Vidrios y espejos
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Autores: Silvia Cerdeira, Helena Ceretti y
Eduardo Reciulschi. Responsable disciplinar:
Silvia Blaustein. Área disciplinar:
Química. Temática: Aplicaciones de
materiales de interés tecnológico. Nivel:
Secundario, ciclo orientado. Secuencia didáctica
elaborada por Educ.ar. |
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Propósitos generales
• Promover el uso de los equipos portátiles en el proceso de enseñanza y aprendizaje.• Promover el trabajo en red y colaborativo, la discusión y el intercambio entre pares, la realización en conjunto de la propuesta, la autonomía de los alumnos y el rol del docente como orientador y facilitador del trabajo.
• Estimular la búsqueda y selección crítica de información proveniente de diferentes soportes, la evaluación y validación, el procesamiento, la jerarquización, la crítica y la interpretación.
Introducción a las actividades
El vidrio es uno de los materiales más empleados por las sociedades modernas. Todos lo conocemos por su transparencia y fragilidad, por sus diferentes usos, formas y colores.
Básicamente, el vidrio se obtiene por fusión a aproximadamente 1500 ºC de arena (dióxido de silicio o SiO2), soda solvay (carbonato de sodio o Na2CO3) y piedra caliza (carbonato de calcio o CaCO3).
El vidrio en su estado natural fue uno de los primeros materiales utilizados por el hombre antes de que fuera capaz de fabricarlo artificialmente. El hombre primitivo utilizó la obsidiana (una piedra vítrea oscura), de origen volcánico, para la obtención de piezas largas y puntiagudas, como cuchillos, puntas de flecha y lanzas.
Algunos afirman que los fenicios descubrieron el vidrio por casualidad al hacer un gran fuego sobre arena, rodeado con cierto tipo de rocas. Con el tiempo, los fenicios elaboraron vidrio con propósitos decorativos, agregándole diferentes minerales para obtener diversas tonalidades.
Esta tecnología se fue extendiendo por el mundo, y en el Imperio romano se llegó –aunque de manera bastante rudimentaria– a la técnica del soplado, lo que permite la elaboración del envase de vidrio. En el siglo XI la técnica se perfeccionó en Alemania. En la misma época surgieron los primeros espejos de vidrio en España.
A fines del siglo XVIII, el proceso de fabricación de vidrio se fue mejorando, haciendo del vidrio un material comercialmente accesible para toda la población, y para 1820 en América ya se comercializaban ventanas producidas utilizando estas nuevas técnicas.
Objetivos de las actividades
Que los alumnos:
• Identifiquen los elementos que componen el vidrio y reconocer su estructura espacial.• Conozcan las principales características de los distintos tipos de vidrios.
• Exploren las posibilidades del vidrio como un material ambientalmente amigable.
Actividad 1. El componente del vidrio
Desde el punto de vista de su estructura, el componente principal del vidrio (dióxido de silicio) es en realidad un sólido molecular tridimensional cuya estructura básica repetitiva es el ión silicato (u ortosilicato) SiO44-, una forma piramidal tetraédrica con un átomo de silicio en el centro ligado simétricamente a cuatro átomos de oxígeno en los vértices (ver secuencia didáctica «Uniones covalentes II»).
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Figura 1. Estructura química del anión ortosilicato (SiO44-) |
El vidrio es un sólido amorfo que se forma cuando el dióxido de silicio se enfría rápidamente a una determinada temperatura llamada temperatura de transición vítrea (una temperatura en la que las moléculas tienen ya muy poca movilidad).
La velocidad de este enfriamiento hace que se forme una «red» aleatoria de estos tetraedros de dióxido de silicio unidos por sus vértices, en lugar de una estructura cristalina.
La diferencia entre las estructuras cristalina y amorfa es que la primera tiene un gran orden estructural u orden de largo alcance, mientras la otra es más «desordenada». En la Figura 2 se pueden apreciar las diferencias entre ambos tipos de estructura. A la izquierda observamos una red ordenada (cada tetraedro representa un anión SiO44-), típica de un sólido cristalino. A la derecha las mismas unidades están distribuidas al azar representando un sólido amorfo. Cuando la sílice fundida solidifica rápidamente forma una red tridimensional desordenada o amorfa.
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Figura 2. Representación esquemática de un compuesto cristalino y uno amorfo. |
Desde el punto de vista tecnológico, para reducir el alto punto de fusión y la gran viscosidad del dióxido de silicio, se agrega carbonato de sodio, que al calentarse libera dióxido de carbono e incorpora óxido de sodio al vidrio.
Na2CO3 → Na2O + CO2 (g)
De este modo, los átomos de sodio-oxígeno ingresan a la red de silicio-oxígeno. Las ecuaciones globales pueden escribirse como sigue:
Na2CO3 + SiO2 → Na2SiO3 + CO2 (g) a 550 ºC (1)
Na2SiO3 + SiO2 → (Na2O) . (SiO2)2 a 700 ºC (2)
Estos componentes se conocen como formadores de redes.
Nota: Las ecuaciones permiten visualizar la cantidad y el tipo de átomos que intervienen en una reacción química, pero son limitadas a la hora de mostrar la estructura tridimensional de un compuesto, la cual sí puede apreciarse mediante técnicas de rayos X. Por esta razón es que la unidad ortosilicato (SiO44-) no se observa claramente en las ecuaciones.
Otros componentes principales del vidrio moderno: el calcio y el magnesio ingresan a la estructura de red como modificadores de red y la acción de estos modificadores es hacer más complejas las estructuras para que cuando se fusionan los componentes durante el proceso de enfriado sea más difícil que los átomos se organicen en configuraciones adecuadas para que se produzca la cristalización.
La siguiente reacción ocurre de modo similar que la observada en la ecuación (1)
CaCO3 + SiO2 → CaSiO3 + CO2 (g)
Por otra parte, hay algunos componentes que, al incluirse, le confieren características especiales a los vidrios, estos son algunos de ellos:
• Vidrio de borosilicato. Este vidrio contiene bórax entre sus ingredientes fundamentales, junto con los ya descriptos. Su característica fundamental es la resistencia a los ataques químicos y las altas temperaturas, por lo que se utiliza mucho en recipientes para la cocina, aparatos de laboratorio y equipos para procesos químicos.• Vidrio al plomo. El vidrio fino empleado para cristalerías de mesa y conocido como cristal es el resultado de fórmulas que combinan silicato de potasio con óxido de plomo. El vidrio al plomo es pesado y refracta más la luz, por lo que resulta apropiado también para fabricar lentes o prismas.
Por último, el color es un aspecto importante en la fabricación del vidrio. Las impurezas en las materias primas empleadas pueden afectar el color del vidrio, por lo que suele agregarse manganeso para obtener una sustancia clara e incolora.
También puede preferirse el vidrio coloreado. La coloración puede obtenerse añadiendo a la mezcla óxidos metálicos, sulfuros o seleniuros. Por ejemplo, pequeñas cantidades de hierro producen vidrios de tonos verdes y pardos.
En Oro por cuentas de vidrio encontrarán información más completa sobre el vidrio y sus componentes
a) Con el programa ChemSketch 12.0 representen la estructura del SiO44-, tanto plana (en 2 dimensiones) como pirámide de base trigonal (3 dimensiones). Los átomos pueden transformarse en iones empleando la paleta de signos (+) que aparece a la izquierda de la pantalla.
Si disponen de conexión a internet, abran el programa ChemSketch > solapa Add ons > Search Pub Chem, que les dará más información sobre las propiedades de esta estructura.
b) Con el programa Writer, realicen un informe acerca de las características estructurales y las reacciones involucradas en la fabricación del vidrio y los principales tipos de vidrio. Utilicen las estructuras diseñadas para ilustrar el informe.
Actividad 2. Hacer un espejo
Técnicamente hablando, un espejo es cualquier superficie pulida en la que la luz se pueda reflejar en alta proporción, mayor a 90%.
Los espejos de vidrio que ahora nos son sumamente familiares fueron inventados en el siglo XIII. A partir de allí comenzaron a aparecer dispositivos basados en espejos, por ejemplo el telescopio, que le permitió a Galileo demostrar el movimiento de la Tierra alrededor del Sol.
En el video «La historia detrás del vidrio» pueden ver cómo se fabrica industrialmente un espejo de vidrio.
Los espejos también pueden hacerse de modo artesanal, por eso van a fabricar uno.
Precauciones
Atención: La solución de plateado químico y sus residuos son inestables. Durante su preparación pueden producirse salpicaduras. El almacenamiento de esta solución está absolutamente desaconsejado ya que al descomponerse puede romper el frasco y otros frascos cercanos. Hacer únicamente la cantidad necesaria para platear la superficie deseada.
Materiales
• Un trozo de vidrio plano bien limpio para platear• 5 vasos de plástico
• Un marcador
• Varillas de vidrio
• 1 gotero
• 1 filtro de café
• 1 frasco oscuro de 250 ml (o envuelto en papel de aluminio)
• 1 recipiente o vasija de vidrio
• Nitrato de plata 11 gramos
• Hidróxido de sodio 5 gramos
• Amoníaco concentrado 10-20 ml
• Glucosa 5 gramos
• Agua desmineralizada 250 ml
• Guantes descartables
• Guardapolvo
• Anteojos de seguridad
• Balanza
Procedimiento
1. Ponerse los guantes, el guardapolvo y los anteojos de seguridad.
2. En uno de los vasos, se disuelven 10 gramos de nitrato de plata en 50 ml de agua. A esta solución la llamaremos A.
3. En un segundo vaso se disuelve 1 gramo de nitrato de plata en 25 ml de agua. A esta solución la llamaremos B.
4. En un tercer vaso se disuelven 5 gramos de hidróxido de sodio en 50 ml de agua y se la deja enfriar (la reacción es exotérmica). A esta solución la llamaremos C.
5. Añadimos a la solución A, gota a gota, amoníaco concentrado. Veremos que la solución se pone turbia y se produce un precipitado de óxido de plata; al seguir añadiendo veremos que el óxido de plata se redisuelve y que la solución se aclara. Seguir añadiendo gota a gota y agitando con una varilla de vidrio hasta que la solución quede totalmente clara. Con el gotero añadimos poco a poco y agitando con una varilla un poco de la solución B hasta que se enturbie ligeramente. El objetivo de esta acción es evitar que haya un exceso de amoníaco en el compuesto.
6. Agregar lentamente y con agitación la solución C. En esta operación de nuevo se enturbiará el líquido.
7. Añadir gota a gota amoníaco, agitando hasta que el líquido se aclare prácticamente. Atención: tengan cuidado de no añadir amoníaco en exceso; se debe evitar que el líquido quede totalmente transparente.
8. Con un gotero añadir muy despacio, mientras se agita, el líquido de la solución B hasta que se enturbie ligeramente y se forme un poco de precipitado color marrón o negro.
9. Filtrar la solución empleando el papel de filtro sobre un vaso.
10. Transferir el líquido filtrado al frasco, completar hasta 250 ml y reservarlo en la oscuridad. Esta será la solución de plateado.
11. Disolver 4 gramos de glucosa en 125 ml de agua. Esta será la solución reductora.
12. Colocar el objeto limpio a platear en el fondo de una vasija de vidrio. Mezclar dos partes de la solución de plateado y una parte de la solución reductora en cantidades suficientes para cubrir al menos con un centímetro de líquido la superficie a platear.
13. A los pocos segundos de mezclar las dos soluciones el vidrio comienza a oscurecerse, primero adoptando un color marrón hasta alcanzar el negro: entonces se ven aparecer los primeros brillos de la plata. La deposición de plata continúa durante unos 10 minutos en los que la solución empieza a adoptar un color grisáceo o marrón. Entonces ya se puede descartar la solución porque la plata que se deposite no será adherente. Si no se requieren capas muy gruesas se pueden diluir las soluciones una o dos veces. Una vez empleada la solución no puede reutilizarse.
14. Una vez depositada la plata, quitar el líquido de plateado, enjuagar el objeto y dejarlo con agua durante media hora para que la plata se asiente bien. Aunque se haya depositado una gruesa capa de plata, al principio es bastante blanda y se puede desprender fácilmente, así que hay que manejarla con precaución. Las últimas capas de plata depositadas son mates o pulverulentas, y es conveniente eliminarlas frotándolas suavemente con un algodón humedecido. Si se requiere que la plata quede más brillante aún puede pulirse con material para abrillantar lentes.
Actividad 3. Reutilización y reciclado de vidrio
Una de las grandes ventajas del vidrio frente a otros materiales es que es amigable con el medio ambiente.
Debido a la facilidad para su lavado, los envases de vidrio permiten su reutilización, tratándolos simplemente con una solución limpiadora caliente. Por esta razón es que algunos productos comerciales que vienen en botellas de vidrio llevan la inscripción «envase retornable», la cual indica que el envase será lavado y rellenado.
De todos modos, dado que la reutilización consume agua tanto para la solución limpiadora como para el enjuague posterior, es necesario pensar en dispositivos que minimicen el agua empleada en el proceso, ya que la misma constituye un recurso vital para los seres humanos
Por otra parte, el vidrio puede ser reciclado. El vidrio de desecho es un sustituto de algunas materias primas utilizadas para la fabricación del vidrio.
El procedimiento consiste en moler previamente el vidrio a reciclar formando un «cascote», para luego agregarlo a la mezcla de fundición. De este modo se ahorra aproximadamente entre un 30 a 40% de las materias primas a utilizar.
En el video «Reciclaje del vidrio» se puede ver cómo es el proceso de reciclado de vidrio.
Empleando el programa Draw y la información recolectada, realizar un póster para una campaña a favor del empleo del envase de vidrio en tu comunidad.