Beira

Beira (berina, Iparraldean) naturan aurki daitekeen material ez-organiko gogorra, hauskorra, gardena eta amorfoa da; izan ere, gizakiak ekoitz dezakeen produktua ere bada.

Beste aldetik, material ezorganiko hori  material zeramiko amorfoen mota bat da. Beira artifiziala leihoak, leiarrak, botilak eta hainbat produktu fabrikatzeko erabiltzen da.

Beira ekoizteko erabiltzen diren lehengaiak 1500 °C-tan hauek dira: silize harea (SiO2), sodio karbonatoa (Na2CO3) eta kaltzio karbonatoa (CaCO3).

Herrialde batzuetan, kristal terminoa erabiltzen da haren sinonimotzat; hala ere, ez da egokia,  beira solido amorfoa baita (modu irregularrean antolatutako molekulak dauzka) eta ez solido kristalino bat (molekulak modu erregularrean ordenatuta daude).

Na2O eta SiO2 espezieen diagrama eutektikoan ikus daiteke nola beiran lehenengo espeziearen ehunekoa igo ahala, materialaren fusio tenperatura jaisten den.

Beira egoera 

Betidanik materia hiru egoera tan aurkitu da: solidoa, likidoa eta gaseosoa. XX. mendean bereziki, barne egituraren hainbat azterketaren bidez materia beste egoera batzuetan aurki daitekeela aztertu da. Adibidez, mesomorfo egitura (solido eta likido arteko egoera), plasma egoera (tenperatura oso altuetan dauden gas ionizatuak) eta beira egoera, besteak beste.

Beira egoeran dauden objektuek solido itxura dute, gogortasun eta zurruntasun pixka batekin eta kanpo esfortzu moderatuen aurrean modu elastikoan deformatzen dira. Hala ere, likidoak moduan, optikoki isotropoak dira, hau da, erradiazio ikuskorraren espektro elektromagnetikoren alde handienean gardenak dira. X izpien difrakzioaren bidez egitura aztertzean, likidoek dituzten zehaztugabeko difrakzio banda antzekoak azaltzen ditu beirak. Berotzean biskositatea pixkanaka jaisten doa beiraren deformazio erraza egin arte, likidoetan gertatzen den bezala. Baina fusio puntu argirik ez du azaltzen, beraz egoera solidotik likidora ez dago trantsizio puntuala, jarraitua baizik.

Aztertu diren propietate guztiak kontuan izanik, ikertzaileek beira egoera ez dute egoera desberdin moduan hartu, biskositate altuko likido moduan baizik solido itxura duena. Hipotesi horrek beira egoera metaegonkorra dela adierazten du, oreka egoera lortzeko, hau da, solidoa kristalinoa lortzeko, partikulen aktibazio energia nahikoa beharrezkoa dela.

Beira egoeran dauden objektuek ez dute barne ordenamendurik aurkezten, solido kristalinoetan gertatzen den bezala. Hala ere, desordenamendu ordenatua aurkezten du askotan, hau da, ordenatuta dauden taldeak egituran zoriz agertzen dira. Horrek ikertzaileek barne egituraren inguruko hainbat teoria sorraztea eragin du, teoria atomikoetan eta energetikoetan oinarrituta. Teoria atomiko geometrikoa-ren arabera, silize solido kristalinoan silizio atomoa lau oxigenoz inguratuta dago itxura tetraedrikoa edukiz eta oxigeno bat beste silizio bati lotuta dagoen bitartean. Barne egitura honen eskema 1.Irudian azaltzen da, non laugarren oxigenoa planotik gora kokatzen den. Silizea beira egoerara aldatzean, ordenamendu tetraedrikoa jarraitzen du silizioaren kasuan baina oxigeno eta silizioaren arteko loturak itxuraz desordenatzen dira, hala eta guztiz ere talde ordenatu txikiak mantentzen dira, 2.irudian agertuz.

Beira egoera aurkez dezaketen substantziak ezorganikoak edo organikoak dira, hala nola:
 Elementu kimikoak: Si, Se, Au-Si, Pt-Pd, Cu-Au
 Oxidoak: SiO2, B2O3, P2O5 eta haien konbinazioak
 Konposatuak: As2S3, GeSe2, P2S3, BeF2, PbCl2, AgI, Ca(NO3)2
 Silikonak (semiorganiko moduan kontsideratzen diren substantziak)
 Polimero organikoak: glikolak, azukreak, poliamidak, poliestirenoak edo polietilenoak, etab

Beiraren propietateak 
Beiraren propietateak naturaren, lehengaien eta lortutako konposizio  kimikoaren araberakoak dira. Konposizio kimikoa beiran giro tenperaturan parte hartzen duten elementu kimiko bakoitzaren oxido egonkorren pisuen ehunekoen bidez adierazten da. Gehien erabiltzen diren silikato sodikoen konposizioak hurrengo taulan agertzen diren mugen barnean daude (1. taula)

Ikerketa asko, gehienbat XX. mendearen lehen zatian, beiraren barne egituraren eta propietateen arteko erlazioa ezarri nahi zuten. Ikerketa horien ondorioz, elementu kimikoen eta propietateen arteko erlazioak lortu dira, kontuan izanda ikerketak enpirikoak direla. Bitxikeria moduan, modu molar edo atomikoan azaldutako konposizioak ez dira hain fidagarriak. Bigarren taulan, beiraren propietateak kalkulatzeko koefizienteak agertzen dira.

●    (1): Dentsitatea kuartzo urtuan baino pixka bat altuagoa da (2,5 2,2g/cm³ -ren aurka)

●    (2): Dilatazio termiko linealaren koefizientea ingurune tenperaturan altuagoa da beiran silize urtuan baino (20 aldiz gehiago), honen eraginez silikato sodiko beiraz egindako objektuak ez dira hain erresistenteak talka termikoaren aurrean.

●    (3): Errefrakzio indizea altuagoa da kuartzozko beirarena baino eta gainera gehigarrien erabilpenarekin igo daiteke.

●    (4): Trakzioarekiko erresistentzia azalaren egoerarekiko menpekoa da, hortaz ez da oso fidagarria eta kuantifikatzeko zaila da

●    (5): Eraso kimiko edo fisikoaren aurkako erresistentzia konposizioa kimikoaren berezkoa da. Hala ere, beira mota guztietan erresistentzia altua da. Erresistentzia neurtzeko hainbat proba egiten dira, hala nola DIN 12116, DIN 52322, DIN 12111, etab.

Beira moldeatzeko biskositatea eta tenperatura kontuan izan behar dira. Hirugarren iIrudian biskositatea eta tenperatura erlazionatzen duen grafikoa ageri da, biskositatea logaritmo gisan  adieraziz. Beira moldagarria izateko, 1000 eta 5000 poise beharrezkoak dira. Silizearen kasuan, tenperatura 2600 °C baino handiagoa da, baina beira arrunten kasuan, 1200 °C nahikoa da.

Zonalde ikuskorrean silikato sodikoen argiarekiko xurgapena trantsizio elementuen (Ni, Fe, etab.) menpekoa da. Hala ere, ultramorean eta infragorrian beira opako moduan jokatzen du. Argiaren xurgapena barne egituren araberakoa da. Si-O egituraren kasuan fotoien absortzioa baxua da, baita uhin luzera txikietan ere. Baina hori ez da gertatzen egitura horri beste elementu batzuk (Na, Mg, Ca, etab.) gehitzean, uhin luzera txikietan (200 nm baino txikiagoak) eta infragorrian (700 nm baino handiagoak) gertatzen den absortzioetan eragina dutelako. Beiran trantsizio elementuak daudenean erradiazio ikuskorrean absortzio selektiboak gertatzen dira, eta horrek baimentzen du kolore desberdinetako beirak egotea.

Beira mota nagusiak

Beira-silizea 
SiO2 formula kimikoa duen silizioaren oxidoari silize deritzo: forma polimorfo batzuen menpe egoera solido kristalino moduan aurki daiteke. Ezagunenak kuartzoa, kristobalita eta tridimita dira.

Kuartzoa abiadura motelean berotzen denean, haren egitura polimorfikoa aldatuz doa, kuartzoaren fusio puntura (1723 °C) heldu arte. Tenperatura horretan, biskositate altuko likido koloregabea lortzen da; izan ere, haren tenplaketa (abiadura arinean hoztu) eginez kuartzoaren beira lor daiteke. Azken material horren propietateak askotarikoak direnez, aplikazio anitz ditu; hala nola, ikerkuntzan eta industrian.

Propietateak 
●    Kuartzoaren beira oso erresistentea izaten da produktu kimikoen aurrean; horregatik, oso erabilia da laborategiko materiala egiteko . Beste aldetik, kontuan hartzen da 800 °C-tatik gora material honek gatz alkalinoekin erreakzionatzen duela.

●    Nahiz eta inguruko tenperaturan dentsitate nahiko altua izan (2.2 g/ml) beraren dilatazio koefizientea oso baxua da (5.1*10-7K-1). Horrek eragiten duena da tenperatura aldaketa bortitzak pairatuz gero ez apurtzea.

●    Haren errefrakzio indizea erradiazio elektromagnetiko ikuskorrean 1.4589-koa da. Izan ere, oso material egokia da instrumentazio optikoa egiteko.

●    Elektrizitatearen eroale txarra denez oso isolatzaile ona da.

●    Material gardena da argi ikuskorraren aurrean; ondorioz, material egokia da lanparak eta erradiazio elektromagnetikoaren sortzaileak diren instrumentu desberdinak ekoizteko.

Desabantailak 
●    Kuartzoaren beira ekoizteko, tenperatura oso altuak behar dira: horren ondorioz, ez da prozesu erraza. Horregatik, kuartzo beiraren ekoizpena prozesu industrial mugatua eta garestia da.

●    Beira-kuartzoa lortzeko, solido kristalino purua erabili behar da lehengai modura eta horren ondorioz lortzen den produktuaren balio ekonomikoa handitzen da.

●    Beira-kuartzoaren trakzioarekiko erresistentzia jaisten da egituraren akatsen ondorioz, nahiz eta oso txikiak izan.

●    Giroko tenperaturan, beira-kuartzoak deformazio elastikoa jasan dezake, baina ia deformazio plastikorik ez. Horren ondorioz, material oso hauskorra da.

Sodio silikatoa 
Sodioaren gatz arruntenak 900 °C-tik behera izaten dituzte fusio puntuak.

Kuartzoa berotzen denean (T>800 °C) sodioaren gatz batekin (Na2CO3) honako erreakzio totala ematen da:

SiO2 (s) + Na2CO3 (s) → Na2SiO3 (s) + CO2 (g) ΔH=-5.12 kcal/mol

Erreakzioaren entalpiari erreparatuz, ikus daiteke erreakzioa arinki exotermikoa dela; ondorioz, modu arin batean lehenengo sodio silikatoa ekoiztu daiteke; izan ere, produktu honen fusio puntua 1087 °C-koa izaten da.

Termodinamikari dagokionez, bi substantzia desberdin nahasten direnean eta haien fusio puntuak desberdinak direnean, liquidus puntua sortzen da bi substantzia hauen artean. Horrela, ekoitzi den sodio silikatoaren eta silizearen arteko nahasteak SiO2 eta silikatoak ematen ditu egoera likidoan eta gehienez 1200 °C-tan. Produktu horri sodio silikatoa deritzo: beira itxura  du eta material kolorgea eta hauskorra da; deformatzeko, 900 °C-1220 °C tarteko tenperaturak beharrezkoak dira, lehenengoa SiO2 osagaian gehienbat puruak direnentzat eta bigarrena osagai horretan puruak ez direnentzat. Uretan nahiko solugarriak direnez eta beira silizearekin konparatuz harikorragoak direnez, ez daitezkle beira-silizearen aplikazio beretan erabil.

Material horren aplikazio nagusiak:

-      Kola zeramikoa

-      Uraren xurgatzailea

-      Neumatikoak

Sodio silikatoaren beira 
Beira silizearen propietate antzekoak tenperatura baxuetan lortu nahian, sodio silikatoa beste konposatu batzuekin aleatu egiten da. Horrela, erresistentzia mekanikoa hobetzen da eta  inguruko tenperaturan material inertea bilakatzen da konposatu kimikoen aurrean (ura adibidez).

Aleazio hori egiteko erabiltzen diren konposatu nagusiak alkalinoterreoak izaten dira, gehienbat magnesioa, barioa edo kaltzioa.

Sodio silikatoaren beira ekoizteko, 1450 °C-1600 °C tarteko tenperaturak erabiltzen dira; izan ere, gehien ekoizten den sodio silikatoaren beira ohiko beira izenaz ezagutzen da.

Erreferentziak

Ikus, gainera 
 Leiar
 Beirate

Kanpo estekak 

Beira