ENLACE IONICO Y SEMICONDUCTOR

Enlace Metálico y Semiconductores

Un enlace metálico es un enlace químico que mantiene unidos los átomos (unión entre núcleos atómicos y los electrones de valencia que se agrupan alrededor de estos como una nube) de los metales entre sí. Estos átomos se agrupan de forma muy cercana unos a otros, lo que produce estructuras muy compactas.

Es el tipo de enlace que se produce cuando se combinan entre si los elementos metálicos; es decir, elementos de electronegatividades bajas y que se diferencien poco. Habitualmente las sustancias metálicas están formadas por átomos de un solo elemento aunque también se obtiene por combinaciones de elementos (aleaciones).

El enlace metálico ocurre en los metales puros y en las aleaciones. Este enlace solo puede estar en sustancias en estado sólido. Como en el enlace covalente, los átomos comparten pares de electrones: pero, en el metálico, muchos átomos comparten muchos electrones. Los electrones de valencia de un metal puro, como la plata o el cobre, forman un chorro de electrones que fluyen libremente a través de la pieza de metal.

Este modelo de enlace explica muchas propiedades de los metales. En seguida se describen algunas de ellas:

• La alta densidad que poseen los metales es provocado por el reducido espacio que existen entre los iones positivos.

• La maleabilidad (capacidad de ser moldeados con herramientas) se debe a que las capas de cationes metálicos se deslizan unas sobre otras.

Habitualmente las sustancias metálicas están formadas por átomos de un solo elemento aunque también se obtienen por combinaciones de elementos (aleaciones). Los átomos metálicos ceden sus electrones de valencia a “la nube electrónica” que engloban a todos los átomos del metal. Así el enlace metálico resulta de las atracciones electrostáticas entre los restos positivos y los electrones móviles que pertenecen en su conjunto a la red metálica.

En el enlace metálico los átomos no pertenecen a ningún átomo determinado. Además es un enlace no dirigido, porque la nube electrónica es común a todos los restos.

Además, debido a la baja electronegatividad que poseen los metales, los electrones de valencia son extraídos de sus orbitales y tienen la capacidad de moverse libremente a través del compuesto metálico, lo que otorga a éste las propiedades eléctricas y térmicas. Este enlace sólo puede presentarse en sustancias en estado sólido. Para explicar las propiedades características de los metales (su alta conductividad eléctrica y térmica, ductilidad y maleabilidad,...) se ha elaborado un modelo de enlace metálico conocido como modelo de la nube o del mar de electrones:

Los átomos de los metales tienen pocos electrones en su última capa, por lo general 1, 2 ó 3. Estos átomos pierden fácilmente esos electrones (electrones de valencia) y se convierten en iones positivos, por ejemplo Na+, Cu2+, Mg2+.

Esta propiedad, la de la conductividad, requiere para ser explicada que los electrones implicados en el enlace metálico tengan libertad y facilidad de movimiento. Es por este motivo que, para que los metales tengan electrones móviles, requieren 2 características a nivel atómico: la primera, una energía de ionización baja (recordemos que la energía de ionización es la energía necesaria para arrancar un electrón de la capa de valencia) y la segunda, que posean orbitales de valencia vacíos y accesibles que permitan a los electrones moverse con facilidad.

Estas son dos: el modelo de la nube de electrones y la teoría de bandas.

EL MODELO DE NUBE DE ELECTRONES

Los átomos metálicos ceden sus electrones de valencia a la “nube electrónica” que engloba a todos los átomos del metal. Así pues, el enlace metálico resulta de las atracciones electrostáticas entre los restos positivos y los electrones móviles que pertenecen en su conjunto a la red metálica.

En el enlace metálico, los electrones no pertenecen a ningún átomo determinado. Además, es un enlace no dirigido, porque la nube electrónica es común a todos los restos atómicos que forman la red.

Hay que aclarar que los átomos cuando han cedido los electrones a la nube común, son realmente iones, ya que los electrones quedan dentro de la red, perteneciendo a todos los “restos positivos”. Este modelo es muy simple y sirve para interpretar muchas de las propiedades de los metales; aunque tiene ciertas limitaciones, principalmente en la explicación de la diferente conductividad de algunos metales. En cuanto a la conductividad, se pueden dar 3 tipos de materiales:

• Conductores: son elementos metálicos los cuales son capaces de conducir la corriente eléctrica, debido a que la banda de valencia y la banda de conducción están juntas, permitiendo el paso libre de los electrones de una banda a otra.

• Aislantes: son los elementos que no son capaces de conducir la corriente eléctrica. La banda de valencia y la banda de conducción están separadas por una gran brecha energética que impide la conducción.

• *Semiconductores: son los elementos cuya brecha energética prohibida es menor y se puede alcanzar la banda de conducción en determinadas circunstancias.

En la teoría del gas electrónico (también llamada del mar de electrones o de la nube electrónica), los átomos metálicos pierden sus electrones de valencia y forman una red compacta de cationes. Por ejemplo, en el caso del sodio, cuya configuración electrónica es:

Los cationes Na+, formados por los núcleos atómicos y los electrones de las capas internas, se empaquetan y los electrones de valencia se mueven con libertad. Estos electrones no pertenecen ya a los átomos individuales, sino que son comunes a todos los átomos que forman la red. Se dice que los electrones están des localizados.

Dada la libertad de movimiento de los electrones de valencia, esta teoría para el enlace metálico explica muy bien muchas de las propiedades metálicas, tales como la elevada conductividad eléctrica y térmica. También explica la ductilidad y la maleabilidad o la resistencia a la deformación, porque las capas de cationes pueden deslizarse unas sobre las otras, manteniendo el tipo de estructura y la fortaleza del enlace.

TEORIA DE BANDAS

En función de su conductividad eléctrica, los sólidos se pueden clasificar en tres grupos: aislantes, conductores y semiconductores. Esta última propiedad, la semiconductividad, no puede ser explicada a partir del modelo del mar de electrones visto hasta ahora para el enlace metálico. Se requiere una teoría más profunda que es la teoría de bandas la cual, además de explicar la semiconductividad, explica también por qué los metales son muy buenos conductores de la electricidad.

Consideremos el metal litio, cuya configuración electrónica es:

Vemos que un átomo de litio presenta un orbital 1s lleno (con 2 electrones) y un orbital 2s semi lleno (con 1 electrón). También podemos considerar a efectos prácticos los orbitales 2p, que estarán en la capa de valencia del litio, aunque vacíos.

Pues bien, la Teoría de bandas considera que los orbitales atómicos de valencia de los N átomos del litio que estarán formando enlace metálico, se combinan entre sí para dar unos orbitales moleculares, pertenecientes a todo el cristal y con energías muy semejantes entre sí.

Tan cercanos se hallan energéticamente estos orbitales moleculares formados, que decimos que dan lugar a una banda. Se obtienen tantos orbitales moleculares como orbitales atómicos se combinen.

Así, si tenemos N átomos de litio, tendremos N orbitales atómicos 2s que darán lugar a N orbitales moleculares que podemos llamar también 2s por facilidad de comprensión. Estos orbitales estarán muy próximos en energía y darán una banda 2s. Lo mismo sucederá con los orbitales 3N 2p de los N átomos de litio (cada átomo de litio tendrá 3 orbitales 2p, px, py y pz), aunque estén vacíos, dando lugar también a una banda 2p.

A la banda formada por los orbitales 2s semi llenos se le llama banda de valencia. A la banda vacía formada por los orbitales 2p, se la llama banda de conducción.

Por tanto, en los metales, hay bandas de valencia, que son bandas en las que se hallan los electrones de valencia y pueden estar llenas o semillenas, dependiendo de la configuración electrónica del metal, y bandas de conducción, que pueden hallarse vacías o parcialmente vacías y facilitan la conducción porque son energéticamente accesibles. De hecho, los metales son conductores porque las bandas de valencia y de conducción se superponen, y esto hace que los electrones se muevan con libertad de una a otra.

En el caso de los semiconductores, las bandas de valencia y de conducción no se superponen, pero la diferencia energética entre ambas es pequeña, por lo que una pequeña aportación energética hará que puedan promocionar electrones a la banda de conducción y, por tanto, conducir la corriente eléctrica.

En los aislantes, por su parte, las dos bandas están tan alejadas que la banda de conducción es inaccesible, motivo por el cual son incapaces de conducir la corriente:

PROPIEDADES DE LOS METALES

Las propiedades que se dan en los metales son consecuencia del tipo de enlace que se da entre sus átomos. Algunas de estas propiedades son:

• A excepción del mercurio, los metales puros son sólidos a temperatura ambiente. No obstante, sus puntos de fusión son variables, aunque generalmente altos.

• Son buenos conductores de la electricidad y del calor, debido al movimiento de los electrones. Se les llama conductores.

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