El enlace metálico

    El conocimiento y la manipulación de los metales han discurrido, desde la antigüedad, parejos a la evolución tecnológica del ser humano. Ya en tiempos prehistóricos se trabajaban metales puros, como el hierro, y se obtenían aleaciones como el bronce, formado por cobre y estaño. En nuestros días, la ultraestructura de los metales y sus combinaciones se analiza en profundidad mediante técnicas como la microscopia electrónica o la difracción de rayos X. Así, se logran aleaciones de última generación, como las de níquel-cromo, de elevada resistencia al calor y la deformación o las de níquel-titanio, que presentan memoria de forma, es decir, que recuperan espontáneamente su conformación original, después de haber sido sometidas a fuerzas deformantes.

    Las propiedades de los metales son, en definitiva, uno de los pilares sobre los que se asienta la tecnología desde los orígenes de la humanidad y, en el mundo actual, suponen un área de estudio esencial para todo tipo de aplicaciones industriales y tecnológicas. Tales propiedades están íntimamente vinculadas a su estructura y, desde el punto de vista químico, al tipo de enlace que se establece entre los átomos de los metales, al que se denomina enlace metálico.

    Desde los primeros estudios sobre este tipo de enlace se ha creado una serie de modelos que han intentado representarlo idealmente, aunque, como suele suceder en el campo de la especulación química,cada uno de los modelos postulados presentaba alguna impropiedad. Así sucedió con el modelo llamado de burbujas y con el denominado de nube electrónica. Por fin, la naturaleza y las propiedades del enlace metálico quedaron adecuadamente inscritas en el marco de la conocida como teoría de bandas.

    Características del enlace metálico

    Se designa como enlace metálico la fuerza que mantiene unidos a los átomos en las sustancias constituidas por metales, puros o en aleación. Se trata de sólidos en los que el grado de empaquetamiento de dichos átomos, o concentración de unidades atómicas que el elemento presenta en su disposición espacial, es, por regla general, elevado. En la mayor parte de los casos, la capa de electrones de valencia de los átomos metálicos se solapa con la de los átomos vecinos. Como consecuencia de ello, los electrones se desplazan continuamente de un átomo a otro, en una situación netamente diferente a las que se dan en los enlaces covalente e iónico, respectivamente.

    Los elevados valores de conductividad eléctrica, y también térmica, son uno de los rasgos más significativos que el enlace metálico aporta a los elementos en los que se establece.

    A partir de este planteamiento, para explicar la naturaleza y los mecanismos del enlace metálico se propusieron sendos modelos, denominados respectivamente de burbujas y de nube electrónica y que, en conjunto, constituyen lo que se conoce como teoría clásica del enlace metálico. Estos modelos presentaban, no obstante, deficiencias en la integración dentro de sus planteamientos de propiedades como la conductividad eléctrica o el comportamiento de los semiconductores. Por ello se elaboró un nuevo modelo teórico, la teoría de bandas, que incluía criterios de índole mecanocuántica para describir la mecánica del enlace metálico.

    Modelo de burbujas

    El modelo de burbujas para el enlace metálico fue propuesto por el británico Lawrence Bragg en la década de 1920. Su fundamento era la comparación de la estructura atómica de los metales con la disposición de las burbujas de jabón flotando sobre una superficie líquida. En tan sencillo planteamiento se observan notables coincidencias con el comportamiento de los átomos de metales, ya que, por ejemplo, las burbujas constituyen lo que podría asimilarse a una red de empaquetamiento compacto, se deslizan unas sobre otras y presentan espacios vacíos, tal y como sucede en una red metálica.

    Esta exposición teórica permite deducir, por ejemplo, que, al introducir átomos de otro metal en una red metálica, las dimensiones diferentes de los nuevos átomos incorporados hacen que los previamente integrados en la red se deslicen unos sobre otros con menor facilidad que cuando la red era químicamente pura. En consecuencia, el material verá disminuida su maleabilidad y adquirirá mayores dureza y resistencia, circunstancia que efectivamente se da en las aleaciones metálicas.

    El modelo no admite, sin embargo, la inclusión de criterios sobre propiedades como las conductividades térmica y eléctrica de los metales. En cualquier caso, sí sirve para ilustrar la disposición de la estructura tridimensional, en la que cada átomo queda unido a todos los que lo rodean, según una ordenación que en química se designa como estructura gigante, y que es propia también de ciertas redes iónicas de empaquetamiento compacto.

    Modelo de nube electrónica

    El modelo de nube electrónica postula que las redes metálicas en estado sólido constan de un conjunto de átomos ionizados de carga positiva, representados por esferas, y entre las cuales se desplazan libremente los electrones de valencia, formando una nube electrónica móvil que compensa las cargas positivas de las esferas, manteniéndolas unidas. En este contexto, se dice que los electrones de valencia de la red cristalina están deslocalizados, lo que quiere expresar que se mueven de manera relativamente libre por toda la red, no pudiendo asignarse a átomos concretos, como sucede en el enlace covalente.

    Muchas de las propiedades de los metales son atribuibles a la disposición no localizada, o libre de los electrones de las capas externas de los átomos metálicos. Así, por ejemplo, sucede con los valores, en general elevados, de las conductividades térmica y eléctrica, puesto que la fluctuación de la nube electrónica hace que los electrones de valencia puedan desplazarse al aplicar un campo eléctrico, sin que sea necesario aportar energía en forma de calor hasta alcanzar un nivel de conducción, como sucede en los cristales covalentes.

    La movilidad de los electrones externos es también la responsable de que los metales puedan deformarse sin que llegue a producirse la fractura de la estructura cristalina, caso que sí se da en cambio en las redes iónicas. Por otra parte, la presencia de electrones móviles, junto a la ausencia de direccionalidad de la fuerza de enlace, es responsable de la ductilidad y la maleabilidad de los metales.

    El dibujo reproduce, de forma esquemática, el modelo de nube electrónica para el enlace metálico.

    El elevado grado de compactación de las redes metálicas se relaciona, además, con propiedades físicas características de los metales, tales como el brillo, la densidad o los puntos de fusión y ebullición, comparativamente altos.

    Si el modelo de burbujas no daba explicación a la conductividad eléctrica y térmica de los metales, el de nube electrónica, tiene también algún inconveniente, ya que no incorpora a sus premisas, por ejemplo, el comportamiento de los elementos semiconductores. Para establecer un modelo teórico que satisficiera esa condición se recurrió a los postulados mecanocuánticos de la teoría de bandas.

    Teoría de bandas

    La teoría de bandas constituye un modelo que describe los estados electrónicos de los cuerpos sólidos, según el cual dichos estados presentan valores de energía delimitados dentro de ciertos rangos. El comportamiento, y por consiguiente, la energía, de un electrón se correlacionan con los de las partículas que lo rodean. A partir de tales antecedentes, a los rangos de energía permitidos para los electrones se los denomina bandas de energía.

    Las bandas de energía desempeñan en los sólidos cristalinos la misma función que los niveles de energía en los átomos aislados y, de hecho, se designan como los orbitales atómicos, con las letras s, p, d y f. En ciertos sólidos, las bandas son contiguas mientras que en otros están separadas por espacios intermedios, que corresponden a los valores de energía que los electrones no pueden poseer y que se llaman bandas prohibidas. Tal sería el caso, por ejemplo, de una banda energética de mayor nivel, la banda de valencia, en la que los electrones la llenaran por completo. Esta configuración de banda es la característica de los aislantes. Junto a las bandas de valencia se distinguen las llamadas bandas de conducción, que son aquéllas en las que las sustancias presentan propiedades conductoras.

    Esquema que representa las bandas de energía s y p, y las bandas prohibidas, cuando existen, en metales, semiconductores y aislantes.

    Son varias las distribuciones de bandas prohibidas y permitidas que se encuentran en elementos, compuestos y aleaciones. En función de ellas se distinguen los metales, caracterizados por la presencia de enlace metálico entre sus átomos y por sus conductividades térmica y eléctrica, los aislantes y los semiconductores. En los primeros no existen bandas prohibidas en los niveles electrónicos más externos, los de bandas más energéticas. Los aislantes presentan bandas prohibidas de gran amplitud, en tanto que, para los semiconductores, estas bandas son relativamente estrechas, por lo que pueden ser atravesadas por electrones en estados energéticos levemente excitados. En elementos como el silicio o el germanio, dos de los semiconductores más utilizados en electrónica y en la industria informática, la banda de valencia, completamente llena de electrones, y la de conducción, completamente vacía, están separadas por poca distancia, razón por la cual una leve elevación de la temperatura hace que los electrones de la banda de valencia pasen a un estado excitado y así pueden pasar a la banda de conducción. De este modo, la teoría de bandas da explicación al comportamiento semiconductor, que constituía un fenómeno inexplicado por los anteriores modelos propuestos para el enlace metálico.