Tipos de enlace químico y propiedades de los materiales: guía de enlaces, estructuras cristalinas, difusión y semiconductores

Tipos de enlace

Las energías potenciales de atracción son la causa de los diversos enlaces químicos y son la diferencia principal de las diversas familias de materiales:

• Iónico: se da entre átomos de distinta electronegatividad (NaCl, MgO, CaF₂), principalmente en sólidos cristalinos. Los cristales iónicos están constituidos por un conjunto de iones de signo contrario, unidos por fuerzas de carácter electrostático, en los cuales todo el cristal se puede considerar como una molécula en la que los iones están enlazados con sus vecinos y así sucesivamente. Los iones tienden a empaquetarse de forma que se minimiza la energía, y para ello se cumple:
  • Las cargas de los iones son neutralizadas por los vecinos inmediatos, de forma que el número de cargas de los cationes sea el mismo que el de los aniones.
  • El empaquetamiento tiene que ser lo más compacto posible, de manera que la distancia entre dos iones no sea menor que la suma de sus radios iónicos. Se consideran los iones esféricos, que deben ser tangentes unos a otros.
• Enlace covalente: los dos átomos comparten uno o más pares de electrones; las electronegatividades de los elementos que se combinan son muy pequeñas o casi nulas. Ejemplo: gases diatómicos.

Los elementos se unen para formar moléculas y tienden a rodearse de 8 electrones, a excepción del hidrógeno, que tiene dos electrones. Las estructuras cristalinas pueden ser:

• Sólidos amorfos: aquellos en los que no existe un ordenamiento regular de los átomos a largo alcance; es decir, no tienen estructuras ordenadas ni bien definidas, pero presentan idénticas propiedades en cualquier dirección del cuerpo que se considere (isótropos). Por ejemplo: polímeros, vidrios, compuestos creados por cadenas lineales de polímero sin conexiones laterales, polietileno (monómeros de etileno).
• Sólidos cristalinos: presentan un ordenamiento regular de los átomos a corto y largo alcance. Al constituir una ordenación atómica, no manifiestan un idéntico comportamiento ante agentes externos en cualquier dirección del cristal, lo que se denomina anisotropía. Ejemplo: diamante.

Enlace metálico: se da entre metales con igual o similar electronegatividad, e involucra fuerzas muy grandes. Es un enlace no direccional. Todos los átomos son donadores de electrones y el conjunto de iones ocupa posiciones de máximo empaquetamiento, formando estructuras cristalinas. La característica principal es que los electrones de valencia están deslocalizados; es decir, no pertenecen a ningún átomo en particular. Al estar libres, poseen en general buena conductividad eléctrica y térmica, brillo metálico, opacidad, capacidad de deformación plástica (maleabilidad y ductilidad), entre otras propiedades.

Enlaces mixtos: iónico-covalente, metálico-covalente, metálico-iónico e iónico-covalente-metálico.

• Enlace mixto iónico-covalente: cuanto menor es la diferencia de electronegatividad de los átomos, más naturaleza covalente tiene el enlace. En cambio, cuanto más diferentes son las electronegatividades, más naturaleza iónica tiene el enlace mixto.
• Enlace metálico-covalente: tiene lugar entre metales de diferente electronegatividad.
• Enlace metálico-iónico: da lugar a los compuestos intermetálicos, con interesantes propiedades tecnológicas para la obtención de aleaciones resistentes.

La red cristalina

La red cristalina es la ordenación espacial geométrica de los átomos de un sólido. En esta forma geométrica, los átomos tienen el mismo número de átomos vecinos. Las distancias entre las posiciones medias de los centros de dos átomos (puesto que los átomos oscilan alrededor de su posición media de equilibrio) son constantes y se denominan parámetro de red, a (arista), o constante reticular, y determinan, junto con el tipo de red o forma de apilamiento, la estructura cristalina.

• FCC: Fe γ, Cu, Al, Ag, Au, Pb, Co y Ni.
• BCC: Cr, Mo, Wolframio y Fe α.
• HC: Ti, Co, Circonio, Be, Mg, Zn y Cd.

Propiedades físicas de los materiales

Para cada categoría existe un tipo de estímulo capaz de provocar respuestas diferentes. Por ejemplo:

• Mecánicos: relacionan la deformación con la carga aplicada.
• Eléctricos: estudian el comportamiento de un material ante un campo eléctrico.
• Térmicos: se estudian con la capacidad calorífica y la conductividad térmica.
• Magnéticos: estudian el comportamiento de un material sometido a un campo magnético.
• Ópticos: tienen como estímulo la radiación electromagnética o luminosa.
• Químicos: estudian la radiactividad de los materiales.

Choque térmico

Cuando un cuerpo se calienta o se enfría, la distribución de temperatura depende de:

• Su geometría.
• La conductividad térmica del material.
• La velocidad del cambio de temperatura.
• La dilatación térmica.

En materiales muy utilizados, la resistencia al choque térmico se puede mejorar:

• Haciendo que el gradiente de temperatura sea mínimo en todo el volumen del material, calentando o enfriando lentamente.
• Modificando las propiedades térmicas, por ejemplo, disminuyendo el coeficiente de dilatación para que la variación de dimensiones sea menor, o aumentando la conductividad térmica para que se iguale antes la temperatura en todo el cuerpo.

Difusión

El fenómeno de difusión se puede demostrar mediante un difusor formado por la unión de dos metales puestos en contacto a través de sus dos caras (Cu y Ni). Este par se calienta a elevadas temperaturas (por debajo de la de fusión de ambos metales) durante un cierto periodo de tiempo y luego se enfría a temperatura ambiente. El análisis químico revela que el cobre y el níquel puros están en los extremos del par, separados por una región de aleación (central), donde parte de los átomos se han intercambiado.

• Difusión por vacante o difusional: consiste en que un átomo colocado en una posición reticular normal en la red cristalina pase a una vacante o posición reticular vacía. Este movimiento necesita lugares vacíos en las redes cristalinas. A altas temperaturas, el número de vacantes en las redes cristalinas es elevado. La autodifusión y la difusión por impurezas se basan en este fenómeno.
• Difusión intersticial: los átomos en posiciones intersticiales se desplazan a otras posiciones intersticiales vacías, sin desplazar permanentemente a ningún átomo de la matriz (los átomos de pequeño tamaño se colocan en los espacios interatómicos de la red cristalina). La red cristalina principal se llama disolvente. Los átomos suelen ser de pequeño tamaño, como N, O, H y C. Por ejemplo, el carbono puede difundir intersticialmente en el Fe α y el Fe γ. En las aleaciones, la difusión intersticial ocurre mucho más rápidamente que la difusión por vacantes, ya que, al ser los átomos más pequeños, tienen mayor movilidad.

Ley de Fick: J = −D · dC/dX

Representa la densidad de flujo de átomos que difunden en la unidad de tiempo a través de un plano o superficie unitaria. Afirma que, para condiciones de flujo en estado estacionario, la densidad de flujo neta de átomos es igual a la difusividad, D, por el gradiente de concentración dC/dX.

Semiconductores

Materiales como el Si y el Ge, en los que el salto energético entre la banda de valencia y la banda de conducción es pequeño, permiten que los electrones salten de una a otra. En estos materiales, la conducción está favorecida por un aumento de la temperatura, que aumenta la agitación térmica y posibilita el paso de electrones de la banda de valencia a la de conducción.

• Tipo n: la impureza es un átomo de valencia superior, por ejemplo, el fósforo. El Si tiene 4 electrones de valencia; si se le añade una pequeña cantidad de fósforo (P), que tiene valencia 5, al sustituir un átomo de Si por uno de P, sobra un electrón del P que no forma enlace y queda unido al núcleo por fuerzas débiles. Cualquier excitación exterior puede arrancar este electrón y aumentar la conductividad. Se utilizan como base el Si, Ge y Ga, y como dopado P, As y Sb (grupo V).
• Tipo p: la impureza es un átomo de menor valencia, por ejemplo, el boro (B). En el caso del B queda un lugar vacío en la estructura y no existe electrón de enlace. Cualquier excitación externa puede hacer que un electrón vecino rompa el enlace y pase al hueco. La movilidad del electrón se producirá al compensar los huecos existentes. Se utilizan como base el Si y el Ge, y como dopado B, Al, Ga e In (grupo III).

Dieléctricos

Los dieléctricos son materiales que no conducen la electricidad y pertenecen al grupo de los aislantes. Se caracterizan por presentar una estructura eléctrica dipolar: en las moléculas existe una separación de cargas positivas y negativas. La distribución de los dipolos es al azar, lo que hace que el dieléctrico esté cargado en todos sus puntos. Los dipolos se orientan de tal forma que las cargas positivas se anulan con las negativas.

Si se somete un dieléctrico a la acción de un campo eléctrico, los dipolos se orientan en la dirección del campo aplicado, desplazándose las cargas negativas hacia la cara por donde entran las líneas de fuerza del campo y las positivas hacia donde salen. De esta forma aparece una densidad de carga positiva o negativa en cada una de las caras. A este proceso se le denomina polarización.