para ver qué pasa.
- Dentro de una familia, usa varillas, colores, frit y hilo de soplete vendidos para ese sistema. Para el borosilicato, eso significa colores hechos para ser compatibles con el transparente COE 33.
- Un número a juego es una fuerte guía, no una garantía: los vidrios también difieren en viscosidad, por lo que incluso dos vidrios vendidos como el mismo COE pueden ocasionalmente discrepar. Los rangos "probados como compatibles" han sido verificados por el fabricante.
Cómo probar la compatibilidad
- La prueba del hilo (tirón). Funde las puntas de dos varillas juntas lado a lado, tira del vidrio unido en un hilo fino y déjalo enfriar. Si el hilo se mantiene recto, los vidrios son compatibles. Si se curva, no lo son: cuanto más fuerte la curva, mayor es el desajuste.
- El polariscopio. Une una pequeña pieza de prueba al vidrio transparente de tu sistema, recócala, y mírala entre dos filtros polarizadores cruzados con luz detrás. La tensión se muestra como halos brillantes alrededor de la unión; una pieza compatible y bien recocida se ve tranquila. La misma comprobación te dice si una pieza terminada fue correctamente recocida.
Comprendiendo el borosilicato
El borosilicato es un favorito entre los trabajadores profesionales de lámpara para piezas intrincadas y robustas. Su historia, desde el laboratorio de Otto Schott en Jena hasta el estudio, se cuenta en Una historia del vidrio y el trabajo con lámpara.
Alta resistencia térmica
El borosilicato tiene un bajo coeficiente de expansión térmica (COE 33), alrededor de un tercio del del vidrio blando, lo que lo hace resistente al choque térmico. Puede entrar y salir de la llama, con áreas gruesas y delgadas una al lado de la otra, sin agrietarse de inmediato, por lo que puedes trabajar en piezas más grandes o complejas. También necesita más calor para ser moldeado. Las hojas de datos de borosilicato de laboratorio dan estos puntos de referencia:
| Punto | Temperatura | Qué significa |
|---|---|---|
| Punto de trabajo | alrededor de 1.260 °C (2.300 °F) | Lo suficientemente blando para moldear y soplar |
| Punto de ablandamiento | alrededor de 825 °C (1.515 °F) | Comienza a ceder bajo su propio peso |
| Punto de recocido | alrededor de 560 °C (1.040 °F) | La tensión interna se relaja en minutos |
| Transición vítrea | alrededor de 525 °C (980 °F) | Por debajo de esto, la estructura está congelada |
Las varillas de colores varían ligeramente, así que sigue el programa de recocido que tu proveedor de vidrio recomienda. El boro normalmente se trabaja en un soplete alimentado con gas combustible y oxígeno, lo que trae sus propios requisitos de seguridad: ver El estudio.
Trabajando con precisión
Como el vidrio de borosilicato soporta calentamientos repetidos y es más rígido que el vidrio blando cuando está caliente, las secciones finas mantienen su forma donde las pongas. Se mueve más lentamente, por lo que recompensa la paciencia y el control preciso del soplete. Esto es ideal para estructuras finas e intrincadas, como varillas retorcidas y delicadas formas huecas, y para joyas que hay que llevar puestas todos los días.
Por qué el borosilicato es adecuado para la joyería
- Resistencia al choque térmico. Un colgante puede pasar de una mano cálida al aire frío sin agrietarse.
- Durabilidad química. Resiste el agua, el sudor, el jabón y la mayoría de los productos químicos de uso diario, por lo que su superficie se mantiene transparente y brillante.
- Resistencia en formas finas. Una vez recocido correctamente, permite crear piezas finas y ligeras que son robustas para su tamaño. Pero sigue siendo vidrio: una caída sobre piedra puede romperlo. Requiere cuidado.
Colores y fritas
Al combinar vidrios o añadir color, ten siempre en cuenta el COE para evitar fracturas por tensión. El borosilicato solo funciona con colores y fritas diseñados para él, así que elige materiales fabricados para un COE 33 y prueba los colores desconocidos antes de usarlos en una pieza terminada.
Ahora que sabemos qué es el vidrio, la siguiente entrada continúa su larga historia, desde las primeras cuentas de Mesopotamia hasta el soplete: Una historia del vidrio y el trabajo con soplete.
Pon a prueba lo aprendido10 preguntas
Elige una respuesta en cada pregunta y comprueba tus resultados al final.
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01What kind of solid is glass?
Its atoms are bonded together but not arranged in a repeating pattern: the disorder of a liquid, frozen in place.
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02What is the main component of most glass?
Silica forms a network of linked tetrahedra. It is the same compound that forms quartz, arranged without order.
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03Why do glassmakers add network modifiers such as sodium and calcium?
Pure silica only melts above about 1,700 °C. Modifiers open up the network so the glass melts and works at lower temperatures.
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04What is devitrification?
Too much time at heat, or dirt on the rod, lets crystals start to grow. Glassworkers call it devit.
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05Why are some old church windows thicker at the bottom?
At room temperature glass is far below its glass transition. Medieval glass would flow about a nanometre in a billion years.
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06What is the typical COE of borosilicate glass?
COE 33 means it grows 33 × 10⁻⁷ of its length per °C: about a third of soft glass, which is why it resists thermal shock.
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07What happens when two glasses with very different COE are fused?
One glass pulls against the other as it shrinks. Annealing cannot fix a mismatch in expansion.
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08What is "soft glass" in lampworking?
Soft glass works at lower temperatures and has a wide colour range, but it expands far more than borosilicate.
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09In the stringer pull test, what does a curved thread tell you?
A straight thread means the glasses agree. The stronger the curve, the bigger the mismatch.
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10Which pair of qualities makes borosilicate well suited to jewelry?
It survives temperature changes and resists water, sweat and soap. It is still glass, though: she asks for care.
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