Unidad 2. Enlaces y estructuras

Presentación del tema: "Unidad 2. Enlaces y estructuras"— Transcripción de la presentación:

1 Unidad 2. Enlaces y estructuras
2.4 Enlace metálico Tecnológico Nacional de México Instituto Tecnológico de Toluca Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica M.C. Yenissei M. Hernández Castañeda

2 Competencia específica a desarrollar:
Comprende las características que distinguen a las distintas fuerzas que se encargan de mantener unidos a los átomos de una molécula, para predecir el comportamiento físico y químico de la misma.

3 Contenido de la presentación:
2.1 Introducción 2.2 Enlace iónico 2.3 Enlace covalente 2.4 Enlace metálico 2.5 Fuerzas intermoleculares y propiedades físicas 2.5 Influencia de las fuerzas intermoleculares en las propiedades físicas.

4 2.4.1 Clasificación de sólidos en base a su conductividad eléctrica
Los materiales sólidos pueden clasificarse, de acuerdo a su resistividad en: Conductores: son materiales, generalmente metales, cuya estructura electrónica les permite conducir la corriente eléctrica a bajas temperaturas o temperatura ambiente. Su resistividad al paso de la corriente eléctrica es muy baja. Aislantes: son materiales con una resistencia tan alta que no es posible la conducción eléctrica a través de ellos. Un ejemplo es el diamante. Semiconductores: de acuerdo a sus valores de resistencia, se encuentran situados entre los conductores y los aislantes, ya que a temperaturas muy bajas difícilmente conducen la corriente eléctrica y más bien se comportan como aislantes, pero al elevar su temperatura o ser sometidos a un campo eléctrico externo, su comportamiento cambia al de los conductores.

5 2.4.2 Teoría de bandas La metalurgia es la ciencia y tecnología de la separación de los metales a partir de sus menas y sus aleaciones. Una aleación es una disolución sólida (o mezcla homogénea) de dos o más metales, o de un metal o metales con uno o más no metales. Los metales son de los materiales más antiguos empleados por la humanidad; hasta el siglo pasado se desarrollaron nuevos tipos de materiales: los semiconductores. Los metales y los semiconductores son importantes para la economía moderna, por lo que es útil comprender sus propiedades.

6 Modelo del mar de electrones
Un modelo muy sencillo que explica algunas de las características más importantes de los metales es el modelo de mar de electrones. En este modelo se representa el metal como una formación de cationes metálicos en un “mar” de electrones de valencia.

7 Modelo del mar de electrones
Los electrones están confinados al metal por efecto de las atracciones electrostáticas hacia los cationes y se encuentran distribuidos de modo uniforme por toda la estructura. Los electrones son móviles y ningún electrón individual está confinado a algún ión metálico en particular. Al conectar un alambre metálico en los polos de una batería, los electrones fluyen a través del metal hacia el polo positivo y entran en el metal desde la batería por el polo negativo.

8 Modelo del mar de electrones
La gran conductividad térmica de los metales también se explica en función de la movilidad de los electrones, la cual permite que se transfiera con facilidad la energía cinética por todo el sólido. La capacidad de deformación de los metales se explica por el hecho de que los átomos metálicos forman enlaces con muchos vecinos. Una redistribución de los electrones permite que el metal se adapte a los cambios de posición de los átomos, resultado de la nueva forma del metal.

9 Modelo del mar de electrones

10 Modelo del mar de electrones
El modelo de mar de electrones no explica todas las propiedades; según este modelo la fortaleza de los enlaces entre átomos metálicos debería aumentar con el número de electrones de valencia, lo que daría por resultado una elevación correspondiente de los puntos de fusión. Los metales del grupo 6B (Cr, Mo, W) que se hallan en el centro de los metales de transición, tienen los puntos de fusión más altos de sus respectivos periodos. Los puntos de fusión del resto de los metales de su periodo son más bajos. Esto implica que la fortaleza del enlace metálico aumenta primero con el número de electrones y luego disminuye. Se observan tendencia semejantes en otras propiedades físicas de los metales (calor de fusión, dureza y punto de ebullición).

11 Modelo del mar de electrones
Periodo 3

12 Teoría de Bandas

13 Teoría de Bandas Los materiales se comportan de modo diferente según su capacidad para transportar la corriente eléctrica. Basándose en este comportamiento, los diferentes tipos de materiales existentes se pueden clasificar en conductores, aislantes y semiconductores, que constituyen la base de los dispositivos electrónicos.

14 Teoría de Bandas La teoría de bandas constituye una explicación alternativa del comportamiento de los materiales semiconductores. Se basa en el hecho de que los electrones de un átomo aislado se distribuyen según ciertos niveles energéticos, denominados órbitas u orbitales, en torno al núcleo. Cuando los átomos se unen unos con otros para formar un sólido, se agrupan de manera ordenada formando una red cristalina.

15 Teoría de Bandas Debido a la proximidad de los átomos entre sí, las órbitas en las que se encuentran los electrones de cada átomo se ven afectadas por la presencia de los átomos vecinos. A interacción entre dos orbitales atómicos conduce a la formación de un orbital molecular de enlace y otro de antienlace. Debido al gran número de átomos que existe en un pequeño trozo de magnesio (alrededor de 1020 átomos), el número de orbitales también es muy grande. Estos orbitales moleculares tienen energías tan parecidas que pueden ser mejor descritos como una banda.

16 Teoría de Bandas 12Mg: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p0

17 Teoría de Bandas Los orbitales 3s y 3p se traslapan formando orbitales deslocalizados. Los electrones de estos orbitales pueden viajar a través del metal y esto explica la conductividad eléctrica del mismo. Los orbitales se traslapan entre sí, dando lugar a la aparición de unas zonas o bandas continuas en las que se pueden encontrar los electrones, y que reciben el nombre de bandas de energía.

18 Teoría de Bandas Para entender el comportamiento de los materiales en relación con su capacidad de conducir, nos interesan las dos últimas bandas, que son: Banda de valencia: está ocupada por los electrones de valencia de los átomos, es decir, aquellos electrones que se encuentran en la última capa o nivel energético de los átomos. Los electrones de valencia son los que forman los enlaces entre los átomos, pero no intervienen en la conducción eléctrica. Banda de conducción: está ocupada por los electrones libres, es decir, aquellos que se han desligado de sus átomos y pueden moverse fácilmente. Estos electrones son los responsables de conducir la corriente eléctrica.

19 Teoría de Bandas Debido a que la banda de valencia y la banda de conducción son adyacentes entre sí, es casi despreciable la cantidad de energía que se requiere para promover un electrón de valencia a la banda de conducción. Una vez aquí el electrón puede desplazarse libremente a través de todo el metal, ya que la banda de conducción carece de electrones. Esta libertad de movimiento explica que los metales son buenos conductores.

20 Conductores, semiconductores y aislantes

21 Conductores, semiconductores y aislantes
La conductividad eléctrica de un sólido depende del espaciamiento y el estado de ocupación de las bandas de energía. Para que un material sea buen conductor de la corriente eléctrica debe tener electrones en la banda de conducción. En el caso del magnesio y otros metales, las bandas de valencia son adyacentes a las bandas de conducción y por lo tanto los metales actúan fácilmente como conductores.

22 Conductores, semiconductores y aislantes
Cuando la banda de conducción esté vacía, el material se comportará como un aislante. Entre la banda de valencia y la de conducción existe una zona denominada banda prohibida o gap, que separa ambas bandas y en la cual no pueden encontrarse los electrones. En la madera y el vidrio, el espacio entre las bandas de valencia y las bandas de conducción es mucho mayor que en un metal; como consecuencia se requiere mucha mayor energía para excitar un electrón hacia la banda de conducción. La ausencia de esta energía impide la movilidad de los electrones, por tanto el vidrio y la madera son aislantes.

23 Conductores, semiconductores y aislantes

24 Conductores, semiconductores y aislantes
Una gran cantidad de elementos son semiconductores, es decir, por lo general no son conductores pero conducen la corriente eléctrica a elevadas temperaturas o cuando se combinan con una pequeña cantidad de otros elementos. Los elementos del grupo 4A como el silicio y el germanio son especialmente útiles para este propósito. El uso de los semiconductores en transistores y en celdas solares ha revolucionado la industria electrónica durante las últimas décadas, lo que ha conducido a la fabricación de equipo electrónico en miniatura. Hoy en día los semiconductores son componentes esenciales de casi cualquier equipo electrónico (radio, televisor, calculadoras, computadoras, etc). Una de las ventajas de los dispositivos de estado sólido es su pequeño tamaño.

25 Conductores, semiconductores y aislantes
Los materiales semiconductores tienen una estructura de bandas semejante a la de los aislantes, es decir, la banda de conducción está vacía (y, en consecuencia, no conducen la corriente eléctrica). Sin embargo, en este caso la banda prohibida es muy estrecha, de forma que la banda de valencia se encuentra muy próxima a la de conducción.

26 Conductores, semiconductores y aislantes
Esta situación permite que, si se comunica una pequeña cantidad de energía al material, algunos electrones de la banda de valencia puedan «saltar» a la de conducción, lo que quiere decir que se desligan de sus átomos y se hacen libres. Al tener ocupada la banda de conducción, el material se comportará como conductor. Este comportamiento es opuesto al de los metales, pues la capacidad de un metal para conducir la electricidad disminuye al aumentar al temperatura, ya que a mayores temperaturas se acentúa la vibración de los átomos y esto tiende a romper el flujo de electrones.

27 Conductores, semiconductores y aislantes
La capacidad de un semiconductor para conducir la electricidad también se puede incrementar mediante la adición de pequeñas cantidades de ciertas impurezas al elemento, proceso que se denomina dopado. Este proceso de dopado ocasiona que el sólido tenga un número demasiado pequeño o demasiado grande de electrones para llenar las bandas de valencia. Efecto del dopaje. a) Silicio puro; b) Siicio dopado con fósforo; c) Silicio dopado con galio.

28 Conductores, semiconductores y aislantes
Cuando se añaden trazas de boro o fósforo al silicio sólido, los átomos de fósforo toman el lugar de los átomos de silicio en puntos al azar de la estructura. El fósforo posee cinco electrones de valencia por átomo, en comparación con los cuatro del silicio. No hay espacio para estos electrones adicionales en la banda de valencia, por tanto deben ocupar la banda de conducción. Estos electrones sirven como portadores de corriente eléctrica. Los solidos de este tipo se llaman semiconductores tipo-n, donde n proviene de negativo (por la carga del electrón adicional).

29 Conductores, semiconductores y aislantes

30 Conductores, semiconductores y aislantes
Si el silicio se dopa con galio, los átomos de éste tienen un electrón menos para satisfacer el enlace con los cuatro átomos de silicio vecinos. En consecuencia la banda de valencia no se llena totalmente. Es posible excitar un electrón de valencia de un átomo vecino de silicio hacia este orbital vacío. El hueco generado por el átomo de silicio puede llenarse con un electrón de otro átomo de silicio vecino al primero, y así sucesivamente. De este modo los electrones se pueden mover a través del cristal en una dirección, mientras que los huecos o “agujeros positivos” se mueven en dirección opuesta, y el sólido se convierte en un conductor eléctrico. Este tipo de semiconductor recibe el nombre de semiconductor tipo-p, en donde la p significa positivo.

31 Conductores, semiconductores y aislantes
La movilidad del agujero puede ser simulada por estudiantes. Cinco estudiantes son electrones y una silla vacía es un agujero. Por cada movimiento de los estudiantes una silla hacia la derecha (flechas oscuras) produce un resultado que es equivalente a una silla vacía que mueve a la izquierda (flechas blancas)

32 Conductores, semiconductores y aislantes
Tanto en los semiconductores de tipo-p como en los de tipo-n se reduce de manera efectiva el espacio energético entre la banda de valencia y la banda de conducción, de modo que sólo se requiere una pequeña cantidad de energía para excitar los La conductividad de un semiconductor aumenta en un factor de 100,000 por la presencia de átomos de impurezas.

33 Ejemplo de aplicación de los semiconductores: Termistores

34 Ejemplo de aplicación de los semiconductores: Termistores
El termistor es un resistor sensible a la temperatura, es decir, su resistencia terminal se encuentra relacionada con la temperatura de su cuerpo. Presentan unas variaciones rápidas y extremadamente grandes para los cambios relativamente pequeños en la temperatura. Se construyen de germanio, silicio o de una mezcla de óxidos de cobalto, níquel, estroncio o magnesio. El compuesto utilizado determinará si el dispositivo cuenta con un coeficiente de temperatura positivo o negativo. Existen dos clases de termistores: Coeficiente de temperatura positivo: en éstos, un incremento de la temperatura causa que la resistencia del termistor se incremente. Coeficiente de temperatura negativo: un incremento de la temperatura produce que la resistencia del termistor se reduzca. La mayoría de los termistores usados son de este tipo.

35 Ejemplo de aplicación de los semiconductores: Termistores

36 Ejemplo de aplicación de los semiconductores: Termistores
Un circuito de alarma contra fuego es una aplicación de los termistores NTC. En presencia de fuego, el incremento en la temperatura baja la resistencia del termistor NTC, la resistencia reducida aumenta la corriente y activa la alarma. En condiciones normales de operación, la resistencia del termistor es alta; la resistencia alta mantiene la corriente al circuito de control baja, entonces la alarma permanece apagada.

37 Ejemplo de aplicación de los semiconductores: Termistores

38 Ejemplo de aplicación de los semiconductores: Termistores
Los refrigeradores en sus sistemas de arranque del motor del compresor pueden utilizar termistores tipo PTC. Estos termistores se fabrican con titanato de bario, al aumentar la temperatura, los cristales de titanato de bario forman barreras homogéneas que obstaculizan el paso de electrones, esto hace que la resistividad aumente, siendo mucho más elevada que la de los metales. Por esta razón este termistor tendrá poca resistencia en frío y conforme aumente su temperatura irá aumentando su resistencia.

39 Ejemplo de aplicación de los semiconductores: Termistores
A mayor T del gas la resistencia aumenta y no hay flujo de e- Consume energía eléctrica para funcionar A menor T del gas la resistencia disminuye y existe un flujo de e- COMPRESOR Fluido Etapa de compresión Su volumen disminuye Su presión aumenta Su temperatura aumenta Etapa de expansión Su volumen aumenta Su presión disminuye Su temperatura disminuye Para expandirse requiere energía la cual toma del espacio interior del refrigerador

40 ¿Preguntas?