Propiedades de conductividad de los metales y teoría de bandas

Publicado el 1 noviembre, 2020 por Rodrigo Ricardo

Dirección – Vale la pena el metal

Los metales (cristales metálicos) tienen propiedades físicas muy diferentes en comparación con las moléculas iónicas y covalentes. Tienen una estructura cristalina como los compuestos iónicos, pero actúan de manera muy diferente y se cree que comparten electrones como moléculas covalentes, pero de una manera diferente. Los metales son maleables (flexibles), dúctiles (flexibles / elásticos) y conductores (pueden transportar una corriente eléctrica), por lo que son la base de la electrónica y la transmisión de electricidad. Todo tiene que ver con enlaces metálicos . Los enlaces metálicos son diferentes de los enlaces iónicos y covalentes. Podemos visualizarlos como un mar de electrones deslocalizados que rodean los núcleos metálicos con la atracción de los núcleos al mar de electrones como el “pegamento” que los mantiene unidos. Pero, ¿por qué los metales, que son cristales,

Metales – Teoría de bandas

A diferencia de una banda de metal que elimina ritmos contundentes, la teoría de bandas para metales se basa en la teoría de orbitales moleculares (MO) en la que los átomos de metal combinan orbitales atómicos en orbitales moleculares enlazantes (más bajos en energía) y antienlazantes (más altos en energía). a moléculas covalentes pero con una diferencia clave. La diferencia es que los OM de enlace y antienlace se superponen con los OM de energía similar de enlaces metálicos adyacentes. Cuando el número de enlaces moleculares de metales es grande, los OM superpuestos constituyen bandas de energía similar a los OM parentales con los OM inferiores con electrones de valencia y los OM superiores vacíos. Veamos una representación visual para ilustrar lo que está sucediendo (ver Figura 1).


Figura 1 – De orbitales moleculares superpuestos a bandas de valencia y conducción en sodio
Formación de energía ands en sodio.

En la ilustración superior, vemos dos orbitales atómicos en dos átomos de sodio formando orbitales moleculares enlazantes y antienlazantes en un enlace. Cuando agrega otro sodio al enlace, deja un orbital de un solo electrón con una energía más alta, ya que los electrones emparejados dan como resultado una energía más baja. A medida que más y más átomos se unen en el enlace, los OM ocupados por electrones de valencia crean una banda (banda de valencia), y los OM vacíos por encima de ellos (banda de conducción) hacen lo mismo (véase la ilustración inferior). Cuando estas bandas se colocan en un campo eléctrico (se aplica corriente eléctrica), algunos de los electrones de la banda de valencia se excitan fácilmente en la banda de conducción (electrones deslocalizados) y son atraídos por el polo positivo del circuito. Los huecos dejados por los electrones excitados se llenan con los electrones entrantes del lado negativo del circuito que se propagan a través de la banda de valencia; así,

Conductor vs Semiconductor

En el caso de los metales, no existe una brecha de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción, lo que caracteriza a un metal conductor, por lo que se necesita poca estimulación para que los electrones salten de banda (ver Figura 2).


Figura 2 – Ilustración de la brecha de energía en un metal, aislante y semiconductor
Ilustración de brecha de energía

Una brecha de energía (E g ) es la diferencia de energía entre la parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción. Los metales no tienen espacio como se indica, pero para las sustancias que son aislantes , como el caucho, el espacio de energía entre las bandas es muy grande. Hace que sea muy poco probable que los electrones en la banda de valencia adquieran suficiente energía para saltar ese espacio y permitir la conducción. Piense en ello como la distancia que tendría que saltar para ir desde el borde sur hasta el borde norte del Gran Cañón en los Estados Unidos. Simplemente no va a suceder independientemente de lo emocionado que estés.

Pero hay sustancias que tienen brechas de energía más pequeñas que, en las circunstancias adecuadas, harán que los electrones cubran esa brecha de energía. Se llaman semiconductores . El silicio es un ejemplo de semiconductor y es una sustancia que se utiliza para fabricar transistores, circuitos integrados (la CPU y la RAM de su computadora) y paneles solares. Con un poco de energía extra, los electrones en la banda de valencia pueden saltar la pequeña brecha de energía a la banda de conducción. Esto sería como correr y saltar un charco lleno de agua de un metro de ancho para no mojarse los pies. Puede hacer eso con solo un poco de esfuerzo adicional (energía).

Lo que ocurre en un semiconductor de silicio es que un electrón se excita y deja un enlace entre dos átomos de Si, entrando en la banda de conducción. Ahora nos quedamos con una situación de enlace deficiente en electrones llamada agujero positivo. Este agujero positivo se llena atrayendo un electrón de un enlace de silicio vecino creando un agujero positivo allí, que atrae un electrón de un enlace de silicio vecino creando un agujero positivo allí … y así sucesivamente. Esto significa que la corriente en el semiconductor es transportada por el movimiento de electrones libres, deslocalizados y huecos positivos. Sin embargo, algo extraño es que la conductividad en los conductores disminuye al aumentar la temperatura (posiblemente debido a que los núcleos vibrantes interfieren con el movimiento de los electrones); sin embargo, para un semiconductor,

Resumen de la lección

Los enlaces metálicos son diferentes de los enlaces iónicos y covalentes, ya que son más como núcleos metálicos rodeados por un mar de electrones deslocalizados con la atracción mutua que mantiene unidos los átomos metálicos. Los metales son conductores de electricidad, lo que se explica mejor mediante la teoría de bandas cuando los bloques de orbitales moleculares (MO) superpuestos se fusionan en bandas de MO ocupados (banda de valencia) y desocupados (banda de conducción). La excitación de electrones de la banda de valencia a la banda de conducción permite que los electrones fluyan y transporten una corriente eléctrica.

También hay otras clases de sustancias, aislantes y semiconductores , que respectivamente no conducen o solo conducen en circunstancias especiales. La razón por la que los aisladores no conducen es que hay una brecha de energía entre las bandas de valencia y conducción que es demasiado grande para que los electrones excitados se crucen, pero los semiconductores tienen una brecha de energía más pequeña que conducirá en las condiciones adecuadas y permitirá que los electrones salten la valencia a la banda de conducción. Los semiconductores son la base de los transistores y la electrónica de circuitos integrados modernos, que aparentemente dirigen nuestro mundo.

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