Teoría del mar de electrones

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Sólidos covalentes 5.1.- El grafito, el diamante y la sílice
Cuando se unen gran cantidad de átomos mediante enlaces covalentes, forman los llamados sólidos covalentes. Forman estructuras cristalinas; como en el caso de los compuestos iónicos, su unidad estructural se representa por su fórmula empírica. Los más comunes son el grafito, el diamante y la sílice. 
El grafito está formado por C con hibridación sp2 . Los átomos de C se unen formando anillos planos de 6 carbonos, de forma semejante al benceno. Con los electrones que están en los orbitales p perpendiculares a este plano se forma una nube  que permite la conductividad eléctrica (el grafito es un mineral conductor). Las uniones entre átomos de C del mismo plano serán muy fuertes, pues son enlaces covalentes entre átomos; sin embargo, entre un plano y otro, los enlaces son débiles y el grafito se rompe con facilidad. 
El diamante está formado por átomos de C con hibridación sp3 . Cada átomo de C está unido a otros 4 átomos mediante enlaces covalentes. El conjunto es una estructura cristalina de gran simetría, pues todos los enlaces son iguales; esto explica sus posibilidades de tallado y transparencia. Es el material más duro que existe, ya que para rayarlo, hay que romper enlaces covalentes C–C; por esa misma razón su punto de fusión es elevado. 
La sílice (SiO2) es un material muy duro formado por átomos de Si con una estructura tetraédrica en cada uno de cuyos extremos hay un átomo de O. Los 33 tetraedros están unidos por sus vértices de forma que entre cada dos átomos de Si hay uno de O. El cuarzo y la arena de la playa son de sílice. 

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6.1.-

Modelo de la nube electrónica

Los metales tienen muy pocos electrones en su capa de Valencia.
El modelo de la nube electrónica supone que, en el bloque metálico, los átomos se han liberado de sus electrones de Valencia y estos forman una nube en la que se insertan los iones metálicos positivos. Estos electrones se mueven por toda la red catiónica, pero no pueden escapar de ella debido a las atracciones electroestáticas. Los metales presentan una estructura interna cristalina de alta simetría, lo que justifica su brillo carácterístico. Este modelo permite justificar la mayoría de las propiedades de los metales, pero no es suficiente para explicar la distinta conductividad que presentan algunos metales. 6.2.-

Teoría de bandas

La teoría de bandas se explica a través de la teoría de orbitales moleculares (TOM). Según esta teoría, cada vez que se aproximan dos átomos para formar una molécula, sus orbitales atómicos de la capa de Valencia se combinan para formar orbitales moleculares: uno de menor energía (orbitales enlazantes) y otros de mayor energía (orbitales antienlazantes). Los electrones de la capa de Valencia de los átomos se colocan, siguiendo el principio de Aufbau (cumpliendo con: el principio de mínima energía, el principio de exclusión de Pauli y el principio de máxima multiplicidad de Hund). Los OM pertenecen a toda la molécula, no están localizados entre los átomos. Veamos el diagrama de energía de los OM de los átomos de sodio que forman un bloque metálico. En él podemos ver qué ocurriría si se combinan distinto número de átomos de sodio. Teniendo en cuenta la configuración electrónica del sodio, Na: [Ne]3s1 , como podemos observar tiene un solo electrón en su capa de Valencia. Si solo se combinasen dos átomos de sodio, se formarían dos OM: uno enlazante y otro antienlazante, los dos electrones se situarían en el OM enlazante, quedando el antienlazante libre. Si se combinasen tres átomos, se formarían tres OM con una diferencia de energía entre ellos menor que en el caso anterior. En general, cuando se combinan N orbitales, de otros tantos átomos, se obtienen N orbitales moleculares de energía muy próxima entre sí, constituyendo lo que se llama una "banda de energía". Los OM enlazantes del sodio están ocupados por los electrones de Valencia que forman la banda de Valencia y esta conecta con los OM antienlazantes de la banda de conducción, que está vacía. El movimiento de electrones de la banda de Valencia a la banda de conducción se produce con facilidad, lo que les permite conducir la corriente eléctrica al aplicar una diferencia de potencial. Este comportamiento es carácterístico de los metales. En los aislantes hay una gran diferencia de energía entre la banda de Valencia y la banda de conducción, de manera que los electrones no pueden pasar de la banda de Valencia a la de conducción. Un caso intermedio lo constituyen los semiconductores, en ellos la diferencia de energía entre la banda de Valencia y la de conducción es menor. La conductividad en los semiconductores aumenta con la temperatura, ya que facilitan los saltos de los electrones a la banda de conducción, o añadiendo impurezas que aporten electrones cuya energía sea intermedia entre ambas bandas. Entre los semiconductores más utilizados se encuentra el silicio y el germanio.

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