Do que é feito o vidro?

Afinal, do que é feito o vidro? O vidro é um material muito difundido e conhecido, de difícil definição, mas que pode ser entendido como sendo um sólido amorfo que passou pelo fenômeno da transição vítrea. Não existe uma única matéria-prima para o vidro, uma vez que materiais vítreos podem ter composições químicas distintas, podendo ser de matriz inorgânica, orgânica ou até mesmo metálica.

Os vidros inorgânicos são os mais comuns, destacando-se os vidros silicatos cujo componente majoritário é o SiO₂ (sílica). Em geral, vidros são produzidos mediante fusão e adição de agentes específicos para melhorar sua qualidade final antes de serem devidamente moldados.

Leia também: O que é e para que serve a fibra de vidro?

Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre o vidro
• 2 - O que é o vidro?
  • Transição vítrea
• 3 - Matéria-prima do vidro
• 4 - Características do vidro
• 5 - Como é feito o vidro comum?
• 6 - É verdade que o vidro é feito de areia?
• 7 - Vidro temperado
• 8 - Quem descobriu o vidro?

Resumo sobre o vidro

• O vidro é um sólido amorfo obtido após o fenômeno da transição vítrea.
• Na transição vítrea, o líquido é resfriado abruptamente, o que evita a formação da rede sólida cristalina.
• Os vidros podem ser inorgânicos, orgânicos ou metálicos.
• O vidro mais comum é o vidro silicato, cujo componente majoritário é o SiO₂ (sílica).
• A sílica também é o principal componente da areia, por isso, é possível dizer que o vidro é feito de areia, embora este não seja o único componente necessário.
• Também há um número considerável de vidros que pode ser feito sem a presença de sílica.
• Em geral, vidros são obtidos mediante fusão do material formador, com posterior adição de agentes que buscam melhorar sua qualidade final, até que sejam moldados e resfriados.

O que é o vidro?

Mesmo sendo um material amplamente difundido e conhecido, cientificamente é difícil definir o vidro (ou corpos vítreos). Por mais que, em temperatura ambiente, tenham aparência de um sólido, corpos vítreos não podem ser considerados como tal, uma vez que não apresentam uma estrutura cristalina característica do estado sólido. Assim, estruturalmente, as semelhanças entre o vidro e o estado sólido são muito pouco evidentes, o que limita e torna insuficiente a inclusão desses materiais como sólidos propriamente ditos.

Alguns chegam a dizer que vidros são líquidos de viscosidade infinita, mas ocorre que é difícil justificar tal designação — embora muito aplicada — quando o material vítreo apresenta uma estabilidade típica do estado sólido. Por isso, é comum considerar os vidros como sendo sólidos não cristalinos, ou seja, sólidos amorfos, sem uma estrutura cristalina organizada típica.

Assim, uma boa forma de definir o vidro é pensar nesse material como sendo um sólido amorfo que apresenta o fenômeno da transição vítrea.

• Transição vítrea

A transição vítrea é um fenômeno que ocorre durante o processo de resfriamento do material líquido. De modo geral, uma amostra líquida, ao ser resfriada até seu ponto de solidificação (B, no gráfico), irá, aos poucos, aumentar o grau de compactação de suas partículas, com elevação de sua densidade (B para C, no gráfico), até que elas se ordenem num vasto arranjo ordenado de moléculas que se repete para toda a extensão, o chamado arranjo cristalino (C para D, no gráfico).

Suponhamos, entretanto, que, um líquido sofra uma redução brusca de temperatura, muito rápida, de modo que não houve tempo suficiente para o arranjo ordenado das partículas (B para E, no gráfico). Assim, chega-se a um líquido super-resfriado, em que não houve possibilidade de formação do arranjo cristalino.

Concomitante a esse resfriamento abrupto do líquido, ocorre um aumento da sua viscosidade. Chega-se a um ponto em que a viscosidade é tão alta, que uma movimentação de moléculas é praticamente impossível. A partir desse momento, o material ainda apresenta a característica estrutural do líquido (moléculas amontoadas de forma aleatória, sem um arranjo definido), mas passa a se comportar de maneira muito semelhante a um sólido cristalino.

Esse fenômeno que foi descrito acima é a transição vítrea (ponto E, no gráfico). Essa transição vítrea ocorrerá em uma temperatura específica (T_TV, no gráfico), de modo que, acima dela, o material irá se comportar como um líquido, mas, abaixo dela, ele se comportará como um sólido, sendo o vidro que conhecemos.

Veja também: Afinal, o vidro é líquido ou sólido?

Matéria-prima do vidro

Não existe uma única matéria-prima para o vidro, uma vez que materiais vítreos podem ter composições químicas distintas, até porque vidros não obedecem às proporções estequiométricas. Dessa forma, os vidros são divididos em três grupos químicos:

• inorgânicos,
• orgânicos e
• metálicos.

Os vidros inorgânicos são maioria e cada grupo específico recebe seu nome em função da substância de composição majoritária. Dentro dos vidros inorgânicos, destacam-se os vidros óxidos, sendo o mais comum e importante, por conta de suas aplicações históricas, o vidro silicato cujo componente majoritário é o SiO₂.

Características do vidro

As principais características do vidro podem ser deduzidas a partir do seu comportamento durante o processo de resfriamento. Assim sendo, a característica mais importante é a de que vidros não possuem estrutura cristalina, muito por conta do processo de resfriamento abrupto, com conseguinte elevação da viscosidade, o que impede o ordenamento regular das partículas.

Consequentemente, termodinamicamente falando, pode-se dizer que vidros são solidificados em um estado instável e, portanto, apresentam uma energia interna maior do que a correspondente para a estrutura cristalina de mesma composição. Essa maior energia das partículas do vidro força as mesmas a buscarem um estado mais estável (embora ainda mais energético que o estado cristalino), em um fenômeno conhecido como relaxação estrutural.

Vidros também podem apresentar uma transição reversível, a depender das condições térmicas, entre o estado vítreo e o estado líquido, sem o surgimento de fases cristalinas. Do ponto de vista mecânico, de modo geral, vidros são frágeis, porém não são fracos. Possuem boa resistência à ruptura, sendo duros (difícil de riscar) e rígidos (resistentes à deformação elástica), podendo ser utilizados, por exemplo, em pisos. Contudo, não são tenazes (baixa resistência ao impacto) e, portanto, não são apropriados para aplicações sujeitas a impactos.

Vidros são maus condutores de calor, oferecendo resistência à transferência de calor. Quando se coloca um líquido quente dentro de um copo, a superfície vítrea em contato com esse líquido quente se aquece e, consequentemente, dilata-se. Já a superfície externa, ainda fria, não se dilata. O resultado disso é a formação de tensões de tração na superfície fria e, a depender das condições, o vidro pode não suportar e se quebrar (choque térmico). Assim, quanto menos o vidro se dilatar, menos propício a choques térmicos ele será.

A quebra ocorre na superfície fria do vidro, que é o local de ocorrência da tração. Tal ruptura apresenta maior probabilidade de acontecimento quando o vidro está quente e sofre um resfriamento rápido. Por isso, ao retirar uma peça de vidro de um forno, por exemplo, não se deve colocá-la imediatamente sob a água fria da torneira ou qualquer superfície muito fria. O vidro tem sua resistência a choque térmico aumentada a partir da têmpera e por meio de alteração na composição química.

Vidros também apresentam grande durabilidade química, embora não possam ser considerados inertes. São bastante resistentes a soluções ácidas ou levemente básicas, mas sofrem ataques químicos de soluções com pH acima de 9. Uma exceção de composto ácido que ataca o vidro é o ácido fluorídrico (HF).

Do ponto de vista óptico, os vidros, por não terem uma estrutura cristalina, mas sim amorfa em todas as direções, apresentam a característica de serem isotrópicos, ou seja, suas propriedades não dependem da posição em que são analisadas. Assim, uma massa de vidro homogênea e não sujeita a tensão é opticamente isotrópica.

Um feixe de luz incidente sobre uma superfície vítrea terá parte da luz sendo refletida, enquanto o restante passa pelo material. Como há uma maior densidade em relação ao ar, o feixe de luz é refratado (desviado). Ao sair do material, o feixe repete o fenômeno da reflexão e da refração. Vidros mais densos apresentam a característica de serem mais brilhantes, sendo empregados na produção de peças mais nobres, como lustres.

Como é feito o vidro comum?

Embora o vidro possa ser feito de diversas formas, boa parte desse material continua sendo feito pela fusão de seus componentes, em elevadas temperaturas. A seguir, será descrito a forma básica de manufatura de vidros comuns (ou planos), os quais também são chamados de vidros recozidos. Vidros comuns servem como base para a formatação de materiais mais elaborados.

Inicialmente, portanto, durante o processo de aquecimento, as matérias-primas passam por diversas transformações físicas e químicas para produzir o fundido. O fundido deve ser convertido em um líquido homogêneo e, dessa forma, pode haver a remoção de bolhas, impurezas ou materiais não fundidos. Na constituição de um vidro, vão cinco tipos de materiais:

• o formador,
• o fundente,
• o agente modificador,
• o agente de cor e
• o agente de refino.

O agente formador é o responsável pela formação da rede tridimensional amorfa, sendo os principais formadores comerciais o SiO₂ (sílica), o B₂O₃ e o P₂O₅. Contudo, boa parte dos vidros comerciais são baseados em sílica. Contudo, como a sílica funde a elevadas temperaturas (acima dos 2000 °C), vidros de sílica pura são caros e, portanto, surgem os fundentes, com a função de reduzir a temperatura de processamento para valores abaixo de 1600 °C.

Os principais fundentes são os óxidos de metais alcalinos (lítio, sódio e potássio), além do PbO. O vidro silicato de soda-lima (uma mistura de óxidos de sódio e cálcio) é o tipo mais comum e menos caro. A soda-lima atua como fundente. Porém, a adição de óxidos alcalinos leva à piora de algumas propriedades dos vidros, como menor durabilidade química (estabilidade frente a ácidos, bases e água). Nesse contexto, são adicionados os agentes modificadores, em geral óxidos de metais de transição e terras raras e, principalmente, a alumina (Al₂O₃).

Os agentes de refino, por conseguinte, são adicionados para promover a remoção de bolhas que podem ser geradas no fundido. São utilizados em uma pequena quantidade e, geralmente, designam tal papel os óxidos de antimônio e arsênio, além de KNO₃, NaNO₃, NaCl, CaF₂, NaF, Na₃AlF₃ e alguns sulfatos. Já os agentes de cor, como o nome deixa a entender, são utilizados para conferir cor aos vidros. Para isso, são adicionados compostos de metais de transição ou de terras raras.

 A tabela a seguir mostra a cor trazida por alguns metais:

Após a obtenção de um fundido homogêneo, o líquido será levado para a moldagem, de forma a se obter vidros em formatos específicos. A moldagem do vidro pode ser feita de quatro formas:

• sopro,
• prensagem,
• fundição e
• estiramento ou flutuação.

Para a obtenção do vidro plano comum, o processo mais empregado é o de estiramento ou flutuação. Nesse método, uma larga lâmina de vidro derretido é estirada em um tanque de estanho (também derretido). Daí o porquê da técnica ser chamada de flutuação, pois o vidro acaba “flutuando” uniformemente sobre uma superfície perfeitamente lisa de estanho fundido. Como o vidro se solidifica a uma temperatura maior que o estanho, ele pode ser facilmente removido. O interessante desse método é que o vidro obtido apresenta ambos os lados brilhantes, o que dispensa a necessidade de polimento.

Após serem moldados, os vidros seguem para uma etapa conhecida como recozimento, que ocorre em temperaturas abaixo, inferiores à temperatura de transição vítrea, e cuja finalidade é a remoção de tensões que podem vir a ser criadas durante a moldagem, evitando que o vidro se estilhasse devido à tensão resultante do resfriamento desigual.

É verdade que o vidro é feito de areia?

A areia apresenta como componente majoritário a sílica, SiO₂, um dos principais componentes químicos na composição de vidros. Então, sim, é possível dizer que o vidro é feito de areia. Contudo, o processo não envolve o mero derretimento de cristais de areia para a confecção do vidro. Como dito anteriormente, outros componentes são necessários (agentes fundentes, agentes de refino e agentes de cor).

Além disso, vale dizer também que um número considerável de vidros pode ser feito sem a presença de sílica, como os orgânicos, os metálicos e até mesmo alguns inorgânicos.

Vidro temperado

O vidro temperado é um vidro que passa por um processo de têmpera, após a obtenção do vidro recozido. Na têmpera, o vidro pronto e já recozido é reaquecido até se tornar maleável. Posteriormente, em condições controladas, o vidro é resfriado abruptamente com rajadas de ar frio ou pela imersão em óleo. O objetivo da têmpera é aumentar significativamente a resistência mecânica do vidro. O vidro temperado também é mais resistente ao vento, calor e pressão.

Outra vantagem é que vidros temperados, quando quebrados, formam fragmentos pequenos, regulares e sem pontas, o que diminui a probabilidade de acidentes mais graves. Contudo, acabam sendo mais caros (uma vez que passam por um processo térmico adicional) e não podem ser cortados, perfurados ou remodelados.

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Quem descobriu o vidro?

Nem sempre o vidro foi fabricado pelo ser humano. Vidros naturais (obsidianas e tectitos, por exemplo), formados quando alguns tipos de rochas são fundidas a elevadas temperaturas e, em seguida, solidificadas rapidamente — algo possível após erupções vulcânicas —, já haviam sido descobertos pelos humanos da Idade da Pedra, o que os auxiliou na confecção de ferramentas para corte e defesa.

Tanta utilidade e importância fez com que tais materiais alçassem destaque nas sociedades vindouras. Os egípcios, por exemplo, consideravam vidros naturais como materiais preciosos, colocando-os, inclusive, em adornos nas tumbas e nas máscaras mortuárias dos antigos faraós. Porém, o período inicial de fabricação do vidro pelo ser humano, como é o caso de todo material muito antigo, é, infelizmente, incerto.

Plínio, um grande naturalista romano, nascido em 23 d.C., atribui aos fenícios a obtenção de vidros, conforme é possível observar na sua enciclopédia Naturalis Historia. Segundo seu relato, os fenícios, ao desembarcarem na costa da Síria, há cerca de 7000 anos, improvisaram fogões usando blocos de salitre sobre a areia. Com o tempo, passaram a perceber que escorria uma substância líquida e brilhante a partir do fogo vivo, a qual se solidificava rapidamente.

Os relatos ainda indicam que os fenícios buscaram se aprimorar na técnica, chegando a reproduzi-la de maneira a obter ferramentas úteis para seu dia a dia. Posteriormente, o vidro seguiu seu caminho, difundindo-se através do Egito e da Mesopotâmia, até que se consolidou em todos os continentes.

Fontes

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