Del laboratorio a la vida: Aprender las propiedades del cuarzo y del vidrio de borosilicato

Introducción

Los materiales de vidrio ocupan un lugar central en nuestra vida cotidiana y en los laboratorios. Figuran en equipos y maquinaria que utilizamos a diario y son fundamentales en laboratorios de investigación e industrias por su precisión y seguridad. El vidrio de cuarzo y el vidrio de borosilicato ocupan posiciones fundamentales en la ciencia, la industria y la tecnología. Se eligen por sus propiedades únicas.

¿Qué es el vidrio de cuarzo?

El vidrio decuarzoestá formado principalmente por dióxido de silicio (SiO₂). Existe en dos formas: cuarzo natural y cuarzo sintético. El cuarzo natural se forma en la tierra a lo largo de miles de años. El cuarzo sintético se produce en condiciones controladas de gran pureza.

El cristal de cuarzo es muy puro y muy transparente. Es transparente, lo que lo hace perfecto para aplicaciones ópticas. Es muy estable térmicamente. La estabilidad térmica conlleva una alteración mínima de su estructura. El vidrio de cuarzo tiene una baja expansión térmica. No cambia de forma aunque se caliente y se enfríe repetidamente. El vidrio de cuarzo es muy duro y resistente a los productos químicos. Estas propiedades resultan convenientes en entornos duros y procesos a alta temperatura.

El vidrio de cuarzo se utiliza normalmente en lugares donde cualquier contaminante comprometería la precisión de las mediciones. La claridad óptica es esencial en la mayoría de los dispositivos científicos y aplicaciones de alta tecnología. Los laboratorios que utilizan vidrio de cuarzo disponen de componentes ópticos especiales para espectroscopia y hornos de alta temperatura.

¿Qué es el vidrio borosilicato?

El vidrio borosilicato se fabrica combinando dióxido de silicio, óxido de boro (B₂O₃) y algunos óxidos menores. La fórmula exacta puede variar de una empresa a otra. Este tipo de vidrio se popularizó gracias a productos como Pyrex, que existen desde hace muchas décadas.

La introducción del óxido de boro confiere a este vidrio sus propiedades únicas. El vidrio borosilicato tiene una mayor resistencia al choque térmico. Soporta cambios bruscos de temperatura sin romperse. Su resistencia química es moderada y acepta la mayoría de los productos químicos de laboratorio. Su dilatación térmica es inferior a la del vidrio sodocálcico habitual. Esto evita que se rompa cuando el vidrio se enfría o se calienta rápidamente. El vidrio de borosilicato también es resistente mecánicamente, por lo que soporta usos cotidianos como la cocina y el almacenamiento de productos químicos.

Este vidrio se utiliza habitualmente en productos que necesitan a la vez solidez y resistencia térmica. Se encuentra en vasos de laboratorio, matraces y condensadores. Sus propiedades también hacen que se utilice con frecuencia en utensilios de cocina domésticos.

Diferencias entre el cuarzo y el borosilicato

Los dos vidrios tienen propiedades diferentes. A continuación se resumen sus diferencias:

Propiedades térmicas:

- El vidrio de cuarzo se ablanda y funde a temperaturas extremadamente altas. Sus características de baja dilatación térmica lo hacen extremadamente útil para aplicaciones de alta temperatura.

- El vidrio de borosilicato tiene un punto de fusión más bajo que el cuarzo, por lo que su resistencia al choque térmico es una gran ventaja para su uso en laboratorios y para usos generales.

Propiedades mecánicas:

- El vidrio de cuarzo es muy duro. También es quebradizo. Se rompe por impacto.

- El vidrio de borosilicato es menos quebradizo. Tiene una buena resistencia mecánica y soporta mejor algunos choques.

Durabilidad química:

- El vidrio de cuarzo es resistente a la mayoría de los productos químicos, como ácidos y bases.

- El vidrio de borosilicato tiene una resistencia química moderada, suficiente para la mayoría de las aplicaciones de laboratorio, pero con el tiempo se descompondrá con ácidos y bases fuertes.

Propiedades ópticas:

- El vidrio de cuarzo tiene buena transparencia y buena transmisión ultravioleta (UV).

- El vidrio de borosilicato también es transparente, pero puede presentar pequeñas variaciones en la transmisión ultravioleta en función de los aditivos de su composición.

Aplicaciones de laboratorio

El vidrio de cuarzo se utiliza en laboratorios porque es estable a altas temperaturas y puro. Los científicos utilizan componentes de cuarzo en hornos de alta temperatura. Su estado estable y transparente favorece a los instrumentos ópticos. Algunos equipos de espectroscopia utilizan vidrio de cuarzo por su precisión.

El vidrio de borosilicato es omnipresente en la mayoría de los equipos de laboratorio. Los vasos de precipitados, los matraces y los condensadores son de vidrio de borosilicato. Su resistencia al choque térmico evita accidentes cuando se producen cambios rápidos de temperatura. Los equipos de procesamiento químico también aprovechan su resistencia al desgaste. Los dos vidrios se utilizan para diferentes funciones de laboratorio. El vidrio de cuarzo se utiliza para fines que requieren una pureza y estabilidad muy elevadas. El vidrio de borosilicato es adecuado para las aplicaciones cotidianas de laboratorio y el procesamiento químico general.

Usos industriales y normales

El vidrio de cuarzo encuentra aplicaciones de uso moderno en equipos cotidianos e industrias de alta tecnología. Se encuentra en la fibra óptica, donde se necesita precisión y transparencia. La electrónica y la fabricación de semiconductores también dependen del cristal de cuarzo. Los cristales de cuarzo se utilizan en relojería para el funcionamiento preciso de los relojes.

El vidrio de borosilicato es ampliamente reconocido en hogares e industrias. Los utensilios de cocina de vidrio de borosilicato toleran bien el calor. Los productos de laboratorio, habituales en las escuelas, se fabrican con este material. Los componentes de iluminación suelen ser de vidrio de borosilicato por su resistencia al choque térmico. Además, los frascos de almacenamiento de productos químicos fabricados con vidrio de borosilicato son fiables y duraderos.

La elección entre estos tipos de vidrio depende del coste, la dureza y las necesidades de rendimiento. El vidrio de cuarzo tiene una mayor pureza química y una resistencia extrema al calor. El vidrio de borosilicato logra un equilibrio entre coste y prestaciones para uso doméstico y comercial.

Experimentos prácticos para observar las propiedades

Los experimentos sencillos ayudan a comprender mejor estos vidrios. Los siguientes experimentos pueden realizarse en un laboratorio doméstico o escolar.

Demostración de resistencia al calor:

Coloque algunos vidrios de cuarzo y borosilicato en fuentes de calor separadas. Observe cómo soportan los cambios de temperatura. El vidrio de cuarzo debe soportar el calor extremo y no perder su forma. El vidrio de borosilicato soporta bien los cambios bruscos.

Observación de la transparencia y del índice de refracción

Ambos tipos de vidrio deben iluminarse con una fuente de luz. Se observará cómo se refracta la luz a través de ambos materiales. El vidrio de cuarzo suele tener una refracción clara y consistente. El vidrio borosilicato es transparente pero puede mostrar diferencias mínimas.

Añada una gota de ácido o base suave a cada muestra. Déjela reposar durante unos instantes y enjuague el vidrio con agua. El vidrio de cuarzo apenas se ve afectado debido a su alta resistencia. El vidrio de borosilicato probablemente mostrará reacciones menores, lo que da fe de su baja resistencia.

Estas pruebas ilustran cómo actúa cada tipo de vidrio bajo tensión. Demuestran por qué se seleccionan determinados tipos para un uso particular. Una simple prueba demuestra las diferencias en estabilidad térmica, transmisión luminosa y resistencia química.

Conclusión

El vidrio de cuarzo y el vidrio de borosilicato tienen propiedades especiales que son apropiadas para diferentes aplicaciones. El vidrio de cuarzo es superior en pureza, estabilidad térmica y baja dilatación térmica. Se utiliza sobre todo en entornos de alta temperatura y alta precisión en laboratorios e industrias. El vidrio de borosilicato tiene mejor resistencia al choque térmico, estabilidad química moderada y buena resistencia mecánica. Se utiliza ampliamente en equipos de laboratorio, utensilios de cocina y componentes industriales. Para más información y experimentos STEM, consulte Materiales Avanzados de Stanford (SAM).

Preguntas más frecuentes

F: ¿Por qué el vidrio de cuarzo es apropiado para altas temperaturas?

P: Su pureza y estabilidad térmica le permiten resistir fuertes cambios de temperatura con una dilatación mínima.

F: ¿Por qué el vidrio de borosilicato es habitual en los utensilios de cocina?

P: Su dureza y alta resistencia al choque térmico le permiten ser seguro para cocinar y verter líquidos calientes.

F: ¿En qué se diferencian el cuarzo y el vidrio de borosilicato en cuanto a resistencia química?

P: El vidrio de cuarzo tiene una mayor resistencia química, mientras que el vidrio de borosilicato ofrece una resistencia moderada.