Introducción a la Química

Términos

• Metalanía de un número de elementos químicos en la tabla periódica que forman un enlace metálico con otros átomos metálicos; generalmente brillante, algo maleable y duro, a menudo un conductor de calor y electricidad.
• orbital molecularel comportamiento mecánico cuántico de un electrón en una molécula que describe la probabilidad de la posición y energía particulares del electrón; aproximado por una combinación lineal de orbitales atómicos.
• voltajeLa cantidad de potencial electrostático entre dos puntos en el espacio.

Conductores frente a aisladores

Un conductor es un material que contiene cargas eléctricas móviles. En conductores metálicos como el cobre o el aluminio, las partículas cargadas móviles son electrones. Las cargas positivas también pueden ser móviles, como los electrolitos catiónicos de una batería o los protones móviles del conductor de protones de una pila de combustible. Los aisladores son materiales no conductores con pocas cargas móviles; solo transportan corrientes eléctricas insignificantes.

Al describir conductores utilizando el concepto de teoría de bandas, es mejor centrarse en conductores que conducen electricidad utilizando electrones móviles. De acuerdo con la teoría de bandas, un conductor es simplemente un material que tiene su banda de valencia y banda de conducción superpuestas, lo que permite que los electrones fluyan a través del material con un voltaje mínimo aplicado.

Teoría de bandas

En física de estado sólido, la estructura de banda de un sólido describe los rangos de energía, llamados bandas de energía, que un electrón dentro del sólido puede tener («bandas permitidas») y los rangos de energía llamados huecos de banda («bandas prohibidas»), que puede no tener. La teoría de bandas modela el comportamiento de los electrones en sólidos postulando la existencia de bandas de energía. Utiliza con éxito la estructura de banda de un material para explicar muchas propiedades físicas de los sólidos. Las bandas también pueden ser vistas como el límite a gran escala de la teoría de orbitales moleculares.

Los electrones de un átomo aislado ocupan orbitales atómicos, que forman un conjunto discreto de niveles de energía. Si varios átomos se unen en una molécula, sus orbitales atómicos se dividen en orbitales moleculares separados, cada uno con una energía diferente. Esto produce un número de orbitales moleculares proporcionales al número de electrones de valencia. Cuando un gran número de átomos (1020 o más) se unen para formar un sólido, el número de orbitales se vuelve extremadamente grande. En consecuencia, la diferencia de energía entre ellos se vuelve muy pequeña. Por lo tanto, en los sólidos, los niveles forman bandas continuas de energía en lugar de los niveles de energía discretos de los átomos aislados. Sin embargo, algunos intervalos de energía no contienen orbitales, formando espacios de banda. Este concepto se vuelve más importante en el contexto de los semiconductores y aislantes .

Dentro de una banda de energía, los niveles de energía pueden considerarse como un continuo cercano por dos razones:

1. La separación entre niveles de energía en un sólido es comparable con la energía que los electrones intercambian constantemente con los fonones (vibraciones atómicas).
2. Esta separación es comparable con la incertidumbre de energía debido al principio de incertidumbre de Heisenberg para intervalos de tiempo razonablemente largos. Como resultado, la separación entre los niveles de energía no tiene ninguna consecuencia.

Conductores

Todos los conductores contienen cargas eléctricas, que se moverán cuando se aplique una diferencia de potencial eléctrico (medida en voltios) en puntos separados del material. Este flujo de carga (medido en amperios) es lo que se conoce como corriente eléctrica. En la mayoría de los materiales, la corriente continua es proporcional al voltaje (según lo determinado por la ley de Ohm), siempre que la temperatura permanezca constante y el material permanezca en la misma forma y estado.

Los conductores más conocidos son metálicos. El cobre es el material más común utilizado para el cableado eléctrico . Silver es el mejor conductor, pero es caro. Debido a que el oro no se corroe, se utiliza para contactos de superficie a superficie de alta calidad. Sin embargo, también hay muchos conductores no metálicos, incluidos grafito, soluciones de sales y todos los plasmas. Incluso hay polímeros conductores.

La conductividad térmica y eléctrica a menudo van juntas. Por ejemplo, el mar de electrones hace que la mayoría de los metales actúen como conductores eléctricos y térmicos. Sin embargo, algunos materiales no metálicos son conductores eléctricos prácticos sin ser buenos conductores térmicos.