DO QUE É FEITO O VIDRO?

O vidro é formado devido ao resfriamento de sílica (dióxido de silício ou SiO₂) fundida — sob a forma de areia — com alguns aditivos, que, normalmente, são carbonatos em geral para agirem como fundentes. Fundentes são substâncias que ajudam a diminuir o ponto de fusão de uma mistura, pois, caso contrário, gastaria-se muita energia para fundir a sílica, já que seu ponto de fusão é bem alto (acima de 1800 °C), apesar que convém em certas ocasiões ter um vidro feito com sílica pura, daqui a pouco explicaremos melhor isso. Outros aditivos são usados para dar cor ao vidro, como vimos na página anterior. Como fundentes, costuma-se usar cerca de 10% de carbonato de cálcio e 15% de carbonato de sódio (CaCO₃ e Na₂CO₃, respectivamente), abaixando, assim, o ponto de fusão para cerca de 850 °C. Vidros feitos de sílica quase pura são caros, pois são difíceis de serem trabalhados. São empregados em vidrarias especializadas e em equipamentos ópticos. São os chamados “vidros de quartzo”.

O dióxido de silício é a substância mais abundante na crosta terrestre. Ele se apresenta de diversas formas, desde pedras preciosas e semi-preciosas até a areia vulgar, passando pela argila, quartzo (ou cristal de rocha) e rochas em geral. Este composto é um óxido ácido, também chamado de “anidrido”. Óxidos ácidos são aqueles que, em solução aquosa, reagem com a água, dando origem a um ácido ou reagem com uma base dando origem a um sal. Todos os óxidos ácidos resultam da combinação de um não-metal com oxigênio, formando uma mistura binária (dois elementos), onde o elemento mais eletronegativo tem, obrigatoriamente, que ser o oxigênio. Diz a regra que toda regra tem exceção; no caso, o composto OF₂ não é um óxido, mas um fluoreto de oxigênio, posto que o flúor possui eletronegatividade maior que a do oxigênio.

Levando isso em conta, a regra que diz que diz que toda a regra tem exceção possui uma exceção, pois o caso do OF₂ segue direitinho à regra que define a natureza dos óxidos. Assim, a regra não possui exceções, o que faz da regra das exceções ter uma exceção e isso confirma parte das regra das exceções. E ainda há quem diga que a Química é complicada…

O dióxido de silício é resistente à maioria dos materiais, não sendo sequer solúvel em água (salvo situações específicas que vocês entenderão no decorrer do texto), o que pode ser notado nas praias, já que a água do mar não dissolve a areia da praia e nem mesmo acontece o fenômeno da supersaturação (ver. Soluções e Dispersões). Isso significa que não se pode simplesmente dissolver SiO₂ em água para obter o ácido silícico (H₂SiO₃), mas podemos reagir o SiO₂ com bases fortes (como o hidróxido de sódio, NaOH) para obter silicatos, como o silicato de sódio (Na₂SiO₃), que às vezes (e erroneamente) é chamado de “vidro líquido”. O dióxido de silício não reage com ácidos normais, nem mesmo com o poderoso ácido perclórico (HClO₄), o mais forte de todos os ácidos inorgânicos, forte oxidante e com caráter explosivo.

Nem mesmo misturas altamente oxidantes como a água régia (mistura dos ácidos clorídrico e nítrico) exercem efeito sobre a sílica. Isso até me lembra o tempo em que eu fui estagiário do Museu Nacional e (ir)responsável pelo Laboratório de Química do setor de Geologia e Paleontologia. Os “gênios” não instalaram bico de gás na capela (lugar provido de exaustão e não um lugar pra rezar, antes que façam piadinhas), e me deram uma amostra mineral que achavam ser sílex (um dia, ainda traduzo esta página da Wiki). Sendo sílex, ele seria resistente aos ácidos (sem resultado) ou à água régia a quente. Preparei a água régia (onde descobri que lá também não havia luvas nem máscara. EPI é pra fracos!), coloquei a amostra num béquer e este sobre uma tela de amianto, montando o conjunto sobre um bico de Bunsen. Comecei a atacar o mineral com a mistura oxidante sob aquecimento (fora da capela, pois não tinham instalado o bico de gás lá) e saí do laboratório, pois eu nunca fui idiota ao extremo. Em menos de 20 minutos o setor estava fedendo à mistura de ácidos e eu do lado de fora do prédio, vendo se tinha dinheiro pra passagem de ônibus pra voltar pra casa. Isso ficou até que o cheiro começou a desagradar as bundonas estagiárias da entomologia que trabalhavam no andar de cima, tendo elas ido reclamar comigo. Como eu não podia fazer nada (a não ser dar meu apoio e oferecer um ombro e outras partes anatômicas amigo), elas foram reclamar na chefia do departamento, que milagrosamente estava presente no dia (era dia de assinar o ponto, sabem?). Num instantinho instalaram o bico de gás na capela. Aliás, adorava aquela capela, onde fiz muitas experiências que não deveria ter feito, como uma mistura semelhante à termite (só que um pouco mais hardcore. Eu sou o máximo!), que chegou ao ponto de quase derreter a bancada. Estagiário só faz merda e cabeça vazia é oficina do Diabo, ainda mais quando você tem ao seu dispor um armário repleto de reagentes e vários livros de Química sobre a mesa.

Observação: Essa da “termite Chuck Norris” eu fiz isso num dia de meio do mês e a assinatura do ponto é só no dia 30-31. Logo, ninguém ficou sabendo. Shhhhhh!!!!

Saindo dos devaneios, a amostra rochosa não foi atacada por nenhum ácido e nem pela água régia, o que comprovava ser formada quase que inteiramente de sílica. Devido ao seu aspecto, a conclusão era que a amostra era sílex, mesmo. Para que essa informação? Não sei. Ninguém dá satisfação a estagiário. Provavelmente, era para fazer alguma decoração num apartamento ou dar de presente à amante.

Voltando ao assunto, é importante entender as propriedades químicas e físicas da sílica, pois assim entendemos melhor o vidro. Segundo um adágio entre os químicos (que, por sinal, acabei de inventar): dizei que substâncias tens e eu te direi quem és.

Usamos frascos de vidro para armazenar ácidos concentrados, mesmo o perclórico ou ácido sulfúrico a 109% (não, não me enganei no número. Google it), mas não armazenamos soluções de bases (também chamadas de “álcalis”), por motivos explicados acima. É interessante que meus alunos sempre se espantam ao verem ácidos armazenados em frascos de vidro, pois o senso comum diz que ácido “corrói” qualquer coisa; mas entre o que o senso comum acha e o que acontece no mundo real, há uma estúpida diferença. Somente um ácido inorgânico não pode ser armazenado em frascos de vidro: o ácido fluorídrico (HF).

Em presença de ácido fluorídrico, acontece uma série de reações em sequência. Primeiramente, a sílica reage com o HF formando tetrafluoreto de silício (SiF₄), descoberto em 1771. Este composto é gasoso à temperatura ambiente e não é capaz de atacar o vidro se ele estiver seco. Se passarmos o SiF₄ em água, haverá a formação de tetraidróxido de silício Si(OH)₄, liberando HF de volta. Lindo, não? Em presença de excesso de HF, o SiF₄ forma o ácido fluossilícico. Abaixo, vemos a sinfonia maravilhosa das cândidas substâncias que participaram das reações:

SiO₂ + 4 HF —-> SiF₄ + 2 H₂O

SiF₄ + 4 H₂O —-> Si(OH)₄ + 4 HF

SiF₄ + 2 HF —-> H₂SiF₆

Como eu gosto de simplificar, e uma reação química nunca acontece isoladamente, podemos combinar todos estes passos numa única reação (devidamente balanceada):

SiO₂ + 6 HF —-> Si(OH)₄ + H₂SiF₆

Tudo isso em perfeito equilíbrio na paz do Senhor. Mas — e sempre tem um “mas” — vidro não é única e exclusivamente sílica pura, ele é uma mistura. No final das contas, para simplificar mais ainda, podemos dizer que o ácido fluorídrico reage com a sílica e silicatos – (SiO₃)^—2 – formando o íon fluossilicato, (SiF₆)^—2. Aliás, é por este ataque que se usa o HF para fazer desenhos em vidros. Basta cobrir a área a ser atacada com parafina derretida e esperar que a mesma endureça. Depois, com um estilete, faz-se os desenhos que se quer e, então, aplica-se o HF. Lava-se a peça, remove-se a parafina e teremos os desenhos gravados no corpo do vidro (obviamente, o processo assim descrito é artesanal). Os fluossilicatos são solúveis em água e acabam dissolvidos na água de lavagem, deixando o seu desenho límpido e claro, com perfeição diretamente proporcional à habilidade de quem executa o trabalho.

Quando pegamos uma solução de silicato de sódio e a aquecemos a cerca de 100 °C, em presença de ácido clorídrico (HCl), a mesma se decompõe. Um ácido fraco sempre é deslocado por um ácido mais forte, o que significa dizer que qualquer sal de um ácido fraco por dar origem ao seu ácido correspondente, ao se fazer reagir com um ácido mais forte. Sendo assim, o HCl reage com  o Na₂SiO₃, formando um precipitado gelatinoso de ácido silícico. Mas não simplesmente um ácido silícico qualquer. É o que chamamos “sílica-gel”, que nada mais é do que dióxido de silícico com moléculas de hidratação intramolecular, ou seja, existe água de hidratação presa na molécula do SiO₂. Sua fórmula molecular é, portanto, SiO₂.nH₂O, onde n é um número inteiro, indicando uma certa quantidade de moléculas de água presa no retículo cristalino da sílica.

A sílica-gel tem propriedades incríveis em confronto com a sílica comum. A começar pelo seu caráter higroscópico (grande afinidade por água). Enquanto a sílica comum é insolúvel em água, a sílica-gel se dissolve tranquilamente no referido solvente. É um dos mais importantes e baratos dessecantes utilizados, empregados em dessecadores e ambientes que se precise estar completamente seco. Aparelhos sensíveis à umidade, como máquinas fotográficas (estou falando de máquinas de verdade e não da sua Tekpix), normalmente vêm com um sachezinho de papel com sílica-gel dentro. Sua principal vantagem é que pode ser reutilizada, depois de ter se saturado de água. Também é usada em armários e embalagens de alimentos, já que a existência de umidade acelera o processo de deterioração.

Ao contrário de outras substâncias dessecantes, como o cloreto de cálcio, ao aquecermos a sílica-gel a cerca de 120 °C, a água de hidratação irá se evaporar e basta que a guardemos num lugar sem umidade para conservá-la bem até que seja usada. Para indicar quando a sílica-gel está saturada algumas vêm com cloreto de cobalto impregnado nela. O cloreto de cobalto possui uma característica interessante: ao absorver umidade, ele adquire uma coloração rósea; à medida que perde a água de hidratação, sua coloração passa a azulada até chegar a violeta.Se você se lembrou do “galinho do tempo” de sua avó, já sabe com o que ele era impregnado e se você parar para pensar, saberá como ele “previa” o tempo.

No caso da sílica-gel, a imagem abaixo ilustra a diferença entre os estados hidratado e desidratado:

Deixando a sílica-gel e abordando outras propriedades físicas, a temperatura em que o vidro se funde é determinada pelas impurezas contidas nele (como foi dito no caso dos “fundentes”). A isso, soma-se uma péssima condutividade elétrica e térmica. Podemos tranquilamente segurar um tubo de vidro com diâmetro de 5 mm por uma extremidade e levar a outra extremidade diretamente ao fogo. O máximo que vai acontecer é o fluxo de gases quentes passarem pelo tudo e começarem a queimar a sua mão, mas o vidro não tem culpa disso.

O vidro é transparente e deixar passar a maior parte da luz, e apesar de não ter suas moléculas em formato absolutamente cristalino, apresenta uma organização molecular de forma que permita a passagem de luz. Abaixo temos uma representação de como seria a organização molecular do vidro, em contraposição à organização molecular do cristal de rocha:

Cristal de rocha

Vidro

Este arranjo molecular é importante, pois é ele que confere as propriedades físicas do vidro. Assim, por causa dos fundentes, o vidro possui um ponto de ebulição mais baixo que o do quartzo, mas não é só isso. Seu coeficiente de dilatação térmica é maior, enquanto que o quartzo possui o ridículo coeficiente de dilatação térmica em torno de 0,0000005. O que significa isso? Isso mede o quanto, em tese, um corpo se dilata ao ficar sobre ação do calor. Em outras palavras, quando você aquece uma barra de ferro, por exemplo, ela aumenta de tamanho, onde a dilatação pode ser linear ou volumétrica. É por causa disso que trilhos de trem não são coladinhos uns nos outros, mas possuem um espaço entre eles, de forma que quando o trilho se dilatar sob o calor do sol, a via fique sem nenhum dano. No caso do vidro, há um pequeno problema com sua dilatação térmica. Pense numa peça de vidro, como uma tigela, por exemplo. Ao aquecer a sua base,o restante da tigela não estará na mesma temperatura. Lembram que eu mencionei sobre colocar a extremidade de um tubo de vidro na chama, enquanto eu seguro na outra extremidade? Pois, é, sendo um péssimo condutor de calor, apenas a base da tigela estará quente, e sofrerá dilatação, enquanto que outras partes da mesma tigela não acompanharão esta dilatação. É por isso que o vidro estoura quando está muito quente. O mesmo acontece se você tirar uma travessa do forno e colocar sobre uma superfície muito fria. O ideal é colocá-la sobre uma peça de madeira ou sobre os famigerados “paninhos” que as donas-de-casa tanto adoram.

Vidros de quartzo não possuem estas limitações. A bem da verdade, eu poderia aquecer uma peça feita de quartzo até que ela fique bem vermelha e atirá-la na água fria que ele não racha e muito menos estoura, já que sua dilatação foi praticamente irrisória. Este tipo de vidro é caro, por causa de sua manipulação, mas são excelentes no uso de instrumentos ópticos, como espectrofotômetros. Em formas “contaminadas”, eles se apresentam sob as belíssimas pedras como rubis, safiras e água-marinhas.

Levando em conta que pro dia-a-dia fica inviável usar travessas e jarras de quartzo (e vidros comuns não são o mais adequados para irem no forno, nem servirem de jarras para cafeteiras), são precisos vidros especiais para isso, da mesma forma que existem vidros especiais para a construção civil e até na feitura de carros blindados. Mas isso será visto na próxima página.