Enlaces Metálicos

Introduccion a la MetalurgiaIng. Karla Guevara

El enlace metálico se produce cuando se unen átomos de un mismo metal, produciéndose estructuras muy compactas formando redes tridimensionales.Las sustancias metálicas tienen propiedades muy características, como el brillo y la conductividad eléctrica, de aquí se deduce que los electrones implicados en este tipo de enlace deben tener gran libertad de movimiento.

Teoría del Mar de ElectronesEn 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 deslocalizados.

Dependiendo del número de electrones de valencia que tenga el metal, habrá tantos electrones deslocalizados como átomos o más. Por ejemplo, en el sodio, que pierde un electrón, habrá tantos electrones como átomos de sodio, pero en el magnesio, que tiene 2 electrones de valencia y los pierde ambos, habrá el doble de electrones que de núcleos de Mg(2+).

Así, los cationes se disponen formando un retículo cristalino compacto o empaquetamiento metálico y cada catión se rodea del número máximo de cationes vecinos. Los electrones de valencia se mueven libremente por los intersticios de la red, formando el gas electrónico y actuando, además, como un colchón que evita la repulsión entre los distintos cationes.

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.

Teoría de Bandas

La teoría de bandas está basada en la mecánica cuántica y procede de la teoría de los orbitales moleculares (TOM). En esta teoría, se considera el enlace metálico como un caso extremo del enlace covalente, en el que los electrones de valencia son compartidos de forma conjunta y simultánea por todos los cationes. Desaparecen los orbitales atómicos y se forman orbitales moleculares con energías muy parecidas, tan

próximas entre ellas que todos en conjunto ocupan lo que se franja de denomina una “banda de energía”.

Aunque los electrones van llenando los orbitales moleculares en orden creciente de energía, estas son tan próximas que pueden ocupar cualquier posición dentro de la banda.

La banda ocupada por los orbitales moleculares con los electrones de valencia se llama banda de valencia, mientras que la banda formada por los orbitales moleculares vacíos se llama banda de conducción. A veces, ambas bandas se solapan energéticamente hablando.

Este modelo explica bastante bien el comportamiento eléctrico no solo de las sustancias conductoras sino también de las semiconductoras y las aislantes.

En los metales, sustancias conductoras, la banda de valencia se solapa energéticamente con la banda de conducción que está vacía, disponiendo de orbitales moleculares vacíos que pueden ocupar con un mínimo aporte de energía, es decir, que los electrones están casi libres pudiendo conducir la corriente eléctrica.

En los semiconductores y en los aislantes, la banda de valencia no se solapa con la de conducción. Hay una zona intermedia llamada banda prohibida.

En los semiconductores, como el Silicio o el Germanio, la anchura de la banda prohibida no es muy grande y los electrones con suficiente energía cinética pueden pasar a la banda de conducción, por esa razón, los semiconductores conducen la electricidad mejor en caliente. Sin embargo, en los aislantes, la banda prohibida es tan ancha que ningún electrón puede saltarla. La banda de conducción está siempre vacía.

Una forma útil de visualizar la diferencia entre conductores, aislantes y semiconductores, es dibujar las energías disponibles de los electrones en el material. En lugar de tener energías discretas como en el caso de átomos libres, los estados de energía disponibles forman bandas. La existencia de electrones en la banda de conducción, es crucial para el proceso de conducción. En los aislantes, los electrones de la banda de valencia están separados de la banda de conducción, por una banda prohibida grande. En los conductores como los metales la banda de valencia se superpone con la banda de conducción, y en los semiconductores existe una banda prohibida suficientemente pequeña entre las bandas de valencia y conducción, que los electrones pueden saltarla por calor u otra clase de excitación. Con tales bandas prohibidas

pequeñas, la presencia de un pequeño porcentaje de material dopante, aumenta la conductividad de forma espectacular.

Un parámetro importante en la teoría de banda es el nivel de Fermi, el máximo de los niveles de energía de electrones disponibles a bajas temperaturas. La posición del nivel de Fermi con relación a la banda de conducción es un factor fundamental en la determinación de las propiedades eléctricas.

Conclusión

La teoría del mar de electrones explica las propiedades de los metales como si hubiera capas móviles que se mueven entre si de manera que los electrones están libres y la teoría de bandas se basa en el hecho de que los átomos tienen orbitales los cuales se superponen dando esto libertad a los electrones y dándole así sus características a los metales.