Tradicionalmente se ha considerado que la materia podía presentarse bajo tres formas: la sólida, la líquida y la gaseosa. Nuevos medios de investigación de su estructura íntima —particularmente durante el siglo — han puesto al descubierto otras formas o estados en los que la materia puede presentarse. Por ejemplo el estado mesomorfo[16]​ (una forma líquida con sus fases esmécticas,[17]​ nemáticas[18]​ y colestéricas[19]​), el estado de plasma "Plasma (estado de la materia)") (o estado plasmático, propio de gases ionizados a muy altas temperaturas) o el estado vítreo, entre otros.

Los cuerpos en estado vítreo se caracterizan por presentar un aspecto sólido con cierta dureza y rigidez y que ante esfuerzos externos moderados se deforman de manera generalmente elástica. Sin embargo, al igual que los líquidos, estos cuerpos son ópticamente isótropos, transparentes a la mayor parte del espectro electromagnético de radiación visible. Cuando se estudia su estructura interna a través de medios como la difracción de rayos X, da lugar a bandas de difracción difusas similares a las de los líquidos. Si se calientan, su viscosidad va disminuyendo paulatinamente —como la mayor parte de los líquidos— hasta alcanzar valores que permiten su deformación bajo la acción de la gravedad, y por ejemplo tomar la forma del recipiente que los contiene como verdaderos líquidos. No obstante, no presentan un punto claramente marcado de transición entre el estado sólido y el líquido o "punto de fusión".[20]​.

Todas estas propiedades han llevado a algunos investigadores a definir el estado vítreo no como un estado de la materia distinto, sino simplemente como el de un líquido subenfriado o líquido con una viscosidad tan alta que le confiere aspecto de sólido sin serlo.[21]​[22]​ Esta hipótesis implica la consideración del estado vítreo como un estado metaestable al que una energía de activación suficiente de sus partículas debería conducir a su estado de equilibrio, es decir, el de sólido cristalino.

En apoyo de esta hipótesis se aduce el hecho experimental de que, calentado un cuerpo en estado vítreo hasta obtener un comportamiento claramente líquido (a una temperatura suficientemente elevada para que su viscosidad sea inferior a los 500 poises, por ejemplo), si se enfría lenta y cuidadosamente, aportándole a la vez la energía de activación necesaria para la formación de los primeros corpúsculos sólidos (siembra de microcristales, presencia de superficies activadoras, catalizadores de nucleación, etc.) suele solidificarse dando lugar a la formación de conjuntos de verdaderos cristales sólidos.

Todo parece indicar que los cuerpos en estado vítreo no presentan una ordenación interna determinada, como ocurre con los sólidos cristalinos.[20]​ Sin embargo en muchos casos se observa un desorden ordenado, es decir, la presencia de grupos ordenados que se distribuyen en el espacio de manera total o parcialmente aleatoria.

Esto ha conducido a diferentes investigadores a plantear diversas teorías sobre la estructura interna del estado vítreo, tanto de tipo geométrico, basadas tanto en las teorías atómicas como en las de tipo energético.

Según la teoría atómica geométrica, en el sílice sólido cristalizado el átomo de silicio se halla rodeado de cuatro átomos de oxígeno situados en los vértices de un tetraedro cada uno de los cuales le une a los átomos de silicio vecinos. Una vista en planta de este ordenamiento se esquematiza en la figura 1, en la que el cuarto oxígeno estaría encima del plano de la página. Cuando este sílice pasa al estado vítreo, la ordenación tetraédrica se sigue manteniendo a nivel individual de cada átomo de silicio, aunque los enlaces entre átomos de oxígeno y silicio se realizan en un aparente desorden,[23]​ que sin embargo mantiene una organización unitaria inicial (véase la figura 2).

No obstante, ninguna de estas teorías es suficiente para explicar el comportamiento completo de los cuerpos vítreos aunque pueden servir para responder, en casos concretos y bien determinados, a algunas de las preguntas que se plantean.

Las sustancias susceptibles de presentar un estado vítreo pueden ser tanto de naturaleza inorgánica como orgánica, entre otras:.

Vidrios de sílice

Se denomina sílice "Óxido de silicio (IV)") a un óxido de silicio de fórmula química SiO. Se presenta en estado sólido cristalino bajo diferentes formas enanciotrópicas. Las más conocidas son el cuarzo (la más frecuente y estable a temperatura ambiente), la cristobalita y las tridimitas. Además de estas formas, se han llegado a identificar hasta veintidós fases diferentes, cada una de ellas estable a partir de una temperatura perfectamente determinada.

Cuando se calienta el cuarzo lentamente, este va pasando por distintas formas enanciotrópicas hasta alcanzar su punto de fusión a 1723 °C. A esta temperatura se obtiene un líquido incoloro y muy viscoso que si se enfría con relativa rapidez, se convierte en una sustancia de naturaleza vítrea a la que se suele denominar vidrio de cuarzo.

Este vidrio de cuarzo presenta un conjunto de propiedades de gran utilidad y de aplicación en múltiples disciplinas: en la investigación científica, tecnológica, en la vida doméstica y en general en todo tipo de industria. Se destacan como más relevantes las siguientes:.

Otras propiedades, sin embargo, dificultan su elaboración y utilización. En particular, las siguientes:.

Vidrios de silicato sódico

Las sales más comunes de sodio tienen puntos de fusión por debajo de los 900 °C. Cuando se calienta una mezcla íntima de cuarzo finamente dividido con una sal de estos metales alcalinos, por ejemplo NaCO, a una temperatura superior a los 800 °C se obtiene inicialmente una fusión de la sal alcalina, cuyo líquido rodea a los granos de cuarzo, produciéndose una serie de reacciones que pueden englobarse en la resultante siguiente:.

SiO + NaCO

NaSiO + CO H = -5,12 kcal/mol.

Esta reacción, levemente exotérmica, desprende anhídrido carbónico gaseoso -que burbujea entre la masa en fusión- y conduce a un primer silicato sódico, de punto de fusión 1087 °C.

De acuerdo con la termodinámica, la mezcla de dos sustancias de puntos de fusión diferentes presenta un «punto de liquidus»[24]​ que se sitúa entre los de las dos sustancias en contacto. De esta forma la mezcla de la sílice y el silicato sódico formado da lugar a un producto de SiO y silicatos, ya en estado líquido a temperaturas que no sobrepasan los 1200 °C, lejos de los más de 2000 °C necesarios para preparar el vidrio de cuarzo.

Al producto así obtenido se le da corrientemente el nombre genérico de silicato sódico, si bien con esta denominación se identifica a un conjunto de productos derivados de la fusión del cuarzo con sales sódicas (generalmente carbonatos) en diferentes proporciones de uno y otro componente. Industrialmente se preparan silicatos sódicos con proporciones molares de cada componente situadas entre:.

Estos silicatos sódicos presentan un aspecto vítreo, transparente y muy quebradizo. Para alcanzar una viscosidad del orden de los 1000 poises (necesaria para su moldeado) se precisan temperaturas que, en función de su composición, oscilan entre los 1220 °C para el silicato más rico en SiO, y los 900 °C para el más pobre. Son muy solubles en agua: entre un 35 % y un 50 % en peso de silicato, según el contenido en SiO. Su falta de rigidez mecánica y su solubilidad en agua les hacen inútiles como sustitutos del vidrio de cuarzo en ninguna de sus aplicaciones.

Raramente se presentan en la industria en forma sólida, sino bajo la forma de disolución acuosa. Su solución en agua se utiliza como pegamento cerámico muy eficaz o como materia prima para la producción mediante hidrólisis de gel de sílice, sustancia usada como absorbente de la humedad (torres de secado de gases, etc.) o como componente de ciertos productos tales como neumáticos para vehículos y otras aplicaciones en la industria química.

Su producción se realiza en hornos continuos de balsa calentados mediante la combustión de derivados del petróleo y frecuentemente también con energía eléctrica, a temperaturas lo más elevadas posibles (dentro de una cierta rentabilidad) con el fin de aumentar la productividad del horno. Estas temperaturas suelen situarse entre los 1400 °C y los 1500 °C.

Vidrios de silicato sódico cálcico

Con el fin de obtener un producto con propiedades similares a las del vidrio de cuarzo a temperaturas inferiores y por tanto que sean alcanzables por medios técnicamente rentables, se produce un vidrio de silicato sódico al que se le añaden otros componentes que le hagan más resistente mecánicamente, y que estabilizan la estructura del vidrio para evitar que se disuelva en agua y por tanto sea más inerte a los agentes químicos a temperatura ambiente, y que guarden su transparencia a la luz, al menos en el espectro visible.

Estos componentes son metales alcalinotérreos, en particular magnesio, calcio o bario, además de aluminio y otros elementos en menores cantidades, algunos de los cuales aparecen aportados como impurezas por las materias primas (caso del hierro, el azufre u otros). Las materias primas que se utilizan para la elaboración de vidrios de este tipo se escogen entre aquellas que presenten un menor precio:.

La producción industrial de este tipo de vidrios se realiza, al igual que en el caso de los silicatos sódicos, en hornos para vidrio, generalmente de balsa, calentados mediante la combustión de derivados del petróleo con apoyo, en muchos casos, de energía eléctrica a temperaturas que oscilan entre los 1450 °C y los 1600 °C. En estos hornos se introduce una mezcla en polvo ligeramente humedecida (5 % de agua) y previamente dosificada de las materias primas ya citadas. Esta mezcla de materias minerales reacciona (a velocidades apreciables y, evidentemente, cuanto mayores mejor) para formar el conjunto de silicatos que, combinados y mezclados, darán lugar a esa sustancia a la que se denomina vidrio común.

Las propiedades del vidrio común, son una función tanto de la naturaleza, como de las materias primas, como de la composición química del producto obtenido. Esta composición química se suele representar en forma de porcentajes en peso de los óxidos más estables a temperatura ambiente de cada uno de los elementos químicos que lo forman. Las composiciones de los vidrios silicato sódicos más utilizados se sitúan dentro de los límites que se establecen en la tabla adjunta.

Muchos estudios —particularmente en la primera mitad del siglo — han intentado establecer correlaciones entre lo que se denominó la estructura interna del vidrio —generalmente basada en teorías atómicas— y las propiedades observadas en los vidrios. Producto de estos estudios fueron un conjunto de relaciones, de naturaleza absolutamente empírica, que representan de manera sorprendentemente precisa muchas de esas propiedades mediante relaciones lineales entre el contenido de los elementos químicos que forman un vidrio determinado (expresado bajo la forma del contenido porcentual en peso de sus óxidos más estables) y la magnitud representando dicha propiedad. Curiosamente, las correlaciones con las composiciones expresadas en forma molar o atómica son mucho menos fiables.

Los contenidos en MgO, FeO y SO son consecuencia de las impurezas de la caliza, arena y el sulfato sódico, respectivamente*.*.

La absorción (o transparencia) a la luz de los vidrios de silicato sódico en la zona del espectro visible (0,40 μ a 0,70 μ) depende de su contenido en elementos de transición (Ni y Fe en el ejemplo). Sin embargo, tanto en el ultravioleta como en el infrarrojo el vidrio se comporta prácticamente como un objeto casi opaco, independientemente de cualquiera de estos elementos.

Las principales características del vidrio (su transparencia y su dureza), a pesar de las restricciones impuestas por su principal limitación (su fragilidad), lo convierten en un elemento imprescindible en numerosísimas aplicaciones, formando por sí mismo un grupo de materiales de una enorme importancia económica.

Edificación y arquitectura

Desde mediados del siglo las fachadas de vidrio se han convertido en una seña de identidad casi imprescindible de los grandes edificios de las principales urbes del mundo.[26]​ Estas fachadas suelen estar realizadas mediante piezas de vidrio plano con una amplísima gama de colores, lo que facilita la labor creativa de los arquitectos. Estos vidrios normalmente son sometidos a determinados procesos que mejoran sus propiedades de aislamiento térmico y acústico; y su capacidad de atenuación de la luz exterior.

En las fachadas convencionales el vidrio sigue manteniendo su papel preponderante en las ventanas, integrado en distintos tipos de carpinterías (desde las tradicionales de madera, pasando por las de acero, las de aluminio, y llegando a las de PVC), con vidrios sencillos o vidrios dobles separados por una capa confinada de aire.

Hoy en día, el vidrio se ha convertido en un elemento primordial en la decoración del hogar. Gracias a su elegancia, transmisión de la luz exterior y su transparencia, el vidrio hace que los espacios se conviertan en amplios y limpios. Para ello la elección del vidrio adecuado es muy importante sobre todo para arquitectos y diseñadores que son los que hacen uso de este material para la creación de sus proyectos.

Además, al tener distintos colores y texturas, el vidrio se puede utilizar de formas numerosas en infinidad de elementos, tales como:.

La lana de vidrio se utiliza como aislante térmico y acústico en edificación, colocada entre los paramentos exteriores e interiores de muchas edificaciones.

Existen algunas realizaciones pioneras que han utilizado la fibra de vidrio tratada con resinas para su empleo en pequeños puentes[27]​ y pasarelas, aprovechando las ventajas de su ligereza. Así mismo, se ha planteado el uso de barras de fibra de vidrio para el armado de hormigones, evitando así el efecto de la corrosión sobre las armaduras metálicas en ambientes especialmente agresivos.

Parabrisas

Desde los primeros carruajes acomodados para el transporte de viajeros, todas las empresas de fabricación de medios de transporte (los ferrocarriles, la construcción naval, la industria del automóvil y la industria aeroespacial) están ligadas desde sus orígenes a la realización de los elementos de vidrio utilizados tanto en ventanillas y parabrisas como en los sistemas de iluminación interior y exterior de todo tipo de vehículos. Igualmente, otro elemento ligado a la industria del automóvil es la fabricación de espejos retrovisores.

Un ejemplo claro es la evolución del diseño de los automóviles, que pasó de utilizar vidrios planos en exclusiva, a integrar sofisticados elementos de vidrio curvado en parabrisas y ventanas. Tanto la industria aeroespacial como la automovilística se han beneficiado y a su vez han hecho notables contribuciones al desarrollo de vidrios cada vez más ligeros y resistentes, como el Gorilla Glass,[28]​ utilizado después con profusión en la fabricación de teléfonos celulares.

Envases

El vidrio (pese a la competencia de envases más baratos como las latas de aluminio o acero; los bricks de cartón encerado o revestido de aluminio; y las botellas de plástico) es todavía uno de los envases usados preferentemente para la comercialización de la mayoría de las bebidas alcohólicas (entre las que se pueden incluir de forma masiva el vino y la cerveza, pese a la progresión de otros tipos de contenedores en estos dos casos), multitud de conservas (especialmente mermeladas y hortalizas, que se benefician de la visibilidad del producto a través del vidrio), refrescos de todo tipo y productos de perfumería como las colonias o determinados productos de belleza (a los que envases de vidrio[29]​ de diseños originales prestan un innegable valor añadido).

Desde la primera mitad del siglo , cuando las empresas de alimentación se encargaban de la recogida de los envases para su limpieza y nueva utilización (práctica habitual por entonces en industrias lácteas, cerveceras y de refrescos), hasta la década de 1980, en la que se generalizó el uso de envases no retornables[30]​ destinados a ser reciclados en la fabricación de nuevas botellas, el vidrio se ha mostrado como uno de los materiales menos contaminantes y de más fácil reciclado.

De igual manera, la industria farmacéutica utiliza frecuentemente envases de vidrio para muchos de sus preparados líquidos como jarabes o inyectables.

Producción de energía

Los sistemas de producción energética como los paneles fotovoltaicos[31]​ y las centrales termosolares utilizan masivamente elementos de vidrio en la captación de la energía solar. En el caso de las placas fotovoltaicas, protegen las células de silicio (y finalmente concentran la luz), y en el caso de las centrales termosolares son el elemento clave de los espejos captadores (y en algunos sistemas, también de los colectores por donde circulan los fluidos con los que se acumula el calor del sol).

La mejora de las propiedades de estos vidrios (coste, transparencia, estabilidad térmica y química, resistencia a la suciedad y a los agentes ambientales...) es clave en la rentabilidad de las costosas inversiones necesarias para la puesta en servicio de estas instalaciones.

Óptica

Constituye una de las principales aplicaciones específicas del vidrio desde el Renacimiento, cuando se empezaron a producir lentes de calidad con procedimientos cada vez más perfeccionados. Algunas de las bases científicas de la óptica ya se habían sentado anteriormente (desde el año 1000, matemáticos árabes como Alhacen habían estudiado la geometría de los espejos). Sin embargo, no fue hasta que aparecieron Galileo Galilei con su telescopio de lentes, Anton van Leeuwenhoek con su primitivo microscopio, y el propio Isaac Newton con el desarrollo del telescopio de espejos, cuando se establecieron definitivamente las bases de la importancia de los instrumentos ópticos, hasta llegar a los límites teóricos de resolución a comienzos del siglo , con las realizaciones de Carl Zeiss a partir de los descubrimientos teóricos de Ernst Abbe, fundamentadas en la utilización de vidrios de distintos tipos.

Las aplicaciones de la tecnología óptica del vidrio se centran principalmente en los instrumentos para el tratamiento y captación de imágenes; en aparatos científicos para el estudio de la luz; en comunicaciones digitales; y en la corrección oftalmológica de defectos de la vista humana mediante lentes:.

Material de laboratorio

Una gran parte de los equipos de los laboratorios "Material de vidrio (química)") químicos y farmacéuticos (tubos de ensayo, vasos de precipitados, matraces, pipetas, condensadores "Tubo refrigerante (química)"), placas para preparaciones microscópicas...) están realizados con vidrio. En ocasiones se utilizan vidrios especiales, preparados para soportar elevadas temperaturas o determinadas agresiones químicas.

Electrodomésticos

Los televisores utilizan de forma sistemática pantallas de vidrio para proteger los distintos sistemas de píxeles luminosos mediante los que forman las imágenes.

Hornos convencionales, hornos microondas y cocinas vitrocerámicas incluyen en su diseño elementos de vidrio termoresistentes.

De igual manera, las lavadoras incorporan habitualmente una puerta circular de vidrio, y muchos frigoríficos utilizan baldas de vidrio para mejorar la sensación de espacio y la luminosidad interior.

Iluminación

Desde la invención de las lámparas de llama de gas o de petróleo, se han utilizado campanas de vidrio para evitar tanto el apagado de la llama como su propagación accidental. Con la invención de la bombilla de incandescencia eléctrica, la característica ampolla de vidrio que protege el filamento se ha convertido en un elemento insustituible, que se ha ido adaptando progresivamente a los mayores requerimientos térmicos que exigen las lámparas de vapor de sodio, las halógenas (con vidrios de sílice pura) o las de xenón (que emplean vidrios especiales). Incluso en los tubos fluorescentes, cuyas temperaturas de funcionamiento son reducidas, el vidrio que contiene el gas neón es un elemento imprescindible. Solo el desarrollo de los sistemas de luz led (debido a su baja emisión de calor) puede permitir la sustitución del vidrio por materiales plásticos translúcidos, más baratos, ligeros y fáciles de fabricar.

Muchos modelos de lámparas en las que se montan los puntos de luz, utilizan elementos de vidrio para dispersar y dar un determinado aspecto decorativo a la luz que proyectan. En este sentido, pueden citarse las enormes lámparas de araña "Araña (lámpara)") formadas por numerosas piezas de vidrio engarzadas, características de los grandes salones de edificios públicos y privados desde la Época Victoriana hasta la Primera Guerra Mundial.

Teléfonos celulares y dispositivos táctiles

Se ha generalizado el uso de pantallas luminosas (cada vez de mayor tamaño) en teléfonos celulares y dispositivos táctiles, fabricadas con vidrios especialmente resistentes, como el Gorilla Glass.

Relojería

Tradicionalmente, las esferas de los relojes se han protegido con vidrios abombados, adoptándose perfiles planos posteriormente. En el caso de los relojes de pulsera, es un requisito indispensable tanto cuando montan dispositivos de agujas (para evitar que se dañen) como cuando se trata de dispositivos digitales (el vidrio permite mostrar la pantalla hacia el exterior). Los relojes de alta gama suelen montar cristal de zafiro, cuya extraordinaria dureza evita que se rayen fácilmente.

Cocina y menaje

Muchos utensilios de cocina pueden ser de vidrio (como fuentes o boles). La aparición del vidrio borosilicatado capaz de soportar temperaturas muy altas, amplió extraordinariamente el uso del vidrio en la cocina, hasta convertirlo en un material profusamente utilizado en fuentes para preparar asados al horno.

En la mesa, tanto los vasos como todo tipo de copas, así como jarras y los recipientes de la mayoría de los líquidos, suelen ser de vidrio, existiendo así mismo vajillas en las que los platos también son de este material, sustituyendo a la cerámica.

Decoración y bisutería

Vidrios de colores de especial calidad son frecuentemente utilizados en bisutería, sustituyendo a gemas naturales de mucho mayor precio. Un ejemplo es el vidrio de Swarovski, que se utiliza para producir una amplia gama de productos decorativos, así como complementos de moda ligados a la bisutería.

En otro tipo de productos, es frecuente la venta de cuentas de vidrio de colores que se utilizan en la confección de collares y pulseras artesanales, tanto para su comercialización como por puro entretenimiento.

De acuerdo con los datos publicados por la web CIAdvanced,[32]​ las principales industrias fabricantes de vidrio del mundo (la gran mayoría comparten esta actividad con la fabricación de materiales cerámicos), se concentran en Japón, Europa y los Estados Unidos.

El potencial económico de estas empresas es considerable. La mayor de ellas, la francesa Saint-Gobain, facturó 45 000 millones de dólares en 2014 y daba empleo a cerca de 60 000 trabajadores, con unos 3700 dedicados a tareas de investigación y desarrollo. Sus principales clientes son la industria del automóvil, la aeroespacial, las plantas energéticas y la óptica oftalmológica. También es notable el tamaño de las empresas de Japón, que concentra cuatro de las diez primeras.

La más pequeña de las diez, la austriaca RHI AG, en 2014 facturó 1900 millones de dólares, y daba empleo a 8000 trabajadores.

Por otro lado, la empresa estadounidense Owens-Illinois es el mayor fabricante mundial de recipientes de vidrio. Factura 7400 millones de dólares anuales y emplea a 24 000 trabajadores.

(Véase: Fabricación de vidrio).

Tipos de vidrio:.

Tradicionalmente se ha considerado que la materia podía presentarse bajo tres formas: la sólida, la líquida y la gaseosa. Nuevos medios de investigación de su estructura íntima —particularmente durante el siglo — han puesto al descubierto otras formas o estados en los que la materia puede presentarse. Por ejemplo el estado mesomorfo[16]​ (una forma líquida con sus fases esmécticas,[17]​ nemáticas[18]​ y colestéricas[19]​), el estado de plasma "Plasma (estado de la materia)") (o estado plasmático, propio de gases ionizados a muy altas temperaturas) o el estado vítreo, entre otros.

Los cuerpos en estado vítreo se caracterizan por presentar un aspecto sólido con cierta dureza y rigidez y que ante esfuerzos externos moderados se deforman de manera generalmente elástica. Sin embargo, al igual que los líquidos, estos cuerpos son ópticamente isótropos, transparentes a la mayor parte del espectro electromagnético de radiación visible. Cuando se estudia su estructura interna a través de medios como la difracción de rayos X, da lugar a bandas de difracción difusas similares a las de los líquidos. Si se calientan, su viscosidad va disminuyendo paulatinamente —como la mayor parte de los líquidos— hasta alcanzar valores que permiten su deformación bajo la acción de la gravedad, y por ejemplo tomar la forma del recipiente que los contiene como verdaderos líquidos. No obstante, no presentan un punto claramente marcado de transición entre el estado sólido y el líquido o "punto de fusión".[20]​.

Todas estas propiedades han llevado a algunos investigadores a definir el estado vítreo no como un estado de la materia distinto, sino simplemente como el de un líquido subenfriado o líquido con una viscosidad tan alta que le confiere aspecto de sólido sin serlo.[21]​[22]​ Esta hipótesis implica la consideración del estado vítreo como un estado metaestable al que una energía de activación suficiente de sus partículas debería conducir a su estado de equilibrio, es decir, el de sólido cristalino.

En apoyo de esta hipótesis se aduce el hecho experimental de que, calentado un cuerpo en estado vítreo hasta obtener un comportamiento claramente líquido (a una temperatura suficientemente elevada para que su viscosidad sea inferior a los 500 poises, por ejemplo), si se enfría lenta y cuidadosamente, aportándole a la vez la energía de activación necesaria para la formación de los primeros corpúsculos sólidos (siembra de microcristales, presencia de superficies activadoras, catalizadores de nucleación, etc.) suele solidificarse dando lugar a la formación de conjuntos de verdaderos cristales sólidos.

Todo parece indicar que los cuerpos en estado vítreo no presentan una ordenación interna determinada, como ocurre con los sólidos cristalinos.[20]​ Sin embargo en muchos casos se observa un desorden ordenado, es decir, la presencia de grupos ordenados que se distribuyen en el espacio de manera total o parcialmente aleatoria.

Esto ha conducido a diferentes investigadores a plantear diversas teorías sobre la estructura interna del estado vítreo, tanto de tipo geométrico, basadas tanto en las teorías atómicas como en las de tipo energético.

Según la teoría atómica geométrica, en el sílice sólido cristalizado el átomo de silicio se halla rodeado de cuatro átomos de oxígeno situados en los vértices de un tetraedro cada uno de los cuales le une a los átomos de silicio vecinos. Una vista en planta de este ordenamiento se esquematiza en la figura 1, en la que el cuarto oxígeno estaría encima del plano de la página. Cuando este sílice pasa al estado vítreo, la ordenación tetraédrica se sigue manteniendo a nivel individual de cada átomo de silicio, aunque los enlaces entre átomos de oxígeno y silicio se realizan en un aparente desorden,[23]​ que sin embargo mantiene una organización unitaria inicial (véase la figura 2).

No obstante, ninguna de estas teorías es suficiente para explicar el comportamiento completo de los cuerpos vítreos aunque pueden servir para responder, en casos concretos y bien determinados, a algunas de las preguntas que se plantean.

Las sustancias susceptibles de presentar un estado vítreo pueden ser tanto de naturaleza inorgánica como orgánica, entre otras:.

Vidrios de sílice

Se denomina sílice "Óxido de silicio (IV)") a un óxido de silicio de fórmula química SiO. Se presenta en estado sólido cristalino bajo diferentes formas enanciotrópicas. Las más conocidas son el cuarzo (la más frecuente y estable a temperatura ambiente), la cristobalita y las tridimitas. Además de estas formas, se han llegado a identificar hasta veintidós fases diferentes, cada una de ellas estable a partir de una temperatura perfectamente determinada.

Cuando se calienta el cuarzo lentamente, este va pasando por distintas formas enanciotrópicas hasta alcanzar su punto de fusión a 1723 °C. A esta temperatura se obtiene un líquido incoloro y muy viscoso que si se enfría con relativa rapidez, se convierte en una sustancia de naturaleza vítrea a la que se suele denominar vidrio de cuarzo.

Este vidrio de cuarzo presenta un conjunto de propiedades de gran utilidad y de aplicación en múltiples disciplinas: en la investigación científica, tecnológica, en la vida doméstica y en general en todo tipo de industria. Se destacan como más relevantes las siguientes:.

Otras propiedades, sin embargo, dificultan su elaboración y utilización. En particular, las siguientes:.

Vidrios de silicato sódico

Las sales más comunes de sodio tienen puntos de fusión por debajo de los 900 °C. Cuando se calienta una mezcla íntima de cuarzo finamente dividido con una sal de estos metales alcalinos, por ejemplo NaCO, a una temperatura superior a los 800 °C se obtiene inicialmente una fusión de la sal alcalina, cuyo líquido rodea a los granos de cuarzo, produciéndose una serie de reacciones que pueden englobarse en la resultante siguiente:.

SiO + NaCO

NaSiO + CO H = -5,12 kcal/mol.

Esta reacción, levemente exotérmica, desprende anhídrido carbónico gaseoso -que burbujea entre la masa en fusión- y conduce a un primer silicato sódico, de punto de fusión 1087 °C.

De acuerdo con la termodinámica, la mezcla de dos sustancias de puntos de fusión diferentes presenta un «punto de liquidus»[24]​ que se sitúa entre los de las dos sustancias en contacto. De esta forma la mezcla de la sílice y el silicato sódico formado da lugar a un producto de SiO y silicatos, ya en estado líquido a temperaturas que no sobrepasan los 1200 °C, lejos de los más de 2000 °C necesarios para preparar el vidrio de cuarzo.

Al producto así obtenido se le da corrientemente el nombre genérico de silicato sódico, si bien con esta denominación se identifica a un conjunto de productos derivados de la fusión del cuarzo con sales sódicas (generalmente carbonatos) en diferentes proporciones de uno y otro componente. Industrialmente se preparan silicatos sódicos con proporciones molares de cada componente situadas entre:.

Estos silicatos sódicos presentan un aspecto vítreo, transparente y muy quebradizo. Para alcanzar una viscosidad del orden de los 1000 poises (necesaria para su moldeado) se precisan temperaturas que, en función de su composición, oscilan entre los 1220 °C para el silicato más rico en SiO, y los 900 °C para el más pobre. Son muy solubles en agua: entre un 35 % y un 50 % en peso de silicato, según el contenido en SiO. Su falta de rigidez mecánica y su solubilidad en agua les hacen inútiles como sustitutos del vidrio de cuarzo en ninguna de sus aplicaciones.

Raramente se presentan en la industria en forma sólida, sino bajo la forma de disolución acuosa. Su solución en agua se utiliza como pegamento cerámico muy eficaz o como materia prima para la producción mediante hidrólisis de gel de sílice, sustancia usada como absorbente de la humedad (torres de secado de gases, etc.) o como componente de ciertos productos tales como neumáticos para vehículos y otras aplicaciones en la industria química.

Su producción se realiza en hornos continuos de balsa calentados mediante la combustión de derivados del petróleo y frecuentemente también con energía eléctrica, a temperaturas lo más elevadas posibles (dentro de una cierta rentabilidad) con el fin de aumentar la productividad del horno. Estas temperaturas suelen situarse entre los 1400 °C y los 1500 °C.

Vidrios de silicato sódico cálcico

Con el fin de obtener un producto con propiedades similares a las del vidrio de cuarzo a temperaturas inferiores y por tanto que sean alcanzables por medios técnicamente rentables, se produce un vidrio de silicato sódico al que se le añaden otros componentes que le hagan más resistente mecánicamente, y que estabilizan la estructura del vidrio para evitar que se disuelva en agua y por tanto sea más inerte a los agentes químicos a temperatura ambiente, y que guarden su transparencia a la luz, al menos en el espectro visible.

Estos componentes son metales alcalinotérreos, en particular magnesio, calcio o bario, además de aluminio y otros elementos en menores cantidades, algunos de los cuales aparecen aportados como impurezas por las materias primas (caso del hierro, el azufre u otros). Las materias primas que se utilizan para la elaboración de vidrios de este tipo se escogen entre aquellas que presenten un menor precio:.

La producción industrial de este tipo de vidrios se realiza, al igual que en el caso de los silicatos sódicos, en hornos para vidrio, generalmente de balsa, calentados mediante la combustión de derivados del petróleo con apoyo, en muchos casos, de energía eléctrica a temperaturas que oscilan entre los 1450 °C y los 1600 °C. En estos hornos se introduce una mezcla en polvo ligeramente humedecida (5 % de agua) y previamente dosificada de las materias primas ya citadas. Esta mezcla de materias minerales reacciona (a velocidades apreciables y, evidentemente, cuanto mayores mejor) para formar el conjunto de silicatos que, combinados y mezclados, darán lugar a esa sustancia a la que se denomina vidrio común.

Las propiedades del vidrio común, son una función tanto de la naturaleza, como de las materias primas, como de la composición química del producto obtenido. Esta composición química se suele representar en forma de porcentajes en peso de los óxidos más estables a temperatura ambiente de cada uno de los elementos químicos que lo forman. Las composiciones de los vidrios silicato sódicos más utilizados se sitúan dentro de los límites que se establecen en la tabla adjunta.

Muchos estudios —particularmente en la primera mitad del siglo — han intentado establecer correlaciones entre lo que se denominó la estructura interna del vidrio —generalmente basada en teorías atómicas— y las propiedades observadas en los vidrios. Producto de estos estudios fueron un conjunto de relaciones, de naturaleza absolutamente empírica, que representan de manera sorprendentemente precisa muchas de esas propiedades mediante relaciones lineales entre el contenido de los elementos químicos que forman un vidrio determinado (expresado bajo la forma del contenido porcentual en peso de sus óxidos más estables) y la magnitud representando dicha propiedad. Curiosamente, las correlaciones con las composiciones expresadas en forma molar o atómica son mucho menos fiables.

Los contenidos en MgO, FeO y SO son consecuencia de las impurezas de la caliza, arena y el sulfato sódico, respectivamente*.*.

La absorción (o transparencia) a la luz de los vidrios de silicato sódico en la zona del espectro visible (0,40 μ a 0,70 μ) depende de su contenido en elementos de transición (Ni y Fe en el ejemplo). Sin embargo, tanto en el ultravioleta como en el infrarrojo el vidrio se comporta prácticamente como un objeto casi opaco, independientemente de cualquiera de estos elementos.

Las principales características del vidrio (su transparencia y su dureza), a pesar de las restricciones impuestas por su principal limitación (su fragilidad), lo convierten en un elemento imprescindible en numerosísimas aplicaciones, formando por sí mismo un grupo de materiales de una enorme importancia económica.

Edificación y arquitectura

Desde mediados del siglo las fachadas de vidrio se han convertido en una seña de identidad casi imprescindible de los grandes edificios de las principales urbes del mundo.[26]​ Estas fachadas suelen estar realizadas mediante piezas de vidrio plano con una amplísima gama de colores, lo que facilita la labor creativa de los arquitectos. Estos vidrios normalmente son sometidos a determinados procesos que mejoran sus propiedades de aislamiento térmico y acústico; y su capacidad de atenuación de la luz exterior.

En las fachadas convencionales el vidrio sigue manteniendo su papel preponderante en las ventanas, integrado en distintos tipos de carpinterías (desde las tradicionales de madera, pasando por las de acero, las de aluminio, y llegando a las de PVC), con vidrios sencillos o vidrios dobles separados por una capa confinada de aire.

Hoy en día, el vidrio se ha convertido en un elemento primordial en la decoración del hogar. Gracias a su elegancia, transmisión de la luz exterior y su transparencia, el vidrio hace que los espacios se conviertan en amplios y limpios. Para ello la elección del vidrio adecuado es muy importante sobre todo para arquitectos y diseñadores que son los que hacen uso de este material para la creación de sus proyectos.

Además, al tener distintos colores y texturas, el vidrio se puede utilizar de formas numerosas en infinidad de elementos, tales como:.

La lana de vidrio se utiliza como aislante térmico y acústico en edificación, colocada entre los paramentos exteriores e interiores de muchas edificaciones.

Existen algunas realizaciones pioneras que han utilizado la fibra de vidrio tratada con resinas para su empleo en pequeños puentes[27]​ y pasarelas, aprovechando las ventajas de su ligereza. Así mismo, se ha planteado el uso de barras de fibra de vidrio para el armado de hormigones, evitando así el efecto de la corrosión sobre las armaduras metálicas en ambientes especialmente agresivos.

Parabrisas

Desde los primeros carruajes acomodados para el transporte de viajeros, todas las empresas de fabricación de medios de transporte (los ferrocarriles, la construcción naval, la industria del automóvil y la industria aeroespacial) están ligadas desde sus orígenes a la realización de los elementos de vidrio utilizados tanto en ventanillas y parabrisas como en los sistemas de iluminación interior y exterior de todo tipo de vehículos. Igualmente, otro elemento ligado a la industria del automóvil es la fabricación de espejos retrovisores.

Un ejemplo claro es la evolución del diseño de los automóviles, que pasó de utilizar vidrios planos en exclusiva, a integrar sofisticados elementos de vidrio curvado en parabrisas y ventanas. Tanto la industria aeroespacial como la automovilística se han beneficiado y a su vez han hecho notables contribuciones al desarrollo de vidrios cada vez más ligeros y resistentes, como el Gorilla Glass,[28]​ utilizado después con profusión en la fabricación de teléfonos celulares.

Envases

El vidrio (pese a la competencia de envases más baratos como las latas de aluminio o acero; los bricks de cartón encerado o revestido de aluminio; y las botellas de plástico) es todavía uno de los envases usados preferentemente para la comercialización de la mayoría de las bebidas alcohólicas (entre las que se pueden incluir de forma masiva el vino y la cerveza, pese a la progresión de otros tipos de contenedores en estos dos casos), multitud de conservas (especialmente mermeladas y hortalizas, que se benefician de la visibilidad del producto a través del vidrio), refrescos de todo tipo y productos de perfumería como las colonias o determinados productos de belleza (a los que envases de vidrio[29]​ de diseños originales prestan un innegable valor añadido).

Desde la primera mitad del siglo , cuando las empresas de alimentación se encargaban de la recogida de los envases para su limpieza y nueva utilización (práctica habitual por entonces en industrias lácteas, cerveceras y de refrescos), hasta la década de 1980, en la que se generalizó el uso de envases no retornables[30]​ destinados a ser reciclados en la fabricación de nuevas botellas, el vidrio se ha mostrado como uno de los materiales menos contaminantes y de más fácil reciclado.

De igual manera, la industria farmacéutica utiliza frecuentemente envases de vidrio para muchos de sus preparados líquidos como jarabes o inyectables.

Producción de energía

Los sistemas de producción energética como los paneles fotovoltaicos[31]​ y las centrales termosolares utilizan masivamente elementos de vidrio en la captación de la energía solar. En el caso de las placas fotovoltaicas, protegen las células de silicio (y finalmente concentran la luz), y en el caso de las centrales termosolares son el elemento clave de los espejos captadores (y en algunos sistemas, también de los colectores por donde circulan los fluidos con los que se acumula el calor del sol).

La mejora de las propiedades de estos vidrios (coste, transparencia, estabilidad térmica y química, resistencia a la suciedad y a los agentes ambientales...) es clave en la rentabilidad de las costosas inversiones necesarias para la puesta en servicio de estas instalaciones.

Óptica

Constituye una de las principales aplicaciones específicas del vidrio desde el Renacimiento, cuando se empezaron a producir lentes de calidad con procedimientos cada vez más perfeccionados. Algunas de las bases científicas de la óptica ya se habían sentado anteriormente (desde el año 1000, matemáticos árabes como Alhacen habían estudiado la geometría de los espejos). Sin embargo, no fue hasta que aparecieron Galileo Galilei con su telescopio de lentes, Anton van Leeuwenhoek con su primitivo microscopio, y el propio Isaac Newton con el desarrollo del telescopio de espejos, cuando se establecieron definitivamente las bases de la importancia de los instrumentos ópticos, hasta llegar a los límites teóricos de resolución a comienzos del siglo , con las realizaciones de Carl Zeiss a partir de los descubrimientos teóricos de Ernst Abbe, fundamentadas en la utilización de vidrios de distintos tipos.

Las aplicaciones de la tecnología óptica del vidrio se centran principalmente en los instrumentos para el tratamiento y captación de imágenes; en aparatos científicos para el estudio de la luz; en comunicaciones digitales; y en la corrección oftalmológica de defectos de la vista humana mediante lentes:.

Material de laboratorio

Una gran parte de los equipos de los laboratorios "Material de vidrio (química)") químicos y farmacéuticos (tubos de ensayo, vasos de precipitados, matraces, pipetas, condensadores "Tubo refrigerante (química)"), placas para preparaciones microscópicas...) están realizados con vidrio. En ocasiones se utilizan vidrios especiales, preparados para soportar elevadas temperaturas o determinadas agresiones químicas.

Electrodomésticos

Los televisores utilizan de forma sistemática pantallas de vidrio para proteger los distintos sistemas de píxeles luminosos mediante los que forman las imágenes.

Hornos convencionales, hornos microondas y cocinas vitrocerámicas incluyen en su diseño elementos de vidrio termoresistentes.

De igual manera, las lavadoras incorporan habitualmente una puerta circular de vidrio, y muchos frigoríficos utilizan baldas de vidrio para mejorar la sensación de espacio y la luminosidad interior.

Iluminación

Desde la invención de las lámparas de llama de gas o de petróleo, se han utilizado campanas de vidrio para evitar tanto el apagado de la llama como su propagación accidental. Con la invención de la bombilla de incandescencia eléctrica, la característica ampolla de vidrio que protege el filamento se ha convertido en un elemento insustituible, que se ha ido adaptando progresivamente a los mayores requerimientos térmicos que exigen las lámparas de vapor de sodio, las halógenas (con vidrios de sílice pura) o las de xenón (que emplean vidrios especiales). Incluso en los tubos fluorescentes, cuyas temperaturas de funcionamiento son reducidas, el vidrio que contiene el gas neón es un elemento imprescindible. Solo el desarrollo de los sistemas de luz led (debido a su baja emisión de calor) puede permitir la sustitución del vidrio por materiales plásticos translúcidos, más baratos, ligeros y fáciles de fabricar.

Muchos modelos de lámparas en las que se montan los puntos de luz, utilizan elementos de vidrio para dispersar y dar un determinado aspecto decorativo a la luz que proyectan. En este sentido, pueden citarse las enormes lámparas de araña "Araña (lámpara)") formadas por numerosas piezas de vidrio engarzadas, características de los grandes salones de edificios públicos y privados desde la Época Victoriana hasta la Primera Guerra Mundial.

Teléfonos celulares y dispositivos táctiles

Se ha generalizado el uso de pantallas luminosas (cada vez de mayor tamaño) en teléfonos celulares y dispositivos táctiles, fabricadas con vidrios especialmente resistentes, como el Gorilla Glass.

Relojería

Tradicionalmente, las esferas de los relojes se han protegido con vidrios abombados, adoptándose perfiles planos posteriormente. En el caso de los relojes de pulsera, es un requisito indispensable tanto cuando montan dispositivos de agujas (para evitar que se dañen) como cuando se trata de dispositivos digitales (el vidrio permite mostrar la pantalla hacia el exterior). Los relojes de alta gama suelen montar cristal de zafiro, cuya extraordinaria dureza evita que se rayen fácilmente.

Cocina y menaje

Muchos utensilios de cocina pueden ser de vidrio (como fuentes o boles). La aparición del vidrio borosilicatado capaz de soportar temperaturas muy altas, amplió extraordinariamente el uso del vidrio en la cocina, hasta convertirlo en un material profusamente utilizado en fuentes para preparar asados al horno.

En la mesa, tanto los vasos como todo tipo de copas, así como jarras y los recipientes de la mayoría de los líquidos, suelen ser de vidrio, existiendo así mismo vajillas en las que los platos también son de este material, sustituyendo a la cerámica.

Decoración y bisutería

Vidrios de colores de especial calidad son frecuentemente utilizados en bisutería, sustituyendo a gemas naturales de mucho mayor precio. Un ejemplo es el vidrio de Swarovski, que se utiliza para producir una amplia gama de productos decorativos, así como complementos de moda ligados a la bisutería.

En otro tipo de productos, es frecuente la venta de cuentas de vidrio de colores que se utilizan en la confección de collares y pulseras artesanales, tanto para su comercialización como por puro entretenimiento.

De acuerdo con los datos publicados por la web CIAdvanced,[32]​ las principales industrias fabricantes de vidrio del mundo (la gran mayoría comparten esta actividad con la fabricación de materiales cerámicos), se concentran en Japón, Europa y los Estados Unidos.

El potencial económico de estas empresas es considerable. La mayor de ellas, la francesa Saint-Gobain, facturó 45 000 millones de dólares en 2014 y daba empleo a cerca de 60 000 trabajadores, con unos 3700 dedicados a tareas de investigación y desarrollo. Sus principales clientes son la industria del automóvil, la aeroespacial, las plantas energéticas y la óptica oftalmológica. También es notable el tamaño de las empresas de Japón, que concentra cuatro de las diez primeras.

La más pequeña de las diez, la austriaca RHI AG, en 2014 facturó 1900 millones de dólares, y daba empleo a 8000 trabajadores.

Por otro lado, la empresa estadounidense Owens-Illinois es el mayor fabricante mundial de recipientes de vidrio. Factura 7400 millones de dólares anuales y emplea a 24 000 trabajadores.

(Véase: Fabricación de vidrio).

Tipos de vidrio:.