O vidro é sólido ou líquido?

O vidro é sólido ou líquido? Você já ouviu essa pergunta alguma vez? Essa indagação tem intrigado as pessoas há muito tempo. Os primeiros estudos sobre a estrutura e a definição do vidro foram realizados em 1830, e de lá para cá muitos conceitos foram sendo alterados à medida que a ciência e a tecnologia desenvolviam-se.

De início, provavelmente a primeira resposta que nos viria à mente seria a de que o vidro é sólido. Porém, dúvidas começam a surgir quando nos deparamos com o seu processo de fabricação. Vamos entender um pouco mais sobre isso?

Existem vários métodos de produção do vidro, tais como deposição química de vapor, pirólise, irradiação de nêutrons, processo sol-gel, entre outros. O processo mais utilizado atualmente é o método clássico de fusão/resfriamento.

Como o próprio nome indica, nesse processo, uma mistura de substâncias em pó é levada a um forno, em uma temperatura de cerca de 1500ºC. Nesse forno, a mistura funde-se (passa do estado sólido para o líquido) e forma uma massa pastosa com uma viscosidade parecida com a do mel. Esse vidro é, então, retirado do forno de fusão e modelado enquanto é resfriado, atingindo a estrutura rígida que conhecemos.

Geralmente as substâncias utilizadas na mistura vítrea como matérias-primas para a preparação do vidro, são a sílica ou dióxido de silício (SiO₂ ), que está presente na areia, mas, nas fábricas, costuma-se utilizar outra forma cristalina de dióxido de silício, que é o quartzo; a barrilha ou soda (carbonato de sódio - Na₂CO₃) e o calcário (carbonato de cálcio - CaCO₃). Esses três materiais são triturados e transformados em pó, sendo depois misturados na proporção adequada.

A massa formada com a fusão é constituída pelos silicatos de sódio e cálcio:

barrilha + calcário + areia → vidro comum + gás carbônico
Na₂CO₃ + CaCO₃ + SiO₂ → silicatos de sódio e cálcio + gás carbônico
x Na₂CO₃ + y CaCO₃ + z SiO₂ → (Na₂O)_x . (CaCO)_{y .} (SiO₂)_z + (x + y) CO₂

Nas indústrias, é comum a adição de cacos de vidro à mistura, que é um meio de reciclagem do vidro.

Apesar de aqui serem mencionadas somente substâncias inorgânicas, existem também vidros feitos de materiais orgânicos e metálicos.

Ao analisar esse processo, alguns talvez poderiam pensar que o vidro seria líquido, pois ele sai como um líquido homogêneo depois de fundido no forno. No entanto, o vidro não é classificado nem como líquido nem como sólido somente, mas sim como um sólido não cristalino. Como assim?!?

Para entender, vamos comparar os vidros aos cristais. Estes, em geral, são sólidos cristalinos, ou seja, apresentam uma estrutura cujo arranjo dos átomos é periódico e simétrico.

O vidro, por outro lado, não apresenta um arranjo atômico com simetria e periodicidade translacional, mas é formado por uma rede tridimensional estendida e aleatória, conforme a ilustração a seguir:

Com base nisso, alguns afirmam que o vidro é um sólido amorfo. No entanto, apesar de os sólidos amorfos também serem sólidos não cristalinos, eles são diferentes dos vidros. Enquanto os vidros apresentam transição vítrea, os sólidos amorfos não apresentam esse fenômeno.

Assim, podemos definir os vidros como sólidos não cristalinos que apresentam transição vítrea. Mas o que é uma transição vítrea?

Quando o vidro fundido está sendo resfriado, é necessário certo tempo para que as unidades formadoras orientem-se de modo que fiquem organizadas e, assim, formem o cristal. Esse fenômeno ocorre em uma faixa de temperatura denominada transição vítrea. Essa é uma faixa de temperaturas que se inicia com a relaxação estrutural, ou seja, quando começam a ocorrer mudanças em algumas propriedades do material, como viscosidade, capacidade calorífica e expansão térmica.

Assim, a temperatura de transição vítrea define a passagem do estado vítreo para o estado viscoelástico. Este se refere a materiais que, ao aplicarmos uma força, respondem elasticamente, mas não de maneira instantânea nem de forma permanente. Já o estado vítreo corresponde a um comportamento em que, ao aplicarmos uma força sobre o material, ele não responde elasticamente — não se deforma —, mas absorve e dissipa energia. Assim, o resultado é que o corpo acaba quebrando-se.

Quando esse resfriamento é feito de modo rápido (que é o caso dos vidros), as unidades perdem a mobilidade antes de se ordenarem, não ocorrendo a cristalização. Isso significa que o resfriamento do vidro ocorre em uma temperatura abaixo da temperatura de transição vítrea. Se a temperatura for superior à temperatura de transição vítrea (que é característica para os vidros), o material passará a ter um comportamento viscoelástico.

Por Jennifer Fogaça
Graduada em Química