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Los metales son compuestos con una gran tendencia a ceder sus electrones para tener una configuración electrónica de gas noble. En general, los electrones de valencia de estos elementos están débilmente unidos al núcleo.
Cuando muchos átomos se unen para formar un trozo de metal, ceden sus electrones de valencia a la estructura. Es decir, los electrones pasan de pertenecer a un átomo de forma individual a pasar a forma parte de todo el trozo de metal. Ya no están unidos a un elemento únicamente, sino que pasan a moverse libremente por toda la estructura. Esta teoría se llama la teoría del mar de electrones.
Al ceder estos electrones, los átomos se quedan cargados positivamente. Es este “mar” de electrones con libre movimiento el que compensa las cargas positivas y hace que todas permanezcan unidas, pese a que tengan cargas iguales y deban repelerse.
La teoría del mar de electrones justifica las propiedades de los compuestos metálicos
1. Alta conductividad eléctrica: Los metales son excelentes conductores de la electricidad.
Como los electrones de valencia están deslocalizados y pueden moverse libremente a través del metal, actúan como portadores de carga y permiten el flujo de corriente.
2. Alta conductividad térmica: Los metales también son buenos conductores del calor.
Cuando una zona del metal se calienta, los electrones aumentan su energía, lo que se transforma en energía cinética. Al tener libertad de movimiento, se desplazan por todo el metal, chocando con otros electrones y transfiriéndoles parte de su energía. Lo cual lleva a que el calor se transfiera a través de todo el material.
3. Brillo metálico: Los metales suelen tener un brillo característico, especialmente cuando se pulen.
Los electrones libres en la superficie del metal absorben y reemiten la luz de manera eficiente, lo que da lugar al brillo metálico.
4. Maleabilidad y ductilidad: Los metales pueden ser deformados en láminas (maleabilidad) e hilos (ductilidad) sin romperse.
La nube de electrones deslocalizados actúa como un "pegamento" que mantiene unidos a los cationes metálicos. Al aplicar una fuerza, los cationes pueden deslizarse unos sobre otros sin romper la estructura, ya que los electrones se reacomodan, manteniendo la cohesión del metal.
5. Altos puntos de fusión y ebullición: La mayoría de los metales tienen puntos de fusión y ebullición elevados, aunque hay excepciones como el mercurio.
La fuerza del enlace metálico, que surge de la atracción entre los cationes y la nube de electrones, es generalmente fuerte, requiriéndose mucha energía para separar los átomos y fundir o evaporar el metal. Hay excepciones debido a que entran en juego otros factores, como la estructura cristalina o el número de electrones deslocalizados.
Nos permite explicar la diferencia entre materiales conductores, aislantes y semiconductores. Se basa en la combinación de orbitales atómicos.
Veámoslo mejor con un ejemplo: imaginemos que tenemos una estructura metálica. Por ejemplo, de sodio (Na: Z=11). Estudiemos su configuración electrónica: 1s2 2s2 2p6 3s1. En su capa de valencia, el sodio tiene un electrón, que tiene una energía determinada.
Si unimos un segundo átomo de sodio, pasamos a tener dos orbitales atómicos de valencia, con una energía similar (no es igual, puesto que la interacción entre átomos hace que ésta varíe un poco), que se combinan entre sí. Si unimos un tercer átomo, pasamos a tercer tres. Y así hasta tener trillones de átomos. Como todos los orbitales están muy cercanos en energía, se acaba formando una banda de energía que llamaremos banda de valencia.
En el caso del sodio, como solamente tiene un electrón en su orbital de la capa de valencia, la banda de energía de valencia está semillena.
Además de la banda de valencia podemos definir la banda de conducción. Es la banda de aquellos orbitales en los que hay hueco para el movimiento de electrones y que están lo más cercanos posible en energía a los orbitales de la banda de valencia.
En el caso del sodio, la misma banda de energía está semillena. Los electrones pueden promocionar en energía y subir a niveles energéticamente más altos dentro de la misma banda. Así que la banda de conducción y la de valencia son la misma. Pero esto no siempre ocurre así: vamos a estudiar la conductividad en 4 casos distintos, que dependen de la interacción entre la banda de valencia y la banda de conducción:
Caso 1: La banda de valencia está semillena y sirve también como banda de conducción. Esto ocurre, por ejemplo, en el caso del sodio que acabamos de estudiar.
Caso 2: La banda de valencia está llena y una banda de conducción solapa con ella (por ejemplo, la banda 3p vacía del Mg (1s2 2s2 2p6 3s2) se solapa en energía con la 3s llena.
Tanto en el caso 1 como en el 2, el movimiento de electrones entre la banda de valencia y la de conducción es libre. Estamos ante materiales FUERTEMENTE CONDUCTORES. Podemos considerar que los metales están casi siempre en estos grupos.
Caso 3: La banda de valencia está llena y la banda de conducción está vacía, pero separada por un pequeño GAP de energía. La separación entre bandas es lo suficientemente pequeña como para que algunos electrones con la suficiente energía puedan hacer la transición entre bandas. La circulación de electrones entre bandas es posible, pero no es tan fácil como en el caso 1 y 2. Estos materiales son SEMICONDUCTORES.
Caso 4: La banda de valencia está llena y la banda de conducción está vacía. Pero la separación entre bandas es tan grande que es prácticamente imposible que los electrones promocionen de una a otra. Estos materiales son AISLANTES y no conducen la electricidad.
1. El aluminio es un buen conductor del calor, mientras que el plástico es un aislante térmico. Explica esta propiedad en relación con el enlace metálico.
Solución
El "mar de electrones" deslocalizados en los metales no solo es responsable de la conductividad eléctrica, sino también de la conductividad térmica. Estos electrones móviles pueden transferir energía cinética (calor) rápidamente a través del material, chocando con los iones y transmitiendo la vibración. En los aislantes, como el plástico, la ausencia de electrones libres (dado que están formando parte del enlace covalente) impide una transferencia de calor eficiente.
2. ¿Por qué crees que muchos materiales aislantes son transparentes o translúcidos a la luz visible?
Solución
En muchos aislantes, el "band gap" (distancia energética entre la banda de valencia y la de conducción) es muy grande. La energía de los fotones de la luz visible no es suficiente para excitar a los electrones de la banda de valencia a la banda de conducción. Por lo tanto, la luz no es absorbida y atraviesa el material, haciéndolo transparente o translúcido.
3. ¿Por qué el oro es altamente maleable y dúctil?
Solución
El oro es maleable (puede ser martillado en láminas delgadas) y dúctil (puede ser estirado en alambres) debido a la naturaleza flexible del enlace metálico. En el oro, los iones positivos se encuentran en una matriz fija, mientras que los electrones de valencia forman un mar de electrones deslocalizados que actúan como un "pegamento" flexible que mantiene unidos a los iones.
Cuando se aplica una fuerza al oro, los iones metálicos pueden deslizarse unos sobre otros sin romper la estructura global, ya que los electrones deslocalizados mantienen la cohesión entre los iones. Este deslizamiento permite que el metal se deforme plásticamente sin fracturarse. La ausencia de enlaces direccionales específicos permite este movimiento relativo de los planos de átomos, lo que da como resultado la alta maleabilidad y ductilidad del oro.
4. ¿Por qué crees que el punto de fusión del sodio es mucho más pequeño que el del hierro?
Solución
El sodio (Na): Tiene una configuración electrónica [Ne] 3s¹. Solo tiene un electrón de valencia en su orbital 3s, que se deslocaliza y contribuye al enlace metálico.
El hierro (Fe): Tiene una configuración electrónica [Ar] 3d⁶ 4s². Tiene dos electrones de valencia en su orbital 4s, y aunque los electrones 3d están más localizados, también pueden contribuir parcialmente al enlace metálico.
El hierro tiene más electrones que pueden participar en el enlace metálico en comparación con el sodio. Esto hace que el enlace sea más fuerte y, por tanto, haga falta más energía para romperlo. Por tanto, el punto de fusión del hierro es mayor.