Teorías sobre el enlace metálico

Los metales tienen altos índices de coordinación, por lo que dan ocho o doce enlaces; para ello deberían tener, al menos, el mismo número de electrones de valencia. Sin embargo, esto no es así; los metales tienen pocos electrones de valencia, por ejemplo, los alcalinos de configuración electrónica más externa ns1 sólo tienen un electrón de valencia por cada átomo. Debido a esto, el enlace metálico no puede explicarse como un enlace covalente; además, en el enlace covalente los electrones no tienen apenas movilidad, mientras los metales son conductores de la electricidad, lo que indica que sus electrones tienen libertad de movimiento.

Para estudiar el enlace metálico vamos a ver dos teorías.

Teoría del mar de electrones

Esta teoría, llamada también del gas electrónico, constituye una idea muy simplificada del enlace metálico.
Supone que la estructura metálica está formada por cationes del metal, bañados por un mar de electrones, que son los electrones de valencia de los átomos del metal y que evitan las repulsiones electrostáticas entre los iones positivos.


 
Los electrones tienen movilidad a través de toda la estructura metálica, lo cual explica su conductividad. Igualmente explica que los metales puedan estirarse en hilos o laminarse, puesto que un desplazamiento de una capa de metal sobre otra no produce repulsiones electrostáticas, como ocurría en los sólidos iónicos.

Esta teoría tiene el inconveniente de no explicar cuantitativamente las conductividades, que para muchos casos deberían ser mayores de lo que son, debido a la gran movilidad que la teoría supone para los electrones.

Teoría de las bandas

La teoría de las bandas surge de la aplicación de la mecánica cuántica al enlace metálico, como una ampliación de la teoría de orbitales moleculares.

A partir de dos orbitales atómicos, que corresponden a dos átomos, obtenemos dos orbitales moleculares.

Si partimos de n átomos, de un cristal metálico, resultan n orbitales moleculares o niveles de energía, de los cuales n/2 son enlazantes, y n/2, antienlazantes; los electrones que ocupan estos orbitales están deslocalizados.



Cuanto mayor es el número de orbitales moleculares, menor es la diferencia de energía entre ellos. En una porción de un metal, el número de átomos n es muy grande y, por tanto, la diferencia de energía entre sus orbitales es mínima; por ello, a los n niveles de energía se los denomina banda de energía.

Existen dos bandas de energía: la banda de menor energía, llamada banda de valencia, y otra, que está vacía, de mayor energía, llamada banda de conducción. Esta última está formada por niveles de energía que proceden de orbitales atómicos no ocupados.

Por ejemplo, en un metal alcalino, o alcalinotérreo, la banda de valencia está formada por niveles de energía que proceden de los orbitales ns, semiocupados u ocupados, respectivamente. La banda de conducción está formada por los niveles que proceden de los 3n orbitales atómicos vacíos: npx npy npz.

Esta teoría de las bandas se puede aplicar a cualquier sólido, sea metálico o no.

Podemos considerar tres casos:

  • Sólidos conductores (metales).
  • Sólidos semiconductores.
  • Sólidos aislantes.

Sólidos conductores

En los metales, la banda de valencia y la de conducción están unidas, los electrones pueden saltar fácilmente de una banda a otra, adquieren movilidad a través de la banda y conducen la electricidad.


Los metales alcalinos tienen los orbitales ns semillenos; por eso, en su estado fundamental sólo están ocupados la mitad de los niveles de la banda de valencia, con dos electrones de spines contrarios, cada uno. Los electrones saltan de la media banda llena a la media banda vacía; de esta forma conducen la electricidad.

En los metales alcalinotérreos (de configuración ns2), la banda de valencia está llena, y la de conducción, vacía. Los electrones saltan de la banda de valencia a la de conducción y adquieren libertad de movimiento.


 
Sólidos semiconductores

En los semiconductores, la banda de valencia está llena, y la de conducción, vacía, pero ambas están separadas por un intervalo de energía, ΔE; esta zona prohibida de energía es pequeña, y con un ligero aporte de ésta, algunos electrones pueden saltar de una banda a otra, y así conducir la electricidad.

Son elementos semiconductores el Si, Ge y Se.



Sólidos aislantes

En los aislantes, la banda de valencia está llena, y la de conducción, vacía, separadas, igual que en el caso anterior, por un intervalo de energía; pero ahora, esta zona de energía prohibida es grande y los electrones no pueden saltar de una banda a otra, por lo que no pueden conducir la electricidad.

Por ejemplo, el diamante es un sólido de este tipo.


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