características del estado vítreo vidrios o cuerpos vítreos

CARACTERÍSTICAS DEL ESTADO VÍTREO
VIDRIOS O CUERPOS VÍTREOS
GRAN VARIEDAD DE SUSTANCIAS QUE, AUNQUE A
TEMPERATURA AMBIENTE TIENEN LA APARIENCIA DE
CUERPOS SÓLIDOS,
QUE LES PROPORCIONA SU RIGIDEZ MECÁNICA,
NO PUEDEN CONSIDERARSE COMO TALES, YA QUE
CARECEN DE LA ESTRUCTURA CRISTALINA QUE
CARACTERIZA Y DEFINE AL ESTADO SÓLIDO
SI POR LA ESTABILIDAD DE SU FORMA LOS VIDRIOS PODRÍAN
ASIMILARSE A SÓLIDOS, DESDE EL PUNTO DE VISTA DE SU
DESORDEN ESTRUCTURAL SUS SEMEJANZAS CON LOS
LÍQUIDOS SON MUCHO MÁS ACUSADAS.
ESTE HECHO, QUE CONSTITUYE UNA LIMITACIÓN PARA INCLUIR A
LOS VIDRIOS ENTRE LOS SÓLIDOS, RESULTA SIN EMBARGO
INSUFICIENTE PARA AUTORIZAR A ACEPTARLOS COMO LÍQUIDOS, SI
BIEN PUEDE JUSTIFICAR LA DESIGNACIÓN DE LÍQUIDOS DE
VISCOSIDAD INFINITA QUE SE LES HA APLICADO
X-ray diffraction studies of glasses have shown that while
glasses have short-range order, they clearly lack longrange order and can therefore be classified as solids in
which the atomic arrangement is more characteristic of
liquids
IF A LIQUID IS COOLED RAPIDLY ENOUGH SUCH THAT THE ATOMS
DO NOT HAVE ENOUGH TIME TO REARRANGE THEMSELVES IN A
CRYSTALLINE PATTERN BEFORE THEIR MOTION IS ARRESTED, A
GLASS IS FORMED
As a consequence of their structure, glasses exhibit many
properties that crystalline solids do not; most notably,
9glasses do not have unique melting points but rather
soften over a temperature range.
9their viscosity increases gradually as the temperature is
lowered.
En un gas se mantiene prácticamente constante como corresponde a una
distribución aleatoria de átomos.
En el caso de líquidos y sólidos amorfos no podemos hablar de periodicidad pero
se observa una fuerte modulación que efectivamente indica un cierto grado de
corto alcance.
En el sólido cristalino las direcciones de dispersión están perfectamente bien
definidas dando lugar a las líneas típicas de difracción.
SI SE PARTE DE UN CONCEPTO DE CUERPO SÓLIDO QUE
PRESCINDA DE LA CRISTALINIDAD Y SE BASE EXCLUSIVAMENTE EN
DETERMINADAS PROPIEDADES FÍSICAS PODRÍA APLICARSE A
LOS VIDRIOS EL NOMBRE DE SÓLIDOS AMORFOS, CON TAL
DE QUE ESTA DENOMINACIÓN SE RESERVARA PARA BAJAS
TEMPERATURAS.
POR OTRA PARTE, SE HA COMPROBADO QUE LOS VIDRIOS
PRESENTAN MAYOR GRADO DE ORDENACIÓN ESTRUCTURAL (ORDEN
DE CORTO ALCANCE) QUE LOS CUERPOS AMORFOS.
LA ORDENACIÓN SE LIMITA A UN PEQUEÑO ENTORNO ALREDEDOR DE
CADA UNO DE LOS IONES QUE FORMAN EL RETÍCULO, A DIFERENCIA
DE LA PERIODICIDAD DE LARGO ALCANCE QUE GUARDA LA
ESTRUCTURA DE LOS SÓLIDOS CRISTALINOS.
POR ESO, PARA ESTABLECER ESTA DIFERENCIA, SE EMPLEA
TAMBIÉN PARA LOS VIDRIOS, CON MAYOR ADECUACIÓN QUE
EL ANTERIOR, EL NOMBRE DE SÓLIDOS NO CRISTALINOS.
MATERIALES EN EL ESTADO SÓLIDO
CRISTALINOS
NO CRISTALINOS
AMORFOS
SEMICRISTALINOS
PRESENTAN MAYOR
LOS ÁTOMOS
PRESENTAN
NO EXISTE
GRADO DE
ADOPTAN
ORDENAMIENTO UNA PARTE
ORDENACIÓN
DISPOSICIONES
AMORFA Y
PERIÓDICO, NI
ORDENADAS Y ESTRUCTURAL (ORDEN DE CORTO NI DE
OTRA
REPETITIVAS DE DE CORTO ALCANCE)
CRISTALINA
LARGO
LARGO ALCANCE QUE LOS CUERPOS
ALCANCE
AMORFOS.
FORMANDO
ESTRUCTURAS
LA ORDENACIÓN SE
TRIDIMENSIONALES LIMITA A UN PEQUEÑO
PERIÓDICAS.
ENTORNO ALREDEDOR
EL CONOCIMIENTO DE LAS
DE CADA UNO DE LOS
POSICIONES ATÓMICAS
IONES QUE FORMAN EL
DE UNA REGIÓN NO NOS
RETÍCULO, A
PERMITE PREDECIR CUÁLES
DIFERENCIA DE LA
SERÁN LAS POSICIONES
PERIODICIDAD DE
ATÓMICAS EN OTRA REGIÓN
LARGO ALCANCE QUE
MÁS O MENOS DISTANTE
EXISTE EN LA
ESTRUCTURA DE LOS
SÓLIDOS CRISTALINOS
BUILDING BLOCK
(NO EXISTE LA CELDILLA UNIDAD)
LAS MOLÉCULAS DE UN VIDRIO NO ESTÁN COLOCADAS EN UN
ORDEN REPETITIVO DE LARGO ALCANCE COMO OCURRE EN UN
SÓLIDO CRISTALINO, SINO QUE CAMBIAN SU ORIENTACIÓN DE UNA
MANERA ALEATORIA EN TODO EL SÓLIDO.
EL DIÓXIDO DE SILICIO (SiO2), PRESENTA ESTA PROPIEDAD SEGÚN
COMO SEA ENFRIADO, CUANDO ES CRISTALINO FORMA EL CUARZO
Y CUANDO ES AMORFO FORMA EL VIDRIO DE SÍLICE.
MATERIAL PLASTICO SEMICRISTALINO
De una manera un tanto simplificada podríamos establecer
dos grandes grupos de materiales vítreos. En uno de ellos
incluiríamos las CERÁMICAS VÍTREAS basadas en los
silicatos con cantidades variables de diferentes óxidos
como el de sodio o el de calcio, que como veremos juegan
un papel fundamental en la
estructura y propiedades del vidrio.
En el otro gran grupo incluiríamos los VIDRIOS
METÁLICOS formados a partir de diversas aleaciones
metálicas como Cu-Zr, Fe-Ni-Cr-Pb-B,
que con las composiciones adecuadas y sometidas a las
condiciones de enfriamiento pertinentes darán lugar a
materiales no cristalinos con interesantes propiedades.
EN EL CASO DE LOS VIDRIOS METÁLICOS EL ENFRIAMIENTO DEBE
SER EXTRAORDINARIAMENTE RÁPIDO (MÁS DE UN MILLÓN DE
GRADOS POR SEGUNDO), MIENTRAS QUE LOS VIDRIOS SILICATOS NO
PRESENTAN UNA TENDENCIA A LA CRISTALIZACIÓN TAN GRANDE Y
POR TANTO NO SE REQUIEREN ENFRIAMIENTOS TAN RÁPIDOS.
COMPORTAMIENTO FRENTE A LA SOLIDIFICACIÓN
LOS VIDRIOS CARECEN DE UN VERDADERO PUNTO DE FUSIÓN, QUE SÓLO
PRESENTAN LOS SÓLIDOS CRISTALINOS Y QUE ES LA TEMPERATURA A LA
CUAL LA FASE CRISTALINA COEXISTE EN EQUILIBRIO CON LA FASE FUNDIDA.
LOS CUERPOS VÍTREOS PASAN DE UN MODO
REVERSIBLE DE SU FORMA FUNDIDA AL ESTADO
RÍGIDO O CONGELADO SIN LA APARICIÓN DE
NINGUNA NUEVA FASE EN EL SISTEMA.
EL PASO DE UNA FORMA A OTRA TRANSCURRE
POR LO TANTO, SIN VARIAR EL NÚMERO DE
GRADOS DE LIBERTAD DEL SISTEMA.
REGLA DE LAS FASES
Comparacion del comportamiento del
volumen especifico con la temperatura de
materiales cristalinos y no cristalinos. Los
materiales cristalinos solidifican a la
temperatura de fusion Tm.
La temperatura de transicion vitrea, Tg, es
una característica del estado no cristalino.
F + L = C+2
LA TRANSICIÓN LÍQUIDO-SÓLIDO SE
CARACTERIZA POR LA APARICIÓN DE
UNA NUEVA FASE Y LA DISMINUCIÓN
CONSIGUIENTE EN UNO DE SUS
GRADOS DE LIBERTAD.
TEMPERATURA DE TRANSICION VITREA, Tg
POR DEBAJO Tg SE CONSIDERA QUE EL MATERIAL ES UN VIDRIO, POR
ENCIMA, PRIMERO ES UN LÍQUIDO SUBENFRIADO, Y, FINALMENTE, UN
LÍQUIDO.
SE TRANSFORMA DESDE
UN ESTADO PLÁSTICO,
BLANDO Y ELÁSTICO A UN
ESTADO VIDRIOSO,
QUEBRADIZO Y RÍGIDO EN
UN MARGEN REDUCIDO
DE TEMPERATURAS,
DONDE LA PENDIENTE DE
LA CURVA DEL VOLUMEN
ESPECIFICO FRENTE A LA
TEMPERATURA ES
MARCADAMENTE
DECRECIENTE.
LECCION 2 - VIDRIO
SIN ENTRAR EN CONSIDERACIONES ESTRUCTURALES NI CINÉTICAS, LA
CAUSA QUE DETERMINA LA CONGELACIÓN DE UNA SUSTANCIA EN
ESTADO VÍTREO RADICA EN EL PROGRESIVO AUMENTO DE LA
VISCOSIDAD QUE SE PRODUCE DURANTE SU ENFRIAMIENTO, QUE IMPIDE
LA AGRUPACIÓN ORDENADA DE SUS ELEMENTOS CONSTITUYENTES
PARA FORMAR UNA RED CRISTALINA.
POR OTRA PARTE, GENERALMENTE, ES RECONOCIDO QUE CASI
CUALQUIER SUSTANCIA, ENFRIANDOLA SUFICIENTEMENTE RÁPIDO,
PODRÍA SER OBTENIDA EN EL ESTADO VITREO.
LOS LÍQUIDOS MÁS COMUNES, CUANDO ESTÁN EN ESTADO PURO Y EN
FORMA DE PEQUEÑAS GOTAS, PUEDEN SER SUBENFRIADOS, ANTES DE QUE
SE PRODUZCA LA CRISTALIZACIÓN ESPONTÁNEA. PUEDEN SER
SUBENFRIADOS DENTRO DEL 20 POR CIENTO DE SU TEMPERATURA DE
FUSIÓN ANTES DE QUE, ESPONTÁNEAMENTE, VUELVAN A LA FORMA
CRISTALINA QUE ES LA TERMODINAMICAMENTE ESTABLE.
OTROS LÍQUIDOS, PUEDEN SER SUBENFRIADOS, DE TAL MODO QUE NO
CRISTALIZAN Y, EVENTUALMENTE, SE FORMA UN VIDRIO.
LOS LÍQUIDOS QUE FORMAN VIDRIOS, SON A MENUDO, AUNQUE NO SIN
EXCEPCIÓN, LOS LÍQUIDOS MUY VISCOSOS EN EL PUNTO DE FUSIÓN. LOS
LÍQUIDOS QUE NO FORMAN VIDRIOS TIENEN VISCOSIDADES MUCHO MÁS
PEQUEÑAS.
ES IMPORTANTE SEÑALAR QUE LA DIFICULTAD QUE PUEDE
PRESENTARSE EN LA FORMACIÓN DE CRISTALES, PUEDE SER DEBIDA A
UNA ALTA VISCOSIDAD DEL LIQUIDO O FUNDIDO A LA TEMPERATURA DE
FUSIÓN, O TAMBIÉN A LA MAGNITUD DEL CAMBIO DE REORDENAMIENTO
DE LOS ÁTOMOS (CAMBIO DE LA ENTROPÍA CONFIGURACIONAL), QUE
ES NECESARIO LLEVAR A CABO PARA QUE LOS CRISTALES PUEDAN
FORMARSE, CUANDO SE REALIZA UN ENFRIAMIENTO A UNA VELOCIDAD
NORMAL
DEFINICIÓN VIDRIO
LA DEFINICIÓN ADOPTADA POR LA A.S.T.M. CONSIDERA QUE UN VIDRIO ES UN
PRODUCTO INORGÁNICO FUNDIDO QUE SE HA ENFRIADO HASTA UN ESTADO RÍGIDO
SIN EXPERIMENTAR CRISTALIZACIÓN.
SI ÚNICAMENTE SE CONSIDERAN SUS PRINCIPALES PROPIEDADES TÉCNICAS, EL
VIDRIO COMÚN PUEDE DEFINIRSE COMO UN PRODUCTO INORGÁNICO NO CRISTALINO,
CONSTITUIDO PREDOMINANTEMENTE POR SÍLICE (UN VIDRIO TÍPICO DE CAL Y SOSA
ESTA FORMADO POR APROXIMADAMENTE 70 % EN PESO DE SiO2, EL RESTO ES
PRINCIPALMENTE Na2O Y CaO) , DURO, FRÁGIL Y TRANSPARENTE, DE ELEVADA
RESISTENCIA QUÍMICA Y DEFORMABLE A ALTA TEMPERATURA.
MOREY PROPONE LA SIGUIENTE DEFINICIÓN: UN VIDRIO ES UNA SUSTANCIA
INORGÁNICA EN UNA CONDICIÓN ANÁLOGA A LA DE SU ESTADO LÍQUIDO Y CONTINUA
CON ÉSTE, QUE, COMO CONSECUENCIA DE UN CAMBIO REVERSIBLE EN SU VISCOSIDAD
DURANTE EL ENFRIAMIENTO, HA ALCANZADO UN GRADO DE VISCOSIDAD TAN
ELEVADO COMO PARA PODER CONSIDERARSE RÍGIDA A EFECTOS PRÁCTICOS.
LA COMISIÓN DE TERMINOLOGÍA DE LA ACADEMIA RUSA DE CIENCIAS NO ESTABLECE
NINGUNA EXCLUSIÓN BASADA EN LA CONSTITUCIÓN QUÍMICA Y ENUNCIA QUE BAJO LA
DENOMINACIÓN DE VIDRIO SE DESIGNAN TODOS LOS SÓLIDOS AMORFOS OBTENIDOS
POR ENFRIAMIENTO DE UNA MASA FUNDIDA, CUALQUIERA QUE SEA SU COMPOSICIÓN
QUÍMICA Y LA ZONA DE TEMPERATURA EN LA QUE TIENE LUGAR LA SOLIDIFACIÓN.
DEBIDO AL AUMENTO DE VISCOSIDAD DURANTE EL ENFRIAMIENTO, LOS VIDRIOS
ADQUIEREN ALGUNAS PROPIEDADES DE LOS SÓLIDOS. LA TRANSICIÓN DEL ESTADO
LÍQUIDO AL ESTADO VÍTREO HA DE SER REVERSIBLE.