Vidro

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Fachada de um prédio com janelas de vidro

Em ciência dos materiais o vidro é uma substância sólida e amorfa, que apresenta temperatura de transição vítrea.[1] No dia a dia o termo se refere a um material cerâmico transparente geralmente obtido com o resfriamento de uma massa líquida à base de sílica.

Em sua forma pura, o vidro é um óxido metálico transparente, de elevada dureza, essencialmente inerte e biologicamente inativo, que pode ser fabricado com superfícies muito lisas e impermeáveis. Estas propriedades desejáveis conduzem a um grande número de aplicações. No entanto, o vidro geralmente é frágil, quebra-se com facilidade. O vidro comum se obtém por fusão em torno de 1.250 °C de dióxido de silício, (SiO2), carbonato de sódio (Na2CO3) e carbonato de cálcio (CaCO3).

Estrutura microscópica[editar | editar código-fonte]

A estrutura amorfa de sílica vítrea (SiO2) em duas dimensões. Não existe ordem de longo alcance, porém a ordem de curto alcance respeita o arranjo tetraédrico do oxigênio (O) ao redor do silício (Si)
Microscopicamente, um cristal único possui átomos em uma disposição periódica quase perfeita; um policristal é composto por muitos cristais microscópicos; e um sólido amorfo, como o vidro, não tem disposição periódica mesmo em escala microscópica.

A definição padrão de vidro (ou sólido vítreo) é um sólido formado por uma rápida têmpera.[2] Porém, o termo vidro é utilizado de uma forma mais ampla, caracterizando qualquer material de estrutura cristalina amorfa e que possua um estado de temperatura de transição vítrea.[3]

O vídro é um sólido amorfo. Mesmo que em escala atômica a estrutura do vidro compartilhe características da estrutura de um líquido resfriado, ele apresenta todas as propriedades mecânicas de um sólido.[4] Como em outros sólidos amorfos, a estrutura cristalina de um material vítreo não apresenta estrutura cristalina de longa ordem que normalmente é observada em sólidos cristalinos. Devido à restrições de ligações químicas, vidros possuem uma alta quantidade de estrutura cristalina de curta ordem.[5]

Sólido versus líquido[editar | editar código-fonte]

Existem controvérsias quanto aos mecanismos de caracterização do vidro na transição do estado líquido para o sólido. Em meados da década de 1980 R.C. Plumb propôs que os vidros de antigas catedrais eram mais grossos na base, pois teriam escoado com o tempo.[6] Essa ideia perdura até os dias de hoje, muito embora já tenha sido provada matematicamente falsa. Edgar D. Zanotto em 1998 publicou artigo na revista American Association of Physics, com um cálculo a partir da seguinte equação:

τ = η / G

em que τ é o tempo de relaxação, η é viscosidade (Pa·s) e G o Módulo de cisalhamento (Pa). Em 1999, foi publicada uma revisão do cálculo tomando como base o valor de viscosidade de equilíbrio do vidro na temperatura ambiente. O novo resultado foi de 10²³ anos,[7] ou seja, mais de 2 nonilhões , sendo assim impossível qualquer escoamento perceptível nos poucos milhares de anos de uma catedral.

Formação a partir de um líquido super-resfriado[editar | editar código-fonte]

Ver artigo principal: Transição vítrea
Problema não resolvido em física:

Qual é a natureza da transição entre um fluido (ou um sólido regular) e uma fase vítrea? "O problema não resolvido mais profundo e interessante na teoria do estado sólido é provavelmente a teoria da natureza do vidro e da transição vítrea." —P.W. Anderson[8]

Para a técnica de resfriamento rápido de um líquido, se o resfriamento for suficientemente rápido (em relação ao tempo característico de cristalização) a cristalização é impedida e, em vez disso, a configuração atômica desordenada do líquido super-resfriado é congelada no estado sólido em Tg. A tendência de um material a formar vidro quando resfriado é chamada de habilidade de formação de vidro. Essa habilidade pode ser prevista pela teoria da rigidez.[9][10] Geralmente, um vidro existe em um estado estruturalmente metaestável em relação à sua forma cristalina, embora em certas circunstâncias, por exemplo, em polímeros atacticos, não haja um análogo cristalino da fase amorfa.[11]

O vidro às vezes é considerado um líquido devido à sua falta de uma transição de fase de primeira ordem, na qual certas variáveis termodinâmicas, como volume, entropia e entalpia, são descontínuas através da faixa de transição vítrea. A transição vítrea pode ser descrita como análoga a uma transição de fase de segunda ordem, na qual as variáveis termodinâmicas intensivas, como a expansividade térmica e a capacidade térmica, são descontínuas. No entanto, a teoria de equilíbrio das transformações de fase não se aplica ao vidro e, portanto, a transição vítrea não pode ser classificada como uma das transformações de fase clássicas nos sólidos.[3][12]

Ocorrência na natureza[editar | editar código-fonte]

Vidro pode ser formado naturalmente através de lava vulcânica. Obsidiana é um tipo comum de vidro com uma alta quantidade de sílica (SiO2) em sua composição química.[13] Impactito são uma foma de vidro que são resultantes de impactos de meteoritos. Moldavita (encontrada no centro e oriente da Europa) e no deserto de vidro do Líbano são exemplos notáveis.[14] A vitrificação do Quartzo pode também ocorrer quando um raio atinge areia, formando uma estrutura dendrítica chamada Fulgurito. Trinitita é um resíduo vítreo formado no solo do deserto do Campo de Teste de Mísseis de White Sands.[15]

Vidro e o meio ambiente[editar | editar código-fonte]

Ainda não se pode determinar o tempo que o vidro fica exposto no meio ambiente sem se degradar

O vidro é um material cujo tempo de degradação no meio ambiente é indeterminado, no entanto, é totalmente reciclável. Além disso, do ponto de vista energético e ambiental, o consumo e produção do material se mostraram mais vantajosos que o PET, se atendida a condição de reciclagem do produto a partir de um valor crítico, estimado em 80%.[16][17]

Composição[editar | editar código-fonte]

Imagem mostrando um vidro plano. A coloração esverdeada se dá pela presença de impurezas como o óxido de ferro.

São basicamente compostos por areia, calcário, barrilha, alumina, corantes e descorantes. As matérias primas que compõem o vidro são os vitrificantes, fundentes e estabilizantes.

Os vitrificantes são usados para dar maior característica à massa do vidro e são compostos de anidrido sílico, anidrido bórico e anidrido fosfórico.

Os fundentes possuem a finalidade de facilitar a fusão da massa silícea, e são compostos de óxido de sódio e óxido de potássio.

Os estabilizantes têm a função de impedir que o vidro composto de silício e álcalis seja solúvel, e são: óxido de cálcio, óxido de magnésio e óxido de zinco.

A sílica, matéria prima essencial, apresenta-se sob a forma de areia; de pedra cinzenta; e encontra-se no leito dos rios e das pedreiras.

O óxido de alumínio é um componente de quase todos os tipos de vidro. Certos componentes dos medicamentos ou de soluções nutritivas podem incorporar o alumínio do vidro e causar intoxicação.[18]

Depois da extração das pedras, da areia e moenda do quartzo, procede-se a lavagem a fim de eliminar-se as substâncias argilosas e orgânicas; depois o material é posto em panelões de matéria refratária, para ser fundido.

A mistura vitrificável alcança o estado líquido a uma temperatura de cerca de 1.300°C e, quando fundem as substâncias não solúveis surgem à tona e são retiradas. Depois da afinação, a massa é deixada para o processo de repouso, de assentamento, até baixar a 800°C, para ser talhada.

Tipos de vidros[editar | editar código-fonte]

Obsidiana: vidro formado naturalmente.

Silicato[editar | editar código-fonte]

O dióxido de silício (SiO2) é um componente fundamental comum do vidro. O quartzo fundido é um vidro feito a partir de sílica química pura.[19] Ele possui uma expansão térmica muito baixa e excelente resistência ao choque térmico, sendo capaz de sobreviver à imersão em água enquanto ainda está quente, resiste altas temperaturas (1000-1500 °C), ao intemperismo químico e também é muito duro. Também é transparente em uma gama espectral mais ampla do que o vidro comum, estendendo-se do visível para o UV e o IR e é às vezes usado onde a transparência para essas ondas é necessária. O quartzo fundido é usado em aplicações de alta temperatura, como tubos de forno, tubos de iluminação, cadinhos de forno, etc. No entanto, sua alta temperatura de fusão (1723 °C) e viscosidade o tornam difíceis de trabalhar. Portanto, normalmente, outras substâncias (fluidos) são adicionadas para baixar a temperatura de fusão e simplificar o processamento de vidro.[20]

Cristal[editar | editar código-fonte]

O vidro soda-cal é um tipo de vidro composto principalmente por soda (carbonato de sódio, Na2CO3), cal (óxido de cálcio, CaO, geralmente obtido a partir de calcário) e magnésia (óxido de magnésio, MgO). A soda atua como um aditivo comum e tem o efeito de baixar a temperatura de transição vítrea do vidro. No entanto, o silicato de sódio é solúvel em água, por isso a cal, juntamente com o óxido de magnésio e o óxido de alumínio (Al2O3), são comumente adicionados para melhorar a estabilidade química. O vidro soda-cal-silicato (Na2O + CaO + MgO + Al2O3) representa mais de 75% do vidro fabricado, contendo cerca de 70 a 74% de sílica em peso.[19][21] Esse tipo de vidro é transparente, facilmente formado e é o mais adequado para vidros de janelas e utensílios de mesa.[22] No entanto, possui uma alta expansão térmica e pouca resistência ao calor.[22] O vidro soda-cal é geralmente usado para janelas, garrafas, lâmpadas e potes.

Outros[editar | editar código-fonte]

Ver também[editar | editar código-fonte]

Referências

  1. Elliott, S.R. (1994) Amorphous Solids: An Introduction. In: Catlow, C. R. A. (eds.), "Defects and Disorder in Crystalline and Amorphous Solids", NATO Advanced Studies Institutes Series; Series C, Mathematical and Physical Sciences, 418, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht: 73-86. ISBN 0792326105.
  2. Zallen, R. (1983). The Physics of Amorphous Solids. New York: John Wiley. pp. 1–32. ISBN 978-0-471-01968-8.
  3. a b Scholze, Horst (1991). Glass : nature, structure, and properties. New York: [s.n.] OCLC 22889723 
  4. Neumann, Florin (8 de abril de 2007). «Glass: Liquid or Solid - Science vs. an Urban Legend». Consultado em 9 de abril de 2007. Arquivado do original em 28 de fevereiro de 2001 
  5. Salmon, Philip S. (outubro de 2002). «Amorphous materials: Order within disorder». Nature Materials (2): 87–88. ISSN 1476-1122. PMID 12618817. doi:10.1038/nmat737. Consultado em 4 de julho de 2021 
  6. Plumb, R. C. (1989) Antique windowpanes and the flow of supercooled liquids. Journal of Chemical Education, 66(12): 994-996.
  7. "Do cathedral glasses flow?" Edgar D. Zanotto & Prabhat K. Gupta - American Journal of Physics - March 1999 - Volume 67, Issue 3, pp. 260-262 March 1999
  8. Anderson, P.W. (1995). «Through the Glass Lightly». Science. 267 (5204): 1615–16. PMID 17808155. doi:10.1126/science.267.5204.1615-e 
  9. Phillips, J. C. (1 de outubro de 1979). «Topology of covalent non-crystalline solids I: Short-range order in chalcogenide alloys». Journal of Non-Crystalline Solids (em inglês) (2): 153–181. ISSN 0022-3093. doi:10.1016/0022-3093(79)90033-4. Consultado em 26 de fevereiro de 2023 
  10. Phillips, J.C. (1979). «Topology of covalent non-crystalline solids I: Short-range order in chalcogenide alloys». Journal of Non-Crystalline Solids. 34 (2): 153. Bibcode:1979JNCS...34..153P. doi:10.1016/0022-3093(79)90033-4 
  11. Folmer, J.C.W.; Franzen, Stefan (2003). «Study of polymer glasses by modulated differential scanning calorimetry in the undergraduate physical chemistry laboratory». Journal of Chemical Education. 80 (7): 813. Bibcode:2003JChEd..80..813F. doi:10.1021/ed080p813 
  12. Elliott, S. R. (1984). Physics of amorphous materials. London: Longman. OCLC 9280269 
  13. «Obsidian: Igneous Rock - Pictures, Uses, Properties». geology.com. Consultado em 15 de novembro de 2022 
  14. «Impactites: Impact Breccia, Tektites, Moldavites, Shattercones». geology.com. Consultado em 15 de novembro de 2022 
  15. Giaimo, Cara (30 de junho de 2017). «The Long, Weird Half-Life of Trinitite». Atlas Obscura (em inglês). Consultado em 15 de novembro de 2022 
  16. Souza, William José de; Silva, Sidinei Silvério da (2019). «Economia solidária: o caso das cooperativas de reciclagem de Maringá-PR / Solidarity economy: the case of the recycling cooperatives of Maringá-PR». Brazilian Applied Science Review (1): 417–438. ISSN 2595-3621. Consultado em 20 de janeiro de 2021 
  17. «Energy and environmental analysis of glass container production and recycling». Energy (em inglês) (12): 2137–2143. 1 de dezembro de 2009. ISSN 0360-5442. doi:10.1016/j.energy.2008.09.017. Consultado em 20 de janeiro de 2021 
  18. Maria Guimarães (outubro de 2013). «Alumínio nas veias». Pesquisa Fapesp. Consultado em 18 de novembro de 2023 
  19. a b Chawla, Sohan L. (1993). Materials selection for corrosion control. Rajeshwar K. Gupta. Materials Park, OH: [s.n.] OCLC 759213440 
  20. «Glass - Chemistry Encyclopedia - structure, reaction, water, uses, elements, metal, property». www.chemistryexplained.com. Consultado em 8 de janeiro de 2023 
  21. Ullmann, Fritz (1996) [1985]. Ullmann's encyclopedia of industrial chemistry. Wolfgang Gerhartz, Y. Stephen Yamamoto, F. Thomas Campbell, Rudolf Pfefferkorn, James F. Rounsaville, Fritz Ullmann 5.ª ed. Weinheim, Federal Republic of Germany: VCH. OCLC 11469727 
  22. a b Kultermann, Eva (2017). Construction materials, methods and techniques : building for a sustainable future. William P. Spence 4.ª ed. Boston, MA: [s.n.] OCLC 942849393 
  23. Anderson Rocha, Anderson Rocha. «Fabricante e Vidraçaria Porto Alegre». vidracariaportoalegre.com. Vidraçaria Porto Alegre. Consultado em 22 de março de 2018 

Ligações externas[editar | editar código-fonte]

O Commons possui uma categoria com imagens e outros ficheiros sobre Vidro