Fundamentos de Sólidos: Enlaces Químicos, Bandas de Energía y Conductividad Eléctrica

Sólidos de Red Covalente

Un sólido de red covalente consiste en un conjunto de átomos unidos por una red de enlaces covalentes (pares de electrones compartidos entre átomos de electronegatividad similar), y, por lo tanto, pueden ser considerados como una única macromolécula.³ El ejemplo clásico es el diamante; otros ejemplos incluyen el silicio, el cuarzo y el grafito.

Los sólidos de red covalente varían en su comportamiento desde aislantes hasta semiconductores, dependiendo del tamaño de la banda prohibida del material.

Sólidos Iónicos

Un sólido iónico estándar consiste en átomos que se mantienen unidos por enlaces iónicos, es decir, por la atracción electrostática de cargas opuestas (resultado de la transferencia de electrones del átomo de menor electronegatividad al de mayor electronegatividad). Entre los sólidos iónicos se encuentran los compuestos formados por metales alcalinos y metales alcalinotérreos, en combinación con halógenos; un ejemplo clásico es la sal de mesa, el cloruro de sodio.

Los sólidos iónicos poseen bandas prohibidas muy grandes, lo que los convierte en aislantes.

Sólidos Metálicos

Los sólidos metálicos se mantienen unidos por una alta densidad de electrones deslocalizados y compartidos, lo que da lugar a un "enlace metálico". Ejemplos clásicos incluyen metales como el cobre y el aluminio. Sin embargo, algunos materiales son metálicos en un sentido electrónico, pero presentan un enlace metálico despreciable desde una perspectiva mecánica o termodinámica.

Los sólidos metálicos no poseen, por definición, una banda prohibida en el nivel de Fermi, lo que los convierte en excelentes conductores.

Sólidos Moleculares

Un sólido molecular clásico consiste en pequeñas moléculas covalentes no polares, y se mantiene unido por fuerzas de dispersión de London; un ejemplo clásico es la cera de parafina. Estas fuerzas son débiles, lo que resulta en energías de enlace entre pares del orden de 1/100 de las energías de los enlaces covalentes, iónicos y metálicos. Las energías de enlace tienden a incrementarse con el aumento del tamaño molecular y la polaridad.

Bandas de Energía en Sólidos: Conducción Eléctrica

• La Banda de Valencia (BV): está ocupada por los electrones de valencia de los átomos, es decir, aquellos electrones que se encuentran en la última capa o nivel energético. Estos electrones son los que forman los enlaces entre los átomos, pero no intervienen en la conducción eléctrica.
• La Banda de Conducción (BC): 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.

En consecuencia, para que un material sea un buen conductor de la corriente eléctrica, debe haber poca o ninguna separación entre la BC y la BV (que pueden llegar a solaparse), de manera que los electrones puedan saltar entre las bandas. Cuando la separación entre bandas sea mayor, el material se comportará como un aislante. En ocasiones, la separación entre bandas permite el salto de solo algunos electrones entre ellas. En estos casos, el material se comportará como un semiconductor. Para que el salto de electrones entre bandas se produzca en estos casos, deben darse una o varias de las siguientes situaciones: que el material se encuentre a altas presiones, a una temperatura elevada o que se le añadan impurezas (las cuales aportan más electrones).

Entre la Banda de Valencia y la Banda de Conducción existe una zona denominada banda prohibida o gap, la cual separa ambas bandas e impide la presencia de electrones.