Estructura de Sustancias Metálicas

Los átomos metálicos forman redes metálicas tridimensionales con tres tipos principales de estructuras:

• Red cúbica centrada en el cuerpo (BCC)
• Red cúbica centrada en las caras (FCC)
• Red hexagonal compacta (HCP)

La naturaleza de este tipo de enlace se explica principalmente mediante dos teorías:

Teoría de la Nube Electrónica

Los electrones de la capa de valencia de cada átomo metálico se deslocalizan y forman una nube electrónica que se extiende por toda la red. Los átomos metálicos, ahora cationes, no se repelen entre sí debido al efecto aislante de esta nube. Esta teoría explica la alta conductividad eléctrica de los metales, ya que los electrones libres pueden moverse fácilmente a través de la red.

Teoría de Orbitales Moleculares (OM)

Mientras que la Teoría de Lewis y la Teoría de Enlace de Valencia son modelos de enlaces localizados, la Teoría de Orbitales Moleculares describe el comportamiento de los electrones en toda la molécula. Un orbital molecular es una función que describe la probabilidad de encontrar un electrón en una molécula. Cada orbital molecular puede alojar dos electrones con espines opuestos. Esta teoría explica propiedades como el diamagnetismo y paramagnetismo de manera más completa.

Formación de Orbitales Moleculares

Los orbitales moleculares se forman por la combinación de orbitales atómicos que se solapan. Se forman tantos orbitales moleculares como orbitales atómicos se combinan. La mitad de estos orbitales son enlazantes, con menor energía que los orbitales atómicos originales, y la otra mitad son antienlazantes, con mayor energía. También pueden existir orbitales no enlazantes, que no contribuyen al enlace y tienen la misma energía que los orbitales atómicos originales.

Teoría de Bandas

Aplicando la teoría de orbitales moleculares a una red metálica, se considera que los orbitales de valencia de los átomos metálicos se combinan para formar un gran número de orbitales moleculares que se extienden por toda la red. Estos orbitales, muy cercanos en energía, forman bandas de energía. Si los orbitales atómicos que se combinan están llenos de electrones, la banda también estará llena. Si están parcialmente llenos, la banda también lo estará.

Conductores

• Caso del Sodio (Na): Su configuración electrónica termina en 3s¹. Los orbitales 3s se combinan para formar una banda de valencia parcialmente llena, lo que permite la movilidad de los electrones y la conductividad eléctrica.
• Caso del Magnesio (Mg): Su configuración electrónica termina en 3s², seguido de los orbitales 3p. La banda de valencia 3s está llena, pero los orbitales 3p, que están vacíos, forman una banda de conducción que se solapa con la banda de valencia. Esto permite que los electrones se muevan fácilmente entre bandas, explicando la conductividad del magnesio.

Una sustancia es conductora de electricidad si tiene una banda de valencia incompleta o si su banda de valencia llena se solapa con una banda de conducción vacía.

Semiconductores

En los semiconductores, la banda de valencia y la banda de conducción no se solapan, pero la diferencia de energía (ΔE) entre ellas es pequeña. Normalmente no conducen la electricidad, pero con suficiente energía (por ejemplo, calor), los electrones pueden saltar a la banda de conducción, permitiendo la conductividad. Ejemplos de semiconductores son el silicio (Si) y el germanio (Ge).

Aislantes

En los aislantes, la diferencia de energía (ΔE) entre la banda de valencia y la banda de conducción es muy grande. Los electrones no pueden saltar a la banda de conducción, por lo que no conducen la electricidad. Ejemplos de aislantes son la madera y algunos plásticos.

Propiedades de las Sustancias con Enlace Metálico

• Punto de Fusión y Punto de Ebullición: A temperatura ambiente, la mayoría de los metales son sólidos (excepto el mercurio). Los puntos de fusión y ebullición varían ampliamente, desde el galio (29°C) hasta el wolframio (>3000°C).
• Conductividad Térmica y Eléctrica: Los metales tienen alta conductividad térmica y eléctrica debido a la movilidad de los electrones libres.
• Brillo Metálico: La superficie pulida de los metales refleja la luz, dando lugar al brillo metálico.
• Maleabilidad y Ductilidad: Las redes metálicas pueden deformarse fácilmente, permitiendo la formación de hilos (ductilidad) y láminas (maleabilidad).
• Emisión de Electrones: Los metales pueden emitir electrones al recibir energía. La emisión de electrones por calor se llama efecto termoiónico, y la emisión por luz se llama efecto fotoeléctrico.