Vetri all'ossido: come è costruita la rete
Un vetro è un solido amorfo: i suoi atomi non hanno uno schema che si ripete. Nei vetri all'ossido la rete di base è fatta di tetraedri uniti per gli angoli, come SiO₄. Gli ossidi hanno tre ruoli:
- I formatori di reticolo costruiscono la rete da soli: SiO₂ (silice), B₂O₃ (ossido di boro), P₂O₅.
- I modificatori di reticolo spezzano la rete: Na₂O (soda), K₂O, CaO (calce). I loro ioni metallici si mettono nei vuoti e alcuni atomi di ossigeno perdono il loro legame. Una rete spezzata si ammorbidisce a temperatura più bassa.
- Gli intermedi, come Al₂O₃, possono unirsi alla rete o modificarla, a seconda della miscela.
Il vetro di silice pura resiste benissimo al calore, ma per lavorarlo servono circa 1700 °C o più. Il vetro sodico-calcico (circa 70% di SiO₂, 15% di Na₂O, 10% di CaO) costa poco ed è facile da modellare: finestre e bottiglie. Con la sola soda il vetro si scioglierebbe nell'acqua, per questo si aggiunge la calce, che lo rende durevole. Il vetro borosilicato (silice con circa 13% di B₂O₃) si dilata pochissimo quando si scalda, quindi si usa per la vetreria da laboratorio e per le pirofile. Il vetro al piombo piega fortemente la luce e brilla (vetro cristallo). Piccole quantità di ossidi metallici danno il colore: cobalto blu, ferro verde, cromo verde.
Come si fa il vetro: si fonde la miscela a circa 1500 °C, si modella finché è molle, poi si fa la ricottura (raffreddamento lento) per eliminare le tensioni.
Transizione vetrosa: nessun punto di fusione netto
Un cristallo ha un solo punto di fusione. Il vetro no. Quando si scalda, il vetro diventa sempre più molle in un intervallo di temperature. Sotto la temperatura di transizione vetrosa (Tg) è un solido duro e fragile; sopra Tg diventa un liquido denso e appiccicoso; poi scorre sempre più facilmente man mano che si scalda. Questo cambiamento lento è il motivo per cui i vetrai possono modellarlo con calma.
Perché? In un cristallo tutti i legami sono uguali, quindi si rompono tutti insieme. Nel vetro i legami cambiano da punto a punto, quindi i punti più deboli si ammorbidiscono per primi. Aggiungere modificatori come Na₂O rompe più legami e abbassa Tg. È anche per questo che il vetro ha le stesse proprietà in tutte le direzioni e si rompe con superfici curve.
Vetroceramiche
Una vetroceramica parte come un vetro normale e finisce in parte cristallina. Prima il vetro si produce e si modella facilmente. Poi riceve un trattamento termico controllato in due fasi: una a temperatura più bassa in cui si formano piccoli semi (nuclei), aiutati da agenti nucleanti come TiO₂ o ZrO₂; e una a temperatura più alta in cui i cristalli crescono a partire dai semi. Alla fine dal 50% al 95% del materiale è cristallo, con milioni di cristalli più piccoli di un millesimo di millimetro e una pellicola vetrosa tra l'uno e l'altro.
Rispetto al vetro: è più resistente e più tenace (una crepa deve girare intorno ai cristalli) e sopporta molto meglio i riscaldamenti improvvisi (shock termico). Le vetroceramiche di alluminosilicato di litio si dilatano quasi per niente quando si scaldano. Se i cristalli sono piccolissimi, il materiale può anche restare trasparente.
Usi: piani cottura, pentole, blocchi per specchi di telescopi, ceramiche dentali e vetri per porte tagliafuoco.
Formule e definizioni chiave
- Vetro sodico-calcico ≈ 70% SiO₂ + 15% Na₂O + 10% CaO (+ piccole quantità di altri)
- Vetro borosilicato ≈ 80% SiO₂ + 13% B₂O₃ (+ Na₂O, Al₂O₃)
- Formatori: SiO₂, B₂O₃, P₂O₅; modificatori: Na₂O, K₂O, CaO
- Tg: il vetro passa da solido duro a materiale molle e appiccicoso
- Vetroceramica = vetro + trattamento termico controllato (nucleazione, poi crescita)
Esempi svolti
1. Un vetro è composto da 72% di SiO₂, 14% di Na₂O, 9% di CaO e il resto altri ossidi. Quanti % sono "altri"? Quali sono i modificatori di reticolo?
72 + 14 + 9 = 95, quindi altri = 5%. Na₂O e CaO sono i modificatori; SiO₂ è il formatore.
2. Perché un becher da laboratorio è fatto di borosilicato e non di vetro sodico-calcico?
Il borosilicato si dilata pochissimo quando si scalda, quindi l'acqua calda versata all'improvviso non crea grandi tensioni. Il vetro sodico-calcico si dilata di più e può rompersi.
3. Perché si aggiunge la soda alla silice per fare il vetro delle finestre?
La soda rompe dei legami nella rete e abbassa la temperatura di rammollimento, da circa 1700 °C per la silice pura a circa 1500 °C o meno per il vetro sodico-calcico. Così si risparmia energia e il vetro è più facile da modellare.
4. Come fa una vetroceramica a diventare più tenace del vetro?
Contiene tanti cristalli minuscoli. Una crepa che nasce nel vetro incontra un cristallo e deve piegarsi o fermarsi, quindi serve più energia per rompere il materiale.
Errori comuni
- Dire che il vetro è un liquido. È un solido con disposizione casuale; semplicemente non ha un punto di fusione netto.
- Pensare che "amorfo" voglia dire senza legami. I legami ci sono; manca lo schema ordinato a lunga distanza.
- Confondere formatori e modificatori. I formatori costruiscono la rete (SiO₂); i modificatori la tagliano (Na₂O, CaO).
- Pensare che le vetroceramiche siano uguali al vetro. Sono in parte cristalline e si comportano in modo diverso (più tenaci, bassa dilatazione).