Tradicionalmente, considera-se que a matéria pode ocorrer em três formas: sólida, líquida e gasosa. Novos meios de investigação da sua estrutura íntima – particularmente durante o século – revelaram outras formas ou estados em que a matéria pode apresentar-se. Por exemplo, o estado mesomórfico[16]​ (uma forma líquida com suas fases esmética,[17]​ nemática[18]​ e colestérica[19]​), o estado plasmático "Plasma (estado da matéria)") (ou estado plasmático, típico de gases ionizados em temperaturas muito altas) ou o estado vítreo, entre outros.

Os corpos no estado vítreo caracterizam-se por apresentarem uma aparência sólida com certa dureza e rigidez e que, diante de tensões externas moderadas, se deformam de maneira geralmente elástica. No entanto, tal como os líquidos, estes corpos são opticamente isotrópicos, transparentes à maior parte do espectro electromagnético da radiação visível. Quando sua estrutura interna é estudada por meios como a difração de raios X, dá origem a bandas de difração difusas semelhantes às dos líquidos. Se forem aquecidos, a sua viscosidade diminui gradualmente – como a maioria dos líquidos – até atingir valores que lhes permitem deformar-se sob a acção da gravidade, e por exemplo tomar a forma do recipiente que os contém como verdadeiros líquidos. No entanto, eles não apresentam um ponto de transição claramente marcado entre o estado sólido e líquido ou “ponto de fusão”.[20]​.

Todas essas propriedades levaram alguns pesquisadores a definir o estado vítreo não como um estado distinto da matéria, mas simplesmente como o de um líquido sub-resfriado ou líquido com uma viscosidade tão alta que lhe dá a aparência de um sólido sem ser um.[21]​[22]​ Esta hipótese implica a consideração do estado vítreo como um estado metaestável ao qual uma energia de ativação suficiente de suas partículas deve levar ao seu estado de equilíbrio, ou seja, o de um sólido cristalino.

Em apoio a esta hipótese, aduz-se o facto experimental de que, quando um corpo é aquecido em estado vítreo até obter um comportamento claramente líquido (a uma temperatura suficientemente elevada para que a sua viscosidade seja inferior a 500 poise, por exemplo), se for arrefecido lenta e cuidadosamente, ao mesmo tempo que lhe fornece a energia de activação necessária à formação dos primeiros corpúsculos sólidos (semeadura de microcristais, presença de superfícies activadoras, catalisadores de nucleação, etc.), normalmente ocorre. solidificar dando origem à formação de conjuntos de verdadeiros cristais sólidos.

Tudo parece indicar que os corpos em estado vítreo não apresentam uma ordem interna específica, como ocorre com os sólidos cristalinos.[20]​ Porém, em muitos casos, observa-se uma desordem ordenada, ou seja, a presença de grupos ordenados que se distribuem no espaço de forma total ou parcialmente aleatória.

Isso levou diferentes pesquisadores a propor diversas teorias sobre a estrutura interna do estado vítreo, tanto geométricas, baseadas em teorias atômicas quanto energéticas.

De acordo com a teoria geométrica atômica, na sílica sólida cristalizada o átomo de silício é cercado por quatro átomos de oxigênio localizados nos vértices de um tetraedro, cada um dos quais o une aos átomos de silício vizinhos. Uma vista plana deste arranjo está esquematizada na Figura 1, na qual o quarto oxigênio estaria acima do plano da página. Quando esta sílica passa para o estado vítreo, o arranjo tetraédrico ainda é mantido no nível individual de cada átomo de silício, embora as ligações entre os átomos de oxigênio e silício sejam feitas em uma desordem aparente,[23]​ que, no entanto, mantém uma organização unitária inicial (ver figura 2).

No entanto, nenhuma destas teorias é suficiente para explicar o comportamento completo dos corpos vítreos, embora possam servir para responder, em casos específicos e bem determinados, a algumas das questões que se colocam.

As substâncias capazes de apresentar estado vítreo podem ser de natureza inorgânica e orgânica, entre outras:

Copos de sílica

A sílica é chamada de "óxido de silício (IV)") a um óxido de silício com a fórmula química SiO. Ocorre no estado sólido cristalino sob diferentes formas enanciotrópicas. Os mais conhecidos são o quartzo (o mais comum e estável à temperatura ambiente), a cristobalita e as tridimitas. Além dessas formas, foram identificadas até vinte e duas fases diferentes, cada uma delas estável a partir de uma temperatura perfeitamente determinada.

Quando o quartzo é aquecido lentamente, ele passa por diferentes formas enanciotrópicas até atingir seu ponto de fusão a 1723 °C. A esta temperatura obtém-se um líquido incolor e muito viscoso que, se resfriado com relativa rapidez, torna-se uma substância vítrea que costuma ser chamada de vidro de quartzo.

Este vidro de quartzo apresenta um conjunto de propriedades muito úteis e aplicáveis ​​em múltiplas disciplinas: na investigação científica e tecnológica, na vida doméstica e em geral em todos os tipos de indústria. Destacam-se como mais relevantes:

Outras propriedades, porém, dificultam seu preparo e uso. Em particular, o seguinte:

Vidros de silicato de sódio

Os sais de sódio mais comuns têm pontos de fusão abaixo de 900 °C. Quando uma mistura íntima de quartzo finamente dividido é aquecida com um sal destes metais alcalinos, por exemplo NaCO, a uma temperatura superior a 800 °C, obtém-se inicialmente uma fusão do sal alcalino, cujo líquido envolve os grãos de quartzo, produzindo uma série de reações que podem ser incluídas no seguinte resultado:

SiO + NaCO

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

Esta reação ligeiramente exotérmica libera dióxido de carbono gasoso - que borbulha através da massa em fusão - e leva a um primeiro silicato de sódio, com ponto de fusão de 1087 °C.

Segundo a termodinâmica, a mistura de duas substâncias com pontos de fusão diferentes possui um "ponto líquido"[24]​ que fica entre os das duas substâncias em contato. Desta forma, a mistura de sílica e silicato de sódio formada dá origem a um produto de SiO e silicatos, já no estado líquido a temperaturas que não ultrapassam 1200 °C, longe dos mais de 2000 °C necessários para preparar o vidro de quartzo.

O produto assim obtido recebe comumente o nome genérico de silicato de sódio, embora este nome identifique um conjunto de produtos derivados da fusão do quartzo com sais de sódio (geralmente carbonatos) em diferentes proporções de um componente e de outro. Industrialmente, os silicatos de sódio são preparados com proporções molares de cada componente entre:

Estes silicatos de sódio apresentam um aspecto vítreo, transparente e muito quebradiço. Para atingir uma viscosidade da ordem de 1000 poise (necessária para a moldagem), são necessárias temperaturas que, dependendo da sua composição, variam entre 1220 °C para o silicato mais rico em SiO, e 900 °C para o mais pobre. São muito solúveis em água: entre 35% e 50% em peso de silicato, dependendo do teor de SiO. A sua falta de rigidez mecânica e a sua solubilidade em água tornam-nos inúteis como substitutos do vidro de quartzo em qualquer uma das suas aplicações.

Raramente são apresentados na indústria na forma sólida, mas sim na forma de solução aquosa. Sua solução em água é utilizada como cola cerâmica muito eficaz ou como matéria-prima para a produção por hidrólise de sílica gel, substância utilizada como absorvente de umidade (torres de secagem de gases, etc.) ou como componente de determinados produtos como pneus de veículos e outras aplicações na indústria química.

A sua produção é efectuada em fornos contínuos de balsa aquecidos pela combustão de derivados de petróleo e frequentemente também com energia eléctrica, a temperaturas tão elevadas quanto possível (dentro de uma certa rentabilidade) de forma a aumentar a produtividade do forno. Estas temperaturas estão geralmente entre 1400 °C e 1500 °C.

Vidros de silicato de sódio e cálcio

Para obter um produto com propriedades semelhantes às do vidro de quartzo a temperaturas mais baixas e, portanto, alcançáveis ​​por meios tecnicamente rentáveis, é produzido um vidro de silicato de sódio ao qual são adicionados outros componentes que o tornam mais resistente mecanicamente e que estabilizam a estrutura do vidro para evitar que se dissolva em água e, portanto, seja mais inerte aos agentes químicos à temperatura ambiente, e que mantenha a sua transparência à luz, pelo menos no espectro visível.

Estes componentes são os metais alcalino-terrosos, nomeadamente o magnésio, o cálcio ou o bário, bem como o alumínio e outros elementos em menores quantidades, alguns dos quais aparecem aportados como impurezas pelas matérias-primas (no caso do ferro, enxofre ou outros). As matérias-primas utilizadas para fazer vidros deste tipo são escolhidas entre aquelas que têm menor preço:

A produção industrial deste tipo de vidro é realizada, como no caso dos silicatos de sódio, em fornos de vidro, geralmente feitos de jangada, aquecidos pela combustão de derivados de petróleo com apoio, em muitos casos, de energia elétrica em temperaturas que variam entre 1450 °C e 1600 °C. Nestes fornos é introduzida uma mistura em pó levemente umedecida (5% de água) e previamente dosada com as matérias-primas já citadas. Essa mistura de materiais minerais reage (em velocidades apreciáveis ​​e, obviamente, quanto maior melhor) para formar o conjunto de silicatos que, combinados e misturados, darão origem àquela substância chamada vidro comum.

As propriedades do vidro comum dependem tanto da natureza, das matérias-primas e da composição química do produto obtido. Esta composição química é geralmente representada na forma de percentagens em peso dos óxidos mais estáveis ​​à temperatura ambiente de cada um dos elementos químicos que a formam. As composições dos vidros de silicato de sódio mais utilizados estão dentro dos limites estabelecidos na tabela anexa.

Muitos estudos – especialmente na primeira metade do século – tentaram estabelecer correlações entre o que foi chamado de estrutura interna do vidro – geralmente baseada em teorias atômicas – e as propriedades observadas nos vidros. O produto destes estudos foi um conjunto de relações, de natureza absolutamente empírica, que representam muitas destas propriedades de uma forma surpreendentemente precisa através de relações lineares entre o conteúdo dos elementos químicos que formam um determinado vidro (expresso na forma de percentagem do conteúdo em peso dos seus óxidos mais estáveis) e a grandeza que representa essa propriedade. Curiosamente, as correlações com composições expressas na forma molar ou atômica são muito menos confiáveis.

Os teores de MgO, FeO e SO são consequência das impurezas de calcário, areia e sulfato de sódio, respectivamente*.*.

A absorção de luz (ou transparência) dos vidros de silicato de sódio na área do espectro visível (0,40 μ a 0,70 μ) depende do seu conteúdo de elementos de transição (Ni e Fe no exemplo). Porém, tanto no ultravioleta quanto no infravermelho, o vidro se comporta praticamente como um objeto quase opaco, independentemente de qualquer um desses 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.

Construção e arquitetura

Desde meados do século, as fachadas de vidro tornaram-se uma marca quase essencial dos grandes edifícios nas principais cidades do mundo.[26] Essas fachadas geralmente são feitas com peças de vidro plano com uma gama de cores muito ampla, o que facilita o trabalho criativo dos arquitetos. Estes vidros são normalmente submetidos a determinados processos que melhoram as suas propriedades de isolamento térmico e acústico; e sua capacidade de atenuar a luz externa.

Nas fachadas convencionais, o vidro continua a manter o seu papel predominante nas janelas, integrado em diferentes tipos de carpintaria (desde as tradicionais de madeira, passando pelas de aço, alumínio e até em PVC), com vidros simples ou duplos separados por uma camada confinada de ar.

Hoje em dia, o vidro tornou-se um elemento essencial na decoração da casa. Graças à sua elegância, transmissão de luz externa e transparência, o vidro torna os espaços amplos e limpos. Para isso, escolher o vidro certo é muito importante, principalmente para arquitetos e designers que são quem utilizam esse material para criar seus projetos.

Além disso, por possuir diversas cores e texturas, o vidro pode ser utilizado de inúmeras formas em inúmeros elementos, como:

A lã de vidro é utilizada como isolamento térmico e acústico em edifícios, colocada entre as paredes exteriores e interiores de muitos edifícios.

Existem alguns projetos pioneiros que utilizaram fibra de vidro tratada com resinas para uso em pequenas pontes[27]​ e passarelas, aproveitando as vantagens de sua leveza. Da mesma forma, tem sido proposta a utilização de barras de fibra de vidro para reforço de concreto, evitando assim o efeito da corrosão nas armaduras metálicas em ambientes especialmente agressivos.

Pára-brisa

Desde as primeiras carruagens destinadas ao transporte de passageiros, todas as empresas fabricantes de meios de transporte (ferrovias, construção naval, indústria automóvel e indústria aeroespacial) estão ligadas desde a sua origem à produção de elementos de vidro utilizados em janelas e pára-brisas, bem como nos sistemas de iluminação interior e exterior de todos os tipos de veículos. Da mesma forma, outro elemento ligado à indústria automobilística é a fabricação de espelhos retrovisores.

Um exemplo claro é a evolução do design automóvel, que passou da utilização exclusiva de vidros planos para a integração de sofisticados elementos de vidro curvo em pára-brisas e janelas. Tanto a indústria aeroespacial quanto a automobilística se beneficiaram e, por sua vez, deram contribuições notáveis ​​para o desenvolvimento de vidros cada vez mais leves e resistentes, como o Gorilla Glass,[28]​ mais tarde amplamente utilizado na fabricação de telefones celulares.

Embalagem

O vidro (apesar da concorrência de recipientes mais baratos, como latas de alumínio ou aço; tijolos de papelão encerado ou revestido de alumínio; e garrafas de plástico) ainda é um dos recipientes preferencialmente utilizados para a comercialização da maioria das bebidas alcoólicas (entre as quais o vinho e a cerveja podem ser massivamente incluídos, apesar da progressão de outros tipos de recipientes nestes dois casos), uma infinidade de conservas (especialmente geléias e vegetais, que beneficiam da visibilidade do produto através do vidro), refrigerantes de todos os tipos e produtos de perfumaria, como colônias ou certos produtos de beleza (aos quais recipientes de vidro[29]​ com designs originais proporcionam um valor acrescentado inegável).

Desde a primeira metade do século, quando as empresas alimentícias eram responsáveis ​​pela coleta de recipientes para limpeza e novos usos (prática comum naquela época nas indústrias de laticínios, cervejarias e refrigerantes), até a década de 1980, quando se generalizou o uso de recipientes não retornáveis[30]​ destinados à reciclagem na fabricação de novas garrafas, o vidro tem se mostrado um dos materiais menos poluentes e mais facilmente recicláveis.

Da mesma forma, a indústria farmacêutica utiliza frequentemente recipientes de vidro para muitas das suas preparações líquidas, tais como xaropes ou injectáveis.

produção de energia

Sistemas de produção de energia, como painéis fotovoltaicos[31]​ e usinas solares térmicas, utilizam massivamente elementos de vidro para capturar energia solar. No caso dos painéis fotovoltaicos, protegem as células de silício (e finalmente concentram a luz), e no caso das centrais solares térmicas são o elemento chave dos espelhos colectores (e em alguns sistemas, também dos colectores através dos quais circulam os fluidos com os quais o calor do sol se acumula).

Melhorar as propriedades destes vidros (custo, transparência, estabilidade térmica e química, resistência à sujidade e aos agentes ambientais...) é fundamental para a rentabilidade dos dispendiosos investimentos necessários para o comissionamento destas instalações.

Óptica

Constitui uma das principais aplicações específicas do vidro desde o Renascimento, quando lentes de qualidade começaram a ser produzidas com procedimentos cada vez mais aperfeiçoados. Alguns dos fundamentos científicos da óptica já haviam sido lançados antes (desde o ano 1000, matemáticos árabes como Alhacen estudavam a geometria dos espelhos). Porém, foi somente com o surgimento de Galileu Galilei com seu telescópio de lente, Anton van Leeuwenhoek com seu microscópio primitivo, e o próprio Isaac Newton com o desenvolvimento do telescópio espelho, que as bases da importância dos instrumentos ópticos foram definitivamente estabelecidas, até atingir os limites teóricos de resolução no início do século, com as conquistas de Carl Zeiss baseadas nas descobertas teóricas de Ernst Abbe, baseadas no uso de diferentes tipos de vidro.

As aplicações da tecnologia óptica de vidro concentram-se principalmente em instrumentos de processamento e captura de imagens; em dispositivos científicos para o estudo da luz; em comunicações digitais; e na correção oftalmológica de defeitos da visão humana através de lentes:.

Material de laboratório

Grande parte do equipamento dos laboratórios químicos e farmacêuticos "Vidraria (química)" (tubos de ensaio, béqueres, frascos, pipetas, condensadores "Tubo de resfriamento (química)"), placas para preparações microscópicas...) é feito de vidro. Às vezes são utilizados vidros especiais, preparados para suportar altas temperaturas ou certos ataques químicos.

Eletrodomésticos

As televisões utilizam sistematicamente telas de vidro para proteger os diferentes sistemas de pixels luminosos através dos quais formam as imagens.

Fornos convencionais, fornos de micro-ondas e cooktops de cerâmica incluem elementos de vidro resistentes ao calor em seu design.

Da mesma forma, as máquinas de lavar geralmente incorporam uma porta circular de vidro e muitos refrigeradores usam prateleiras de vidro para melhorar a sensação de espaço e luz interior.

Raio

Desde a invenção das lâmpadas de gás ou óleo, as campânulas de vidro têm sido utilizadas para evitar tanto a extinção da chama quanto sua propagação acidental. Com a invenção da lâmpada eléctrica incandescente, a característica lâmpada de vidro que protege o filamento tornou-se num elemento insubstituível, que foi progressivamente adaptado às maiores exigências térmicas exigidas pelas lâmpadas de vapor de sódio, lâmpadas halógenas (com vidro de sílica pura) ou lâmpadas de xénon (que utilizam vidro especial). Mesmo em lâmpadas fluorescentes, cujas temperaturas de operação são baixas, o vidro que contém o gás néon é um elemento essencial. Só o desenvolvimento de sistemas de iluminação LED (devido à sua baixa emissão de calor) pode permitir a substituição do vidro por materiais plásticos translúcidos, mais baratos, mais leves e mais fáceis de fabricar.

Muitos modelos de lâmpadas nos quais são montados pontos de luz utilizam elementos de vidro para dispersar e dar um certo aspecto decorativo à luz que projetam. Neste sentido, podemos citar os enormes lustres “Aranha (lâmpada)”) compostos por inúmeras peças de vidro entrelaçadas, característicos dos grandes salões de edifícios públicos e privados desde a Era Vitoriana até a Primeira Guerra Mundial.

Telefones celulares e dispositivos sensíveis ao toque

O uso de telas luminosas (cada vez maiores) em celulares e dispositivos touch, feitas com vidros especialmente resistentes, como o Gorilla Glass, tem se difundido.

Relojoaria

Tradicionalmente, os mostradores dos relógios eram protegidos com vidro abobadado, sendo posteriormente adotados perfis planos. No caso dos relógios de pulso, é um requisito essencial tanto quando montam dispositivos ponteiros (para evitar que sejam danificados) como quando se trata de dispositivos digitais (o vidro permite que a tela seja mostrada para o exterior). Os relógios de última geração costumam ter cristais de safira, cuja extraordinária dureza evita que sejam facilmente riscados.

Cozinha e utensílios de cozinha

Muitos utensílios de cozinha podem ser feitos de vidro (como travessas ou tigelas). O surgimento do vidro borossilicato, capaz de suportar temperaturas muito elevadas, ampliou extraordinariamente o uso do vidro na cozinha, até se tornar um material muito utilizado em pratos para preparo de assados ​​no forno.

À mesa, tanto os copos como todos os tipos de chávenas, bem como os jarros e recipientes para a maioria dos líquidos, são normalmente de vidro, existindo também talheres em que os pratos também são deste material, em substituição da cerâmica.

Decoração e joias

Vidro colorido de qualidade especial é freqüentemente usado em joias, substituindo gemas naturais de preço muito mais alto. Um exemplo é o vidro Swarovski, que é utilizado na produção de uma ampla gama de produtos decorativos, além de acessórios de moda ligados à joalheria.

Em outros tipos de produtos, é comum a venda de contas de vidro coloridas que são utilizadas na confecção de colares e pulseiras artesanais, tanto para marketing quanto para puro entretenimento.

Segundo dados publicados pelo site CIAdvanced,[32]​ as principais indústrias transformadoras de vidro do mundo (a grande maioria partilha esta atividade com a fabricação de materiais cerâmicos), estão concentradas no Japão, na Europa e nos Estados Unidos.

O potencial económico destas empresas é considerável. A maior delas, a empresa francesa Saint-Gobain, faturou 45 mil milhões de dólares em 2014 e empregou cerca de 60 mil trabalhadores, dos quais cerca de 3.700 dedicados a tarefas de investigação e desenvolvimento. Seus principais clientes são a indústria automotiva, aeroespacial, usinas de energia e óptica oftalmológica. O tamanho das empresas japonesas também é notável, representando quatro das dez maiores.

A menor das dez, a austríaca RHI AG, teve em 2014 um volume de negócios de 1,9 mil milhões de dólares e empregou 8.000 trabalhadores.

Por outro lado, a empresa americana Owens-Illinois é a maior fabricante mundial de embalagens de vidro. Tem um volume de negócios de 7,4 mil milhões de dólares anuais e emprega 24.000 trabalhadores.

(Ver: Fabricação de vidro).

Tipos de vidro:

Tradicionalmente, considera-se que a matéria pode ocorrer em três formas: sólida, líquida e gasosa. Novos meios de investigação da sua estrutura íntima – particularmente durante o século – revelaram outras formas ou estados em que a matéria pode apresentar-se. Por exemplo, o estado mesomórfico[16]​ (uma forma líquida com suas fases esmética,[17]​ nemática[18]​ e colestérica[19]​), o estado plasmático "Plasma (estado da matéria)") (ou estado plasmático, típico de gases ionizados em temperaturas muito altas) ou o estado vítreo, entre outros.

Os corpos no estado vítreo caracterizam-se por apresentarem uma aparência sólida com certa dureza e rigidez e que, diante de tensões externas moderadas, se deformam de maneira geralmente elástica. No entanto, tal como os líquidos, estes corpos são opticamente isotrópicos, transparentes à maior parte do espectro electromagnético da radiação visível. Quando sua estrutura interna é estudada por meios como a difração de raios X, dá origem a bandas de difração difusas semelhantes às dos líquidos. Se forem aquecidos, a sua viscosidade diminui gradualmente – como a maioria dos líquidos – até atingir valores que lhes permitem deformar-se sob a acção da gravidade, e por exemplo tomar a forma do recipiente que os contém como verdadeiros líquidos. No entanto, eles não apresentam um ponto de transição claramente marcado entre o estado sólido e líquido ou “ponto de fusão”.[20]​.

Todas essas propriedades levaram alguns pesquisadores a definir o estado vítreo não como um estado distinto da matéria, mas simplesmente como o de um líquido sub-resfriado ou líquido com uma viscosidade tão alta que lhe dá a aparência de um sólido sem ser um.[21]​[22]​ Esta hipótese implica a consideração do estado vítreo como um estado metaestável ao qual uma energia de ativação suficiente de suas partículas deve levar ao seu estado de equilíbrio, ou seja, o de um sólido cristalino.

Em apoio a esta hipótese, aduz-se o facto experimental de que, quando um corpo é aquecido em estado vítreo até obter um comportamento claramente líquido (a uma temperatura suficientemente elevada para que a sua viscosidade seja inferior a 500 poise, por exemplo), se for arrefecido lenta e cuidadosamente, ao mesmo tempo que lhe fornece a energia de activação necessária à formação dos primeiros corpúsculos sólidos (semeadura de microcristais, presença de superfícies activadoras, catalisadores de nucleação, etc.), normalmente ocorre. solidificar dando origem à formação de conjuntos de verdadeiros cristais sólidos.

Tudo parece indicar que os corpos em estado vítreo não apresentam uma ordem interna específica, como ocorre com os sólidos cristalinos.[20]​ Porém, em muitos casos, observa-se uma desordem ordenada, ou seja, a presença de grupos ordenados que se distribuem no espaço de forma total ou parcialmente aleatória.

Isso levou diferentes pesquisadores a propor diversas teorias sobre a estrutura interna do estado vítreo, tanto geométricas, baseadas em teorias atômicas quanto energéticas.

De acordo com a teoria geométrica atômica, na sílica sólida cristalizada o átomo de silício é cercado por quatro átomos de oxigênio localizados nos vértices de um tetraedro, cada um dos quais o une aos átomos de silício vizinhos. Uma vista plana deste arranjo está esquematizada na Figura 1, na qual o quarto oxigênio estaria acima do plano da página. Quando esta sílica passa para o estado vítreo, o arranjo tetraédrico ainda é mantido no nível individual de cada átomo de silício, embora as ligações entre os átomos de oxigênio e silício sejam feitas em uma desordem aparente,[23]​ que, no entanto, mantém uma organização unitária inicial (ver figura 2).

No entanto, nenhuma destas teorias é suficiente para explicar o comportamento completo dos corpos vítreos, embora possam servir para responder, em casos específicos e bem determinados, a algumas das questões que se colocam.

As substâncias capazes de apresentar estado vítreo podem ser de natureza inorgânica e orgânica, entre outras:

Copos de sílica

A sílica é chamada de "óxido de silício (IV)") a um óxido de silício com a fórmula química SiO. Ocorre no estado sólido cristalino sob diferentes formas enanciotrópicas. Os mais conhecidos são o quartzo (o mais comum e estável à temperatura ambiente), a cristobalita e as tridimitas. Além dessas formas, foram identificadas até vinte e duas fases diferentes, cada uma delas estável a partir de uma temperatura perfeitamente determinada.

Quando o quartzo é aquecido lentamente, ele passa por diferentes formas enanciotrópicas até atingir seu ponto de fusão a 1723 °C. A esta temperatura obtém-se um líquido incolor e muito viscoso que, se resfriado com relativa rapidez, torna-se uma substância vítrea que costuma ser chamada de vidro de quartzo.

Este vidro de quartzo apresenta um conjunto de propriedades muito úteis e aplicáveis ​​em múltiplas disciplinas: na investigação científica e tecnológica, na vida doméstica e em geral em todos os tipos de indústria. Destacam-se como mais relevantes:

Outras propriedades, porém, dificultam seu preparo e uso. Em particular, o seguinte:

Vidros de silicato de sódio

Os sais de sódio mais comuns têm pontos de fusão abaixo de 900 °C. Quando uma mistura íntima de quartzo finamente dividido é aquecida com um sal destes metais alcalinos, por exemplo NaCO, a uma temperatura superior a 800 °C, obtém-se inicialmente uma fusão do sal alcalino, cujo líquido envolve os grãos de quartzo, produzindo uma série de reações que podem ser incluídas no seguinte resultado:

SiO + NaCO

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

Esta reação ligeiramente exotérmica libera dióxido de carbono gasoso - que borbulha através da massa em fusão - e leva a um primeiro silicato de sódio, com ponto de fusão de 1087 °C.

Segundo a termodinâmica, a mistura de duas substâncias com pontos de fusão diferentes possui um "ponto líquido"[24]​ que fica entre os das duas substâncias em contato. Desta forma, a mistura de sílica e silicato de sódio formada dá origem a um produto de SiO e silicatos, já no estado líquido a temperaturas que não ultrapassam 1200 °C, longe dos mais de 2000 °C necessários para preparar o vidro de quartzo.

O produto assim obtido recebe comumente o nome genérico de silicato de sódio, embora este nome identifique um conjunto de produtos derivados da fusão do quartzo com sais de sódio (geralmente carbonatos) em diferentes proporções de um componente e de outro. Industrialmente, os silicatos de sódio são preparados com proporções molares de cada componente entre:

Estes silicatos de sódio apresentam um aspecto vítreo, transparente e muito quebradiço. Para atingir uma viscosidade da ordem de 1000 poise (necessária para a moldagem), são necessárias temperaturas que, dependendo da sua composição, variam entre 1220 °C para o silicato mais rico em SiO, e 900 °C para o mais pobre. São muito solúveis em água: entre 35% e 50% em peso de silicato, dependendo do teor de SiO. A sua falta de rigidez mecânica e a sua solubilidade em água tornam-nos inúteis como substitutos do vidro de quartzo em qualquer uma das suas aplicações.

Raramente são apresentados na indústria na forma sólida, mas sim na forma de solução aquosa. Sua solução em água é utilizada como cola cerâmica muito eficaz ou como matéria-prima para a produção por hidrólise de sílica gel, substância utilizada como absorvente de umidade (torres de secagem de gases, etc.) ou como componente de determinados produtos como pneus de veículos e outras aplicações na indústria química.

A sua produção é efectuada em fornos contínuos de balsa aquecidos pela combustão de derivados de petróleo e frequentemente também com energia eléctrica, a temperaturas tão elevadas quanto possível (dentro de uma certa rentabilidade) de forma a aumentar a produtividade do forno. Estas temperaturas estão geralmente entre 1400 °C e 1500 °C.

Vidros de silicato de sódio e cálcio

Para obter um produto com propriedades semelhantes às do vidro de quartzo a temperaturas mais baixas e, portanto, alcançáveis ​​por meios tecnicamente rentáveis, é produzido um vidro de silicato de sódio ao qual são adicionados outros componentes que o tornam mais resistente mecanicamente e que estabilizam a estrutura do vidro para evitar que se dissolva em água e, portanto, seja mais inerte aos agentes químicos à temperatura ambiente, e que mantenha a sua transparência à luz, pelo menos no espectro visível.

Estes componentes são os metais alcalino-terrosos, nomeadamente o magnésio, o cálcio ou o bário, bem como o alumínio e outros elementos em menores quantidades, alguns dos quais aparecem aportados como impurezas pelas matérias-primas (no caso do ferro, enxofre ou outros). As matérias-primas utilizadas para fazer vidros deste tipo são escolhidas entre aquelas que têm menor preço:

A produção industrial deste tipo de vidro é realizada, como no caso dos silicatos de sódio, em fornos de vidro, geralmente feitos de jangada, aquecidos pela combustão de derivados de petróleo com apoio, em muitos casos, de energia elétrica em temperaturas que variam entre 1450 °C e 1600 °C. Nestes fornos é introduzida uma mistura em pó levemente umedecida (5% de água) e previamente dosada com as matérias-primas já citadas. Essa mistura de materiais minerais reage (em velocidades apreciáveis ​​e, obviamente, quanto maior melhor) para formar o conjunto de silicatos que, combinados e misturados, darão origem àquela substância chamada vidro comum.

As propriedades do vidro comum dependem tanto da natureza, das matérias-primas e da composição química do produto obtido. Esta composição química é geralmente representada na forma de percentagens em peso dos óxidos mais estáveis ​​à temperatura ambiente de cada um dos elementos químicos que a formam. As composições dos vidros de silicato de sódio mais utilizados estão dentro dos limites estabelecidos na tabela anexa.

Muitos estudos – especialmente na primeira metade do século – tentaram estabelecer correlações entre o que foi chamado de estrutura interna do vidro – geralmente baseada em teorias atômicas – e as propriedades observadas nos vidros. O produto destes estudos foi um conjunto de relações, de natureza absolutamente empírica, que representam muitas destas propriedades de uma forma surpreendentemente precisa através de relações lineares entre o conteúdo dos elementos químicos que formam um determinado vidro (expresso na forma de percentagem do conteúdo em peso dos seus óxidos mais estáveis) e a grandeza que representa essa propriedade. Curiosamente, as correlações com composições expressas na forma molar ou atômica são muito menos confiáveis.

Os teores de MgO, FeO e SO são consequência das impurezas de calcário, areia e sulfato de sódio, respectivamente*.*.

A absorção de luz (ou transparência) dos vidros de silicato de sódio na área do espectro visível (0,40 μ a 0,70 μ) depende do seu conteúdo de elementos de transição (Ni e Fe no exemplo). Porém, tanto no ultravioleta quanto no infravermelho, o vidro se comporta praticamente como um objeto quase opaco, independentemente de qualquer um desses 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.

Construção e arquitetura

Desde meados do século, as fachadas de vidro tornaram-se uma marca quase essencial dos grandes edifícios nas principais cidades do mundo.[26] Essas fachadas geralmente são feitas com peças de vidro plano com uma gama de cores muito ampla, o que facilita o trabalho criativo dos arquitetos. Estes vidros são normalmente submetidos a determinados processos que melhoram as suas propriedades de isolamento térmico e acústico; e sua capacidade de atenuar a luz externa.

Nas fachadas convencionais, o vidro continua a manter o seu papel predominante nas janelas, integrado em diferentes tipos de carpintaria (desde as tradicionais de madeira, passando pelas de aço, alumínio e até em PVC), com vidros simples ou duplos separados por uma camada confinada de ar.

Hoje em dia, o vidro tornou-se um elemento essencial na decoração da casa. Graças à sua elegância, transmissão de luz externa e transparência, o vidro torna os espaços amplos e limpos. Para isso, escolher o vidro certo é muito importante, principalmente para arquitetos e designers que são quem utilizam esse material para criar seus projetos.

Além disso, por possuir diversas cores e texturas, o vidro pode ser utilizado de inúmeras formas em inúmeros elementos, como:

A lã de vidro é utilizada como isolamento térmico e acústico em edifícios, colocada entre as paredes exteriores e interiores de muitos edifícios.

Existem alguns projetos pioneiros que utilizaram fibra de vidro tratada com resinas para uso em pequenas pontes[27]​ e passarelas, aproveitando as vantagens de sua leveza. Da mesma forma, tem sido proposta a utilização de barras de fibra de vidro para reforço de concreto, evitando assim o efeito da corrosão nas armaduras metálicas em ambientes especialmente agressivos.

Pára-brisa

Desde as primeiras carruagens destinadas ao transporte de passageiros, todas as empresas fabricantes de meios de transporte (ferrovias, construção naval, indústria automóvel e indústria aeroespacial) estão ligadas desde a sua origem à produção de elementos de vidro utilizados em janelas e pára-brisas, bem como nos sistemas de iluminação interior e exterior de todos os tipos de veículos. Da mesma forma, outro elemento ligado à indústria automobilística é a fabricação de espelhos retrovisores.

Um exemplo claro é a evolução do design automóvel, que passou da utilização exclusiva de vidros planos para a integração de sofisticados elementos de vidro curvo em pára-brisas e janelas. Tanto a indústria aeroespacial quanto a automobilística se beneficiaram e, por sua vez, deram contribuições notáveis ​​para o desenvolvimento de vidros cada vez mais leves e resistentes, como o Gorilla Glass,[28]​ mais tarde amplamente utilizado na fabricação de telefones celulares.

Embalagem

O vidro (apesar da concorrência de recipientes mais baratos, como latas de alumínio ou aço; tijolos de papelão encerado ou revestido de alumínio; e garrafas de plástico) ainda é um dos recipientes preferencialmente utilizados para a comercialização da maioria das bebidas alcoólicas (entre as quais o vinho e a cerveja podem ser massivamente incluídos, apesar da progressão de outros tipos de recipientes nestes dois casos), uma infinidade de conservas (especialmente geléias e vegetais, que beneficiam da visibilidade do produto através do vidro), refrigerantes de todos os tipos e produtos de perfumaria, como colônias ou certos produtos de beleza (aos quais recipientes de vidro[29]​ com designs originais proporcionam um valor acrescentado inegável).

Desde a primeira metade do século, quando as empresas alimentícias eram responsáveis ​​pela coleta de recipientes para limpeza e novos usos (prática comum naquela época nas indústrias de laticínios, cervejarias e refrigerantes), até a década de 1980, quando se generalizou o uso de recipientes não retornáveis[30]​ destinados à reciclagem na fabricação de novas garrafas, o vidro tem se mostrado um dos materiais menos poluentes e mais facilmente recicláveis.

Da mesma forma, a indústria farmacêutica utiliza frequentemente recipientes de vidro para muitas das suas preparações líquidas, tais como xaropes ou injectáveis.

produção de energia

Sistemas de produção de energia, como painéis fotovoltaicos[31]​ e usinas solares térmicas, utilizam massivamente elementos de vidro para capturar energia solar. No caso dos painéis fotovoltaicos, protegem as células de silício (e finalmente concentram a luz), e no caso das centrais solares térmicas são o elemento chave dos espelhos colectores (e em alguns sistemas, também dos colectores através dos quais circulam os fluidos com os quais o calor do sol se acumula).

Melhorar as propriedades destes vidros (custo, transparência, estabilidade térmica e química, resistência à sujidade e aos agentes ambientais...) é fundamental para a rentabilidade dos dispendiosos investimentos necessários para o comissionamento destas instalações.

Óptica

Constitui uma das principais aplicações específicas do vidro desde o Renascimento, quando lentes de qualidade começaram a ser produzidas com procedimentos cada vez mais aperfeiçoados. Alguns dos fundamentos científicos da óptica já haviam sido lançados antes (desde o ano 1000, matemáticos árabes como Alhacen estudavam a geometria dos espelhos). Porém, foi somente com o surgimento de Galileu Galilei com seu telescópio de lente, Anton van Leeuwenhoek com seu microscópio primitivo, e o próprio Isaac Newton com o desenvolvimento do telescópio espelho, que as bases da importância dos instrumentos ópticos foram definitivamente estabelecidas, até atingir os limites teóricos de resolução no início do século, com as conquistas de Carl Zeiss baseadas nas descobertas teóricas de Ernst Abbe, baseadas no uso de diferentes tipos de vidro.

As aplicações da tecnologia óptica de vidro concentram-se principalmente em instrumentos de processamento e captura de imagens; em dispositivos científicos para o estudo da luz; em comunicações digitais; e na correção oftalmológica de defeitos da visão humana através de lentes:.

Material de laboratório

Grande parte do equipamento dos laboratórios químicos e farmacêuticos "Vidraria (química)" (tubos de ensaio, béqueres, frascos, pipetas, condensadores "Tubo de resfriamento (química)"), placas para preparações microscópicas...) é feito de vidro. Às vezes são utilizados vidros especiais, preparados para suportar altas temperaturas ou certos ataques químicos.

Eletrodomésticos

As televisões utilizam sistematicamente telas de vidro para proteger os diferentes sistemas de pixels luminosos através dos quais formam as imagens.

Fornos convencionais, fornos de micro-ondas e cooktops de cerâmica incluem elementos de vidro resistentes ao calor em seu design.

Da mesma forma, as máquinas de lavar geralmente incorporam uma porta circular de vidro e muitos refrigeradores usam prateleiras de vidro para melhorar a sensação de espaço e luz interior.

Raio

Desde a invenção das lâmpadas de gás ou óleo, as campânulas de vidro têm sido utilizadas para evitar tanto a extinção da chama quanto sua propagação acidental. Com a invenção da lâmpada eléctrica incandescente, a característica lâmpada de vidro que protege o filamento tornou-se num elemento insubstituível, que foi progressivamente adaptado às maiores exigências térmicas exigidas pelas lâmpadas de vapor de sódio, lâmpadas halógenas (com vidro de sílica pura) ou lâmpadas de xénon (que utilizam vidro especial). Mesmo em lâmpadas fluorescentes, cujas temperaturas de operação são baixas, o vidro que contém o gás néon é um elemento essencial. Só o desenvolvimento de sistemas de iluminação LED (devido à sua baixa emissão de calor) pode permitir a substituição do vidro por materiais plásticos translúcidos, mais baratos, mais leves e mais fáceis de fabricar.

Muitos modelos de lâmpadas nos quais são montados pontos de luz utilizam elementos de vidro para dispersar e dar um certo aspecto decorativo à luz que projetam. Neste sentido, podemos citar os enormes lustres “Aranha (lâmpada)”) compostos por inúmeras peças de vidro entrelaçadas, característicos dos grandes salões de edifícios públicos e privados desde a Era Vitoriana até a Primeira Guerra Mundial.

Telefones celulares e dispositivos sensíveis ao toque

O uso de telas luminosas (cada vez maiores) em celulares e dispositivos touch, feitas com vidros especialmente resistentes, como o Gorilla Glass, tem se difundido.

Relojoaria

Tradicionalmente, os mostradores dos relógios eram protegidos com vidro abobadado, sendo posteriormente adotados perfis planos. No caso dos relógios de pulso, é um requisito essencial tanto quando montam dispositivos ponteiros (para evitar que sejam danificados) como quando se trata de dispositivos digitais (o vidro permite que a tela seja mostrada para o exterior). Os relógios de última geração costumam ter cristais de safira, cuja extraordinária dureza evita que sejam facilmente riscados.

Cozinha e utensílios de cozinha

Muitos utensílios de cozinha podem ser feitos de vidro (como travessas ou tigelas). O surgimento do vidro borossilicato, capaz de suportar temperaturas muito elevadas, ampliou extraordinariamente o uso do vidro na cozinha, até se tornar um material muito utilizado em pratos para preparo de assados ​​no forno.

À mesa, tanto os copos como todos os tipos de chávenas, bem como os jarros e recipientes para a maioria dos líquidos, são normalmente de vidro, existindo também talheres em que os pratos também são deste material, em substituição da cerâmica.

Decoração e joias

Vidro colorido de qualidade especial é freqüentemente usado em joias, substituindo gemas naturais de preço muito mais alto. Um exemplo é o vidro Swarovski, que é utilizado na produção de uma ampla gama de produtos decorativos, além de acessórios de moda ligados à joalheria.

Em outros tipos de produtos, é comum a venda de contas de vidro coloridas que são utilizadas na confecção de colares e pulseiras artesanais, tanto para marketing quanto para puro entretenimento.

Segundo dados publicados pelo site CIAdvanced,[32]​ as principais indústrias transformadoras de vidro do mundo (a grande maioria partilha esta atividade com a fabricação de materiais cerâmicos), estão concentradas no Japão, na Europa e nos Estados Unidos.

O potencial económico destas empresas é considerável. A maior delas, a empresa francesa Saint-Gobain, faturou 45 mil milhões de dólares em 2014 e empregou cerca de 60 mil trabalhadores, dos quais cerca de 3.700 dedicados a tarefas de investigação e desenvolvimento. Seus principais clientes são a indústria automotiva, aeroespacial, usinas de energia e óptica oftalmológica. O tamanho das empresas japonesas também é notável, representando quatro das dez maiores.

A menor das dez, a austríaca RHI AG, teve em 2014 um volume de negócios de 1,9 mil milhões de dólares e empregou 8.000 trabalhadores.

Por outro lado, a empresa americana Owens-Illinois é a maior fabricante mundial de embalagens de vidro. Tem um volume de negócios de 7,4 mil milhões de dólares anuais e emprega 24.000 trabalhadores.

(Ver: Fabricação de vidro).

Tipos de vidro: