El enlace metlico Introduccin: Es el tipo de enlace que se produce cuando se combinan entre s los elementos metlicos; es decir, elementos de electronegatividades bajas y que se diferencien poco. Los metales forman unas redes metlicas compactas; es decir, con elevado ndice de coordinacin, por lo que suelen tener altas densidades. Las redes suelen ser hexagonales y cbicas. Hay dos modelos que explican la formacin del enlace metlico. El modelo de la nube de electrones y la teora de bandas.

Modelo de la nube de electrones: Segn este modelo, los tomos metlicos ceden sus electrones de valencia a una "nube electrnica" que comprende todos los tomos del metal. As pues, el enlace metlico resulta de las atracciones electrostticas entre los restos positivos y los electrones mviles que pertenecen en su conjunto a la red metlica. En el enlace metlico, los electrones no pertenencen a ningn tomo determinado. Adems, es un enlace no dirigido, porque la nube electrnica es comn a todos los restos atmicos que forman la red. Hay que aclarar que los tomos cuando han cedido los electrones a la nube comn, no 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 explicacin de la diferente conductividad de algunos metales.

Teora de bandas: Esta teora representa un modelo ms elaborado para explicar la formacin del enlace metlico; se basa en la teora de los orbitales moleculares. Esta teora mantiene que cuando dos tomos enlazan, los orbitales de la capa de valencia se combinan para formar dos orbitales nuevos que pertenecen a toda la molcula, uno que se denomina enlazante (de menor energa) y otro antienlazante (de mayor energa). Si se combinasen 3 tomos se formaran 3 orbitales moleculares, con una diferencia de energa entre ellos menor que en

el caso anterior. En general, cuando se combinan N orbitales, de otros tantos tomos, se obtienen N orbitales moleculares de energa muy prxima entre s, constituyendo lo que se llama una "banda" En los metales existe un nmero muy grande de orbitales atmicos para formar enlaces deslocalizados que pertenezcan a toda la red metlica (como si fuese una gran molcula). Como el nmero de orbitales moleculares es muy grande forman una banda en la que los niveles de energa, como se ha dicho anteriormente, estn muy prximos. En los metales se forman dos bandas. Una en la que se encuentran los electrones de la capa de valencia que se denomina "banda de valencia" y otra que se llama "banda de conduccin" que es la primera capa vaca. En los metales, la banda de valencia est llena o parcialmente llena; pero en estas sustancias, la diferencia energtica entre la banda de valencia y la de conduccin es nula; es decir estn solapadas. Por ello, tanto si la banda de valencia est total o parcialmente llena, los electrones pueden moverse a lo largo de los orbitales vacios y conducir la corriente elctrica al aplicar una diferencia de potencial. En el caso de los aislantes la banda de valencia est completa y la de conduccin vaca; pero a diferencia de los metales, no slo no solapan sino que adems hay una importante diferencia de energa entre una y otra (hay una zona prohibida) por lo que no pueden producirse saltos electrnicos de una a otra. Es decir, los electrones no gozan de la movilidad que tienen en los metales y, por ello, estas sustancias no conducen la corriente elctrica. Un caso intermedio lo constituyen los semiconductores, en el caso de las sustancias de este tipo, la banda de valencia tambin est llena y hay una separacin entre las dos bandas, pero la zona prohibida no es tan grande, energticamente hablando, y algunos electrones pueden saltar a la banda de conduccin. Estos electrones y los huecos dejados en la banda de valencia permiten que haya cierta conductividad elctrica. La conductividad en

los semiconductores aumenta con la temperatura, ya que se facilitan los saltos de los electrones a la banda de conduccin. Son ejemplos de semiconductores: Ge, Si, GaAs y InSb.

Propiedades de los metales:

A excepcin del mercurio, los metales puros son slidos a temperatura ambiente. No obstante, sus puntos de fusin son muy variables, aunque generalmente altos. Son buenos conductores de la electricidad y del calor. Presentan un brillo caracterstico. Son dctiles y maleables. Esto es debido a la no direccionalidad del enlace metlico y a que los "restos positivos" son todos similares, con lo que cualquier traccin no modifica la estructura de la red metlica, no apareciendo repulsiones internas. Presentan el llamado "efecto fotoelctrico"; es decir, cuando son sometidos a una radiacin de determinada energa, emiten electrones. Se suelen disolver unos en otros formando disoluciones que reciben el nombre de aleaciones.

http://iesdolmendesoto.org/zonatic/el_enlace_quimico/enlace/enlace_metalico.h tml

El Enlace en los Metales La Teora de Orbitales Moleculares, desarrollada en un captulo anterior, puede emplearse para explicar las propiedades de los slidos (inicos, metlicos y moleculares). Un slido se puede considerar formado por una serie de tomos unidos entre s mediante enlaces de tipo covalente. Esta idea tiene la ventaja, desde un punto de vista qumico, de tratar al slido como una especie no muy diferente a las pequeas molculas covalentes. La aproximacin es aceptable para describir el enlace en slidos metlicos as como para explicar las propiedades que presentan estos compuestos como el brillo, la maleabilidad y las conductividades trmicas y elctricas. Todas estas propiedades son el resultado de la contribucin de los electrones de cada tomo en la formacin de un "mar de electrones". El brillo y las propiedades elctricas derivan de la movilidad que poseen dichos electrones. La alta conductividad trmica observada en un metal es tambin una consecuencia de la movilidad electrnica porque un electrn puede colisionar con un tomo que est vibrando y en la colisin el tomo transfiere su energa al electrn, el cual puede, a su vez, transferirla a otro tomo de cualquier parte del slido. La facilidad con la que los metales pueden ser deformados es otra de las consecuencias de la movilidad de los electrones, ya que este "mar de electrones" puede ajustarse fcilmente y de forma rpida a las deformaciones del slido sin modificar el enlace entre los tomos. La conduccin electrnica es caracterstica de los slidos metlicos y de los semiconductores. Para distinguir entre un metal y un semiconductor se utiliza el consiguiente criterio basado en la dependencia de la conductividad elctrica con la temperatura.

Un conductor metlico es aquella sustancia cuya conductividad elctrica disminuye al aumentar la temperatura. Un semiconductor es aquella sustancia cuya conductividad elctrica aumenta al hacerlo la temperatura.

Un slido aislante es una sustancia que presenta una baja conductividad elctrica; sin embargo cuando su conductividad se puede medir, sta aumenta con la temperatura, como ocurre en los semiconductores. A todos los efectos se pueden considerar dos comportamientos elctricos bsicos, el metlico y el semiconductor.

Figura 1. Variacin de la conductividad con la temperatura. Los valores tpicos de la conductividad elctrica de los metales estn en el rango de 10-105 ohm-1 cm-1 y los aislantes presentan conductividades menores de 10-12 ohm-1 cm-1. Los semiconductores presentan conductividades intermedias (10-5-102 ohm-1cm-1). Un superconductor es una clase especial de material que presenta resistencia elctrica cero por debajo de su temperatura crtica. La Figura 1 muestra la variacin de la conductividad frente a la temperatura absoluta para estas sustancias. Teora de bandas La idea central que subyace en la descripcin de la estructura electrnica de los slidos metlicos es la de que los electrones de valencia de cada tomo se distribuyen a travs de toda la estructura. Este concepto se expresa, de una manera ms formal, haciendo una simple extensin de la Teora de Orbitales Moleculares, en la que el slido se trata como molcula infinitamente larga. Estos principios pueden tambin aplicarse a la descripcin de slidos no metlicos como los slidos inicos o los slidos moleculares. Formacin de la banda mediante el solapamiento orbital. El solapamiento de un gran nmero de orbitales atmicos conduce a un conjunto de orbitales moleculares que se encuentran muy prximos en energas y que forman virtualmente lo que se conoce como una banda. Las bandas se encuentran separadas entre s mediante espacios energticos a los que no les corresponde ningn orbital molecular (Figura 2).

Figura 2. La estructura electrnica de un slido se caracteriza por la existencia de bandas de orbitales. Para poder visualizar la formacin de una banda considrese una distribucin lineal de tomos (slido unidimensional), separados todos a la misma distancia (a), en los que cada tomo posee un orbital de tipo s. Cada orbital de tipo s de un tomo solapar con el orbital s del tomo vecino. As, si slo hubiera dos tomos en el conjunto el solapamiento conducira a la formacin de 2 orbitales moleculares, uno de enlace y otro de antienlace. Si tenemos 3 tomos, el solapamiento de los 3 orbitales de tipo s originara la formacin de 3 orbitales moleculares, de enlace, de no enlace y de antienlace. A medida que se van aadiendo tomos al conjunto cada uno contribuye con su orbital molecular al solapamiento y en consecuencia se obtiene un nuevo orbital molecular. As, cuando el conjunto est formado por N tomos se obtienen N orbitales moleculares. El orbital molecular de menor energa no presenta ningn nodo entre los tomos vecinos, mientras que el orbital molecular de mayor energa presenta un nodo entre cada par de tomos vecinos.

Los restantes orbitales van teniendo sucesivamente 1, 2, 3... nodos internucleares y sus energas estn comprendidas entre la del orbital ms enlazante (de menor energa) y la del ms antienlazante (mayor energa). La diferencia de energa entre los N orbitales moleculares es tan pequea que se forma una banda o continuo de niveles de energa. La anchura total de la banda depende de la fuerza de la interaccin entre los orbitales atmicos de los tomos vecinos, de forma que, cuanto mayor sea la interaccin, mayor ser el solapamiento entre los orbitales y mayor ser la anchura de la banda resultante (o separacin entre el orbital molecular ms enlazante y el ms antienlazante).

La anchura de una banda es, por lo general, una medida del grado de localizacin del enlace. Una banda estrecha representa un alto grado de localizacin de un enlace y a medida que se va haciendo ms ancha los enlaces se hacen ms deslocalizados.

Figura 3. Formacin de una banda de orbitales moleculares. La banda que se ha descrito se ha formado a partir del solapamiento de orbitales s y se denomina, por tanto, banda s (Figura 4). Si en los tomos existen orbitales de tipo p disponibles, stos pueden solapar originando una banda p (Figura 5). Como los orbitales p poseen mayor energa que los orbitales s de la misma capa, se observa a menudo la separacin entre la banda s y la banda p. Pero si las bandas son anchas y las energas de los orbitales s y p de la misma capa no difieren mucho entonces ambas bandas se solapan (Figura 6). Este solapamiento es el responsable de que los elementos del grupo 2 de la Tabla Peridica tengan un comportamiento metlico. De la misma forma, la banda d est formada por el solapamiento de orbitales atmicos d.

Figura 4. Orbitales moleculares y banda s.

Figura 5. Orbitales moleculares y banda p.

Figura 6. (a) y (b) Bandas s y p, que pueden solapar o no, dependiendo de la anchura. (c) Niveles ocupados y nivel de Fermi a o K. El nivel de Fermi A la temperatura T = 0 K los electrones ocupan los orbitales moleculares que forman la banda siguiendo el principio de construccin citado en la leccin 2. Si cada tomo del modelo (distribucin lineal de tomos) contribuye a la banda s con 1 electrn entonces, a T = 0 K la mitad de los orbitales que forman la banda (1/2 N) estarn ocupados. El orbital molecular de mayor energa que se encuentra ocupado se conoce como el nivel de Fermi y, en este caso, estar situado en el centro de la banda. La banda de menor energa que se encuentra ocupada o semiocupada se conoce como banda de valencia. La banda de menor energa que se encuentra vaca se conoce como la banda de conduccin. A una temperatura superior a 0 K, la poblacin de los orbitales moleculares que forman la banda, P, viene dada por la distribucin de Fermi-Dirac, que es una versin de la distribucin de Boltzmann, y que tiene en cuenta que cada nivel de energa de la banda slo puede estar ocupado por 2 electrones como mximo. Esta distribucin P tiene la siguiente forma: P = 1/(e(E-)/kT + 1) donde es el potencial qumico o energa del nivel para el cual P = 1/2. La forma de la distribucin de Fermi-Dirac se muestra en la Figura 7. Cuando la banda no est completamente ocupada los electrones que se encuentran prximos al nivel de Fermi pueden, fcilmente, promocionarse a niveles vacos que se encuentran inmediatamente por encima de ste. Como resultado, los electrones gozan de movilidad y pueden moverse libremente a travs del slido. Este fenmeno origina que la sustancia sea un buen conductor elctrico. Como se ha visto, en un metal la conductividad elctrica disminuye con la temperatura; este hecho se debe a las interferencias (los electrones se pueden describir como ondas) que se producen entre los electrones que se mueven por

el slido y las vibraciones de la red cristalinas, provocadas por el movimiento de los tomos, vibraciones que aumentan al hacerlo la temperatura. La densidad de estados. El nmero de niveles de energa con un determinado valor de energa se conoce como la densidad de estados, N(E) o . Es posible representar la variacin de energa de una banda en funcin de la densidad de estados, tal como aparece en la Figura 8 para las bandas s y p. La densidad de estados no es uniforme a lo largo de toda la banda debido a que los niveles de energa se empaquetan ms a unos determinados valores de energa que a otros. Este hecho produce que la banda s, por ejemplo, presente la mayor densidad de estados en el centro y la menor densidad de estados en los extremos de la banda. La razn de este comportamiento est en la forma de las combinaciones lineales que originan los orbitales moleculares que constituyen la banda s. Existe una nica combinacin lineal que conduce al orbital molecular ms enlazante (el lmite inferior de la banda)y otra que conduce al ms antienlazante (el lmite energtico superior de la banda). Sin embargo hay varias combinaciones posibles, degeneradas en energa, que dan lugar a los orbitales moleculares que forman la parte central de la banda s.

Figura 8. Densidad de estados tpica de un metal (izquierda) y de un semimetal (derecha). Entre dos bandas separadas por un espaciamiento energtico, la densidad de estados en el mismo es cero, pues no hay niveles energticos en dicha separacin. En algunos casos especiales puede ocurrir que la separacin entre la banda de valencia y la de conduccin sea nula, aunque la densidad de estados en el punto de conjuncin de ambas bandas sea cero. Esta es la estructura de bandas tpica de un semimetal. Slo algunos electrones pueden pasar de la banda llena a la banda vaca de forma que estos materiales poseen conductividades elctricas bajas. Un ejemplo importante de semimetal es el grafito. Los aislantes

Un slido es aislante cuando su banda de valencia se encuentra totalmente ocupada y existe una gran separacin energtica entre sta y la banda de conduccin. Esta separacin energtica entre ambas bandas suele ser mayor de 3.0 eV para que la sustancia se considere un aislante. Un buen ejemplo de material aislante es el diamante cuya diferencia entre bandas es de 5.47 eV. Los materiales aislantes son utilizados para separar conductores elctricos y as evitar cortocircuitos y mantener apartar a los usuarios de las partes de los sistemas elctricos, que de tocarse accidentalmente cuando se encuentran en tensin pueden producir una descarga. Los materiales aislantes ms frecuentemente utilizados son los plsticos y las cermicas.

Fig 9. Estructura de un aislante. Los semiconductores Los semiconductores presentan un diagrama de bandas similar al de los slidos aislantes pero con una separacin entre las bandas de valencia y de conduccin menor de 3.0 eV. La caracterstica principal de un semiconductor es que su conductividad elctrica aumenta con la temperatura. A la temperatura ambiente, los semiconductores presentan conductividades elctricas intermedias entre la de los metales y la de los aislantes (generalmente del orden de 10-3 S cm-1). En la Tabla 1 se presentan las separaciones de bandas tpicas para algunos aislantes y semiconductores. Los semiconductores se pueden clasificar en intrnsecos y extrnsecos. Tabla 1. Aislantes, semiconductores y conductores Elemento Separacin entre bandas (eV) Tipo de material

Diamante Silicio Germanio Estao gris Estao blanco Plomo

6.0 1.1 0.7 0.1 0 0

Aislante Semiconductor Semiconductor Semiconductor Metal Metal

Semiconductores intrnsecos En un semiconductor intrnseco la separacin entre la banda de valencia y la de conduccin es tan pequea que a la temperatura ambiente algunos electrones ocupan niveles de energa de la banda de conduccin. La ocupacin de estos niveles introduce portadores de carga negativa en la banda superior y huecos positivos en la inferior y como resultado, el slido es conductor. Un semiconductor, a la temperatura ambiente, presenta, generalmente, una menor conductividad que un metal pues existen pocos electrones y huecos positivos que actan como portadores. A medida que aumenta la temperatura aumenta la poblacin de los niveles en la banda de conduccin y el nmero de portadores se hace mucho mayor, por lo que la conductividad elctrica tambin aumenta (Fig. 10)

Figura 10. Semiconductor intrnseco. Semiconductores extrnsecos

Un semiconductor extrnseco es aquel en el que se han introducido pequeas cantidades de una impureza con el objeto de aumentar la conductividad elctrica del material a la temperatura ambiente. A este proceso se le conoce como dopado. As, por ejemplo, el nmero de portadores negativos (electrones) puede aumentar si se dopa el material con tomos de un elemento que tenga ms electrones de valencia que el que compone dicho material semiconductor. El nivel de dopado no debe de ser muy alto (1 tomo por cada 10 9 tomos del material de partida) para que sea efectivo. Si se introducen tomos de arsnico ([Ar]4s24p3) en un cristal de silicio ([Ne]3s23p2), se habr aadido un electrn extra por cada tomo de arsnico que sustituye al de silicio. El efecto del dopado es sustitucional, en el sentido de que el tomo de As sustituye al de silicio en la red cristalina. Los tomos donadores de arsnico, muy alejados unos de otros por la baja concentracin de dopado, formarn una banda muy estrecha que se encuentra prxima en energa a la banda de conduccin del silicio (Figura 11a). A la temperatura ambiente, algunos de los electrones de la banda del arsnico sern promocionados a la banda de conduccin. En otras palabras, los electrones del arsnico se transferirn a los orbitales vacos del silicio. A este proceso se le conoce como semiconductividad de tipo n, indicando la letra n que los portadores de cargas son los electrones (carga negativa).

Figura 11. Semiconductor de tipo n (a) y semiconductor de tipo p (b). Un proceso de dopaje alternativo consiste en sustituir tomos de silicio por tomos de un elemento que tenga menos electrones en su capa de valencia,

como el Ga ([Ar]4s24p1). La sustitucin de un tomo de silicio por uno de galio introduce un hueco en el slido. Los tomos de Ga forman una banda aceptora que se encuentra muy cerca de la banda de valencia del silicio (Figura 11b). A la temperatura ambiente los electrones de la banda de valencia del Si se promocionan a la banda aceptora del galio; sto ocasiona la formacin de huecos en la banda de valencia del Si que permiten la movilidad de los electrones de dicha banda. Los responsables de la conductividad elctrica son los huecos positivos de forma que a este semiconductor se le denomina de tipo p. Superconductores Muchos de los avances recientes de la Qumica Inorgnica se han realizado en el rea de los nuevos materiales. Uno de los campos de ms desarrollo y gran inters, por sus aplicaciones, es el de los materiales superconductores de alta temperatura. En 1911 Kamerlingh Onnes descubri que la resistencia elctrica del mercurio se haca cero a la temperatura de 4.2 K. A este efecto le denomin superconductividad, y a la temperatura a la cual ocurre este fenmeno temperatura crtica, Tc. Una consecuencia de la resistencia cero es que los materiales pueden conducir la corriente elctrica sin prdidas de energa en el proceso. Tras el descubrimiento de la superconductividad, durante los siguientes 20 aos se hicieron pocos progresos para entender el comportamiento de los superconductores, descubrindose tan slo algunas nuevas sustancias que experimentaban este efecto. Ms de 20 elementos metlicos y cientos de aleaciones pueden ser superconductores bajo las condiciones apropiadas. En 1973 la temperatura ms alta a la que se haba observado la superconductividad corresponda a la de un compuesto de Niobio y Germanio de composicin Nb3Ge (Tc = 23.3K). En 1986 Berdnorz y Mller encontraron que el xido metlico de frmula La2-xBaxCuO4 (x = 0.2) se haca superconductor a 35K. Un ao despus recibieron el premio Nobel de Fsica por este descubrimiento. La idea que pronto surgi fue la de que era posible aumentar la temperatura crtica de este material superconductor si se sustitua con diferentes metales, que generalmente pertenecen al bloque f. Empleando esta tcnica, Chu y sus colaboradores consiguieron romper la barrera de la temperatura del nitrgeno lquido con el superconductor conocido como 1-2-3. En este superconductor se ha sustituido el lantano por el Ytrio y tiene la composicin YBa2Cu3O7-x. La temperatura crtica para este material es de 93 K. El control de la estequiometra del tomo de oxgeno parece ser un factor determinante en la temperatura crtica del material. Actualmente, el superconductor de ms alta temperatura descrito (1993) consiste en un xido mixto de HgBa2Ca2Cu3O10 cuya temperatura crtica es de 134 K. La estructura que presentan estos superconductores de alta temperatura es de tipo perovskita. El superconductor de Bednorz y Mller, La2-xBaxCuO4 adopta una estructura tetragonal en capas del tipo perovskita K2NiF4.

Figura 12. Par de Cooper. La teora de la superconductividad es extremadamente compleja y en esta seccin slo se intentar dar una idea cualitativa de la misma. Se ha sugerido, por muchos investigadores, que el origen de la superconductividad a baja temperatura es la existencia de un par de Cooper, o par de electrones gracias a la interaccin indirecta entre ellos por medio de su interaccin con los ncleos de los tomos de la red (Fig. 12) As, si un electrn est en una regin particular de un slido, los ncleos de esa regin se mueven hacia l resultando una estructura local distorsionada. Como la distorsin local es rica en carga positiva, se favorece que un segundo electrn se una al primero. Por ello, se produce una atraccin virtual entre ambos electrones y stos se mueven como un par. La distorsin local se puede romper fcilmente por el movimiento trmico de los iones, por lo que la atraccin virtual se da a temperaturas muy bajas. Como el par de Cooper es estable a la dispersin, puede transportar carga libremente por el slido, dando lugar as a la superconductividad.

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