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El enlace metálico. El enlace metálico. Características diferenciadoras del enlace metálico. Los átomos de los elementos metálicos tienden a unirse entre sí para dar lugar a redes cristalinas en las que los átomos metálicos permanecen fuertemente unidos:
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El enlace metálico • Características diferenciadoras del enlace metálico. • Los átomos de los elementos metálicos tienden a unirse entre sí para dar lugar a redes cristalinas en las que los átomos metálicos permanecen fuertemente unidos: • Es una unión demasiado intensa para ser de tipo Van der Waals. • No puede ser iónica ya que hay una sola clase de átomos. • No puede ser covalente dado que en un cristal metálico cada átomo se rodea de 8 ó 12 átomos más próximos, demasiados para unirse con todos mediante enlaces covalentes por pares electrónicos.
El enlace metálico • Hay por tanto un nuevo tipo de enlace que llamamos metálico y que tiene las siguientes características: • Se da en los estados líquido y sólido, pero no en el estado gaseoso. • Las propiedades ópticas y eléctricas que presentan los compuestos metálicos exigen un número elevado de electrones libres (del orden del número de átomos en la red)
El enlace metálico Debido al efecto aglutinante que ejerce la nube de electrones. La repulsión entre restos positivos no se produce
El enlace metálico. Desde este punto de vista, resulta de la atracción entre los cationes del metal y la nube electrónica.
Fallas del modelo de Drude • Existe una contradicción entre la teoría de Drude y dos propiedades -sobre todo- de los metales en estado sólido: • La unión colectiva a que daría lugar el gas electrónico no explica el que diferentes metales tengan formas de cristalizar propias. • El calor específico de los metales no es el correspondiente a dos conjuntos independientes de partículas (restos positivos e iones), sino algo menor. Si tal teoría fuera cierta al 100% todos los metales debieran cristalizar en el mismo sistema.
TOM aplicada a los metales Según la teoría O.M., dos orbitales atómicos originan dos orbitales moleculares y tres orbitales atómicos originan tres orbitales moleculares; en general, un gran número de orbitales atómicos de la misma energía originan un gran número de orbitales moleculares de energías muy parecidas, es decir, una banda de energía (Teoría de Block, 1928). Por ej., de la interacción de un mol de átomos de sodio -la interacción de 6,022x1023 orbitales atómicos 3s- producirá 6,022x1023 orbitales moleculares muy poco espaciados.
TOM aplicada a los metales Conforme aumenta el número de átomos aumenta el número de "orbitales moleculares", la mitad de éstos serán de menor energía (enlazantes) y la otra mitad de mayor energía que los orbitales atómicos (antienlazantes) pero la diferencia de energías entre ellos se hace cada vez menor. En lugar de los pocos orbitales moleculares con energías ampliamente espaciadas típicas de moléculas pequeñas, la inmensa cantidad de orbitales en un metal hace que estén tan cerca entre sí en energía que forman una banda casi continua.
Construcción de una banda Construcción de bandas para el metal sodio, Na: 1s22s22p63s1
Sucesión de bandas • A labanda de menor energía, se la denominabanda de valencia(porque contiene a los electrones de valencia)y esuna banda de orbitales moleculares llenos. • La otra banda, la de niveles más altos de energía, se denominabanda de conducción que es una banda vacía o parcialmente llena de orbitales moleculares. • La teoría de bandas, explica que según el tipo de sustancia, las bandas de valencia y de conducción pueden o no estar separadas por bandas de energía de valores prohibidos. Para los cristales no metálicos, la representación gráfica incluye una banda prohibida. Esta banda prohibida implica una diferencia energética muy grande para que los electrones la puedan superar y así poder llegar a la banda de conducción.
Teoría de bandas y conductividad eléctrica • La conductividad es consecuencia del movimiento de los electrones a lo largo de las bandas. Además da argumentos para racionalizar por qué algunos sólidos son conductores, otros aislantes y otros semiconductores.
Teoría de bandas y conductividad eléctrica Un sólido tiene carácter metálico porque: tiene una banda de energía parcialmente llena Energía hay más orbitales moleculares en la banda que los que se necesitan para alojar todos los electrones de la estructura Banda parcialmente llena Por tanto, un electrón excitado puede pasar fácilmente al orbital cercano más alto
Teoría de bandas y conductividad eléctrica En los metales, las bandas de valencia se superponen a las de conducción y los electrones de las primeras pueden pasar a las segundas y moverse libremente. Por eso conducen la electricidad tanto los metales que tienen las bandas de valencia parcialmente llenas (p. ej., el Na) como aquéllos que las tienen totalmente llenas (p. ej., el Mg).
Conductividad eléctrica Entonces • Los sólidos conducen la electricidad cuando tienen electrones desapareados. • La conductividad se explica por la movilidad electrónica en la banda. • En un metal eso solo es posible en las cercanías del nivel de Fermi. • En un semiconductor, la presencia de impurezas aumenta el número de electrones desapareados.
Conductividad eléctrica Entonces • Para que un electrón se vuelva libre debe ser promovido a uno de los estados de energía disponibles y vacíos de la banda de conducción. • En un conductor, se necesita muy poca energía para esa promoción. La energía suministrada por una pequeña diferencia de potencial eléctrico (campo eléctrico) es suficiente para excitar grandes cantidades de electrones a estos niveles de conducción. • La conductividad disminuye con la temperatura debido a que el aumento de las vibraciones de los cationes en la red cristalina dificulta la movilidad de los electrones.
Conductores, semiconductores y aislantes • Las propiedades eléctricas de los sólidos son consecuencia directa de su estructura de bandas. • Li: 1s, tiene semiocupada la banda de conducción (caso a, en la figura de la sig. diapositiva). Conductor. • Be: 1s2, tiene completamente ocupada la banda s de conducción pero solapa con la banda p vacía (caso b). También es conductor eléctrico. • Semiconductor: entre la banda de valencia y la banda de conducción hay una diferencia energética (gap) ~1 ev. Los electronespueden ser promovidos a la banda de conducciónpordiferentesmedios (casoc). • Aislante: además de estar llena la capa de valencia, la banda de conducción está demasiado alejada para permitir la promoción electrónica (caso d).
Conductores, semiconductores y aislantes La conductividad depende de la separación de la Banda de Valencia (BV) y la Banda de Conducción (BC)
Conductores, semiconductores y aislantes Banda vacía Bajo la influencia de un potencial eléctrico los electrones de más alta energía no pueden pasar al orbital desocupado Diferencia de energía Banda llena Existe una gran diferencia de energía entre las dos bandas. Estos sólidos, como por ejemplo el diamante, no son buenos conductores de la electricidad. Los sólidos en los que las bandas de energía están completamente llenas o vacías son aislantes eléctricos.
Variación de la conductividad con la temperatura Una característica de la conductividad metálica es que disminuye cuando aumenta la temperatura. ¿Por qué? A altas T, los e- alcanzan los niveles más antienlazantes. Si bien aumenta el número de portadores de carga eléctrica, también aumentan las vibraciones atómicas, ocurren choques entre los e- en movimiento y los átomos en vibración. Esto hace disminuir la velocidad del movimiento electrónico y por ello disminuye la conductividad.
Conductividad eléctrica • Un aumento progresivo y continuado de la T provoca que cada vez sea mayor la población electrónica en niveles de alta E que son más antienlazantes, el enlace será cada vez más débil y las vibraciones de los átomos más amplias. El límite es cuando el enlace se hace tan débil que ya el ordenamiento cristalino no es estable, los átomos quedan libres unos con relación a los otros y el sólido funde. La temperatura de fusión de un sólido metálico es tanto mayor cuanto más fuerte es el enlace metálico entre los átomos.
Teoría de bandas y conductividad eléctrica • Los materiales sólidos exhiben un asombroso intervalo de conductividad que se extiende sobre 27 órdenes de magnitud. • La conductividad de la mayoría de los semiconductores y aislantes aumenta rápidamente con la temperatura, mientras que la de los metales muestra una gradual disminución.
Semiconductores • Según el origen de la conductividad, los semiconductores se clasifican en: • Semiconductores intrínsecosson aquellos cuyo comportamiento se basa en la estructura electrónica inherente al material puro. • Ge (ΔE ~ 0,6 eV). • Si (ΔE ~ 1,1 eV) es el más utilizado. • Semiconductores extrínsecos: son aquellos en los que las características eléctricas del material base (Ge o Si) vienen moduladas por la presencia de átomos de impurezas. • El comportamiento eléctrico viene determinado por el tipo y cantidad de impurezas. DOPADO • El Si puro (tetravalente) se puede dopar con pequeñas cantidades de elementos pentavalentes (P, As, etc.) o trivalentes (B, Al, etc.) para mejorar sus propiedades semiconductoras.
Dopado de semiconductores El Dopadoconsiste en la introducción de impurezas de un elemento dentro de cristales del material base durante su formación con el objeto de modificar sus propiedades. El dopante debe formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al dopado. Se pueden obtener semiconductores con propiedades eléctricas precisas según el uso al que estén dedicados.
Dopado de semiconductores Semiconductividad del tipo n (n indica que los transportadores de carga están cargados negativamente , es decir se trata de electrones). Los niveles de átomos dopantes se ubican en una energía más alta que los electrones de valencia de la estructura anfitrión y la banda dopante llena suele encontrarse cerca de la banda de conducción vacía, y entonces al aumentar la T, los electrones son promovidos a la banda de conducción. Semiconductividad del tipo p (el dopante introduce huecos en el sólido. Es decir, los átomos dopantes forman una banda aceptora vacía. Al aumentar la T, los electrones del sólido semiconductor de la banda de valencia ocupan la banda aceptora vacía, dejando huecos en su estructura y permite a los electrones restantes moverse libremente).
Bibliografía • Raymond Chang, Química, Mc Graw hill, Buenos Aires, 4ta Edición, 2001 • Kennet W. Whitten, Kennet D. Gailey, Raymond E. Davis; Química General; Mc Graw Hill, Tercera Edición, Buenos Aires, 2001 • Masterton- Slowiski-Stanitski; Química General Superior; 6ta Edición, Mc Graw Hill, Buenos aires, 2000. • Umland J. y Bellama J. Química General. Editorial ITE Latin América. 2004. Tercera Edición.
