PARTE 3: EL ENLACE METÁLICO. PROPIEDADES DE LAS …

UNIDAD DIDÁCTICA 3: EL ENLACE QUÍMICO (3ª PARTE)

APARTADO 19 - ENLACE METÁLICO. REDES METÁLICAS

QUÍMICA. 2º BACHILLERATO. PROFESOR: CARLOS M. ARTEAGA

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QUÍMICA. 2º DE BACHILLERATO

PROFESOR: CARLOS MARTÍN ARTEAGA

UNIDAD DIDÁCTICA 3 - EL ENLACE QUÍMICO

PARTE 3: EL ENLACE METÁLICO.

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS SEGÚN SU TIPO DE ENLACE

19.- ENLACE METÁLICO. REDES METÁLICAS.

ESTUDIA / APRENDE

En qué consiste el enlace metálico: qué es una red metálica.

Qué indica la fórmula de un metal.

Cómo explica la formación de un metal el modelo de la nube de electrones

Cómo explica la formación de un metal la teoría de bandas.

A qué llamamos banda de valencia y banda de conducción.

Cuáles son las diferencias entre metales, semiconductores y aislantes.

Qué son las aleaciones.

El enlace metálico se produce cuando se combinan entre sí los átomos de un metal.

Esta unión entre átomos metálicos para formar una sustancia donde todos los átomos tengan carácter metálico, no puede realizarse ni por el enlace iónico ni por el covalente, ya que todos los átomos metálicos tienen tendencia a ceder electrones y formar iones con carga positiva o cationes.

La fórmula de un metal es el mismo símbolo que representa al elemento químico y siempre que la veamos escrita, si nos estamos refiriendo a la sustancia metálica, sabemos que se trata de un número enorme de átomos metálicos del mismo elemento unidos entre sí por enlaces metálicos (red metálica).

Se observa que los metales en general son sólidos, de gran pureza, de alto punto de fusión y de ebullición y de alta densidad, lo que significa que las uniones entre sus átomos tienen que ser muy fuertes. De hecho los métales en condiciones ambientales de presión y temperatura forman redes cristalinas compactas muy estables con elevado índice de coordinación, de ahí el que suelan tener esas altas densidades.

Los modelos o teorías del ENLACE METÁLICO tienen que explicar, por tanto, la formación de estos cristales o redes metálicas con las propiedades antes enunciadas, además de que todos tengan un brillo característico, que sean opacos y también el que sean dúctiles (se pueden estirar en hilos) y maleables (se puede hacer con ellos láminas de espesor fino).

Hay dos modelos que explican la formación del enlace metálico: El modelo de la nube de electrones y la teoría de bandas.

Modelo de la nube de electrones

Según este modelo los átomos metálicos pierden los electrones más externos o electrones de valencia para conseguir una configuración electrónica estable con lo que se convierten en cationes. Estos cationes ocupan posiciones fijas que hacen que se forme una red de iones positivos o red metálica. Para que los cationes permanezcan en estas posiciones fijas y no haya repulsión entre ellos, los electrones de valencia perdidos ocupan los huecos que existen entre los iones aunque fuera de ellos y con libertad de movimiento a modo de un "gas o nube electrónica" dentro del metal, de tal forma que al ser cargas negativas atraen a los iones positivos, o sea los electrones hacen de "pegamento" de los cationes. Las fuerzas de atracción entre las partículas que forman los metales son también electrostáticas.




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Es importante fijarnos en el hecho de que los electrones tienen libertad de movimiento por toda la red metálica, aunque siempre se encuentran perfectamente repartidos por ella. La explicación al hecho de que todos los metales sean sólidos (con las únicas excepciones del mercurio, el galio, el cesio y el francio) está en la formación de la red metálica, con lo que todas las partículas (cationes) ocupan posiciones fijas.

Este modelo explica de forma cualitativa, las propiedades observadas en los metales, como la relativa facilidad de los electrones para desplazarse por la estructura metálica, lo que produce las elevadas conductividades eléctricas halladas o la facilidad con que los metales pueden ser moldeados, pues al aplicar una fuerza, se produce un desplazamiento de las capas iónicas en las estructuras que no produce una variación importante en las mismas, por lo que no se rompen. En cambio, en el caso de cristales iónicos si se observa una gran inestabilidad de tipo electrostático por estos desplazamientos.

Sin embargo, este modelo no explica de forma cuantitativa algunas propiedades, como el calor específico (que debería ser mayor según este modelo) o el hecho de que, según este modelo, la fuerza del enlace debería aumentar con el número de electrones de valencia y, por tanto, en esos casos tendrían que ser mayores los puntos de fusión lo que no ocurre en muchas ocasiones.

Teoría de bandas

Se basa en la teoría de orbitales moleculares (TOM) por la cual al enlazarse los átomos, sus orbitales atómicos de la capa de valencia se combinan para formar tantos orbitales moleculares como orbitales atómicos había. Es decir, en la teoría de bandas se aplica la teoría de orbitales moleculares a un metal al que se le trata como si fuera una molécula infinita. Esta teoría no solo se aplica a los metales sino a la estructura electrónica de los sólidos en general. Aplicando la TOM a un sólido, a este se le trata como si fuera una molécula infinita.

Los electrones que participan en el enlace y que por tanto son los que a nosotros nos interesan para comprender este modelo son los electrones de valencia.

Veamos un ejemplo con el litio.

El átomo de litio tiene un electrón en su capa de valencia: 2s1. Según la TOM, al juntarse dos átomos de litio, los dos orbitales atómicos 2s de los átomos de litio, se combinan formando dos orbitales moleculares que admiten un máximo de dos electrones cada uno: uno enlazante (de menor energía que los orbitales atómicos) y otro antienlazante (de mayor energía) como indica la figura. El orbital antienlazante se encuentra vacío:




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Veamos qué ocurriría al unirse cuatro átomos de litio. Tendríamos cuatro orbitales moleculares, dos enlazantes y dos antienlazantes y aumentaría ligeramente la diferencia de energía entre el OM más enlazante y el más antienlazante. Solo estarían ocupados los enlazantes.

Si sigue aumentando el número de átomos de litio, se siguen formando orbitales moleculares enlazantes y antienlazantes (la mitad de cada uno) y, además, sigue aumentando lentamente esa diferencia de energía entre el orbital molecular más enlazante y el más antienlazante. Si se combinan infinidad de orbitales atómicos (n) al ser tantos los niveles, en lugar de estar separados, como ocurre en un átomo aislado o en una molécula, estos niveles de energía están tan próximos, que podemos considerar que constituyen una banda de energía continua. La mitad de la banda, la que corresponde a las energías de los orbitales enlazantes, estará llena y la otra mitad, la correspondiente a las energías de los orbitales antienlazantes, vacía.

En el caso del berilio, al tener 2 electrones en su capa de valencia (2s2) al formarse esta banda no quedará semillena, sino completamente llena.

Y así ocurre con todos los metales. A esta banda de energía que puede estar llena o semillena y se ha formado con los orbitales atómicos de valencia se le llama BANDA DE VALENCIA.

Pero a la vez que se forma la banda de valencia se forman otras bandas con los sucesivos orbitales atómicos vacíos.

Así el litio forma otra banda vacía con los orbitales 2p que se encuentran vacíos. Al ser 3 orbitales p en cada átomo, al unirse n átomos de litio se generan 3n orbitales moleculares (la mitad enlazantes y la otra mitad antienlazantes). A esta banda de energía se le llama BANDA DE CONDUCCIÓN.

Un electrón con energía suficiente para colocarse en la banda de conducción, puede moverse libremente por la sustancia, conduciendo la corriente eléctrica.




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En los metales ambas bandas están muy próximas en energía (se superponen unas con otras) de manera que se necesita una cantidad de energía muy pequeña para excitar un electrón y enviarlo desde la banda de valencia a la de conducción por donde circulan con gran facilidad a través de todo el cristal metálico. Y con muy poca energía pasarán no uno, sino un gran número de electrones de la banda de valencia a la de conducción, donde se moverán libremente. Esto explica la facilidad de los metales para conducir el calor y la corriente eléctrica.

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.

Fíjate en la figura que tienes arriba: en el litio y en la mayoría de los metales las bandas de valencia y de conducción se encuentran superpuestas.

En el caso de los semiconductores (sustancias formadas por elementos semimetálicos o compuestos de estos como el Si o el Ge) 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. Un aislante es mal conductor del calor y la corriente eléctrica. Son aislantes el diamante, el grafito, el azufre o el cuarzo (sólidos no metálicos).




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En ocasiones nos podemos encontrar que una muestra sólida homogénea es en realidad la mezcla de dos o más metales que pueden estar en proporciones diversas (por eso lo llamamos mezcla). A estas mezclas de metales las llamamos ALEACIONES. En ellas los cationes metálicos ocupan posiciones fijas en la red metálica homogéneamente distribuidos.

CONTESTA Y REPASA

Explica cómo es el enlace metálico en el berilio según la teoría de bandas. ¿Por qué el berilio es buen conductor de la electricidad?

Expón cómo explica la teoría de bandas el carácter semiconductor de algunas sustancias.

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