Tema 8 Enlace metálico

Tema 8
Enlace metálico
Bibliografía: Petrucci, Housecroft y
Sharpe, Casabó y Shriver y Atkins
Metales
75% de los elementos
↓ E. Ionización: < 900 kJ/mol (except Hg: 1000)
(No metales > 900 kJ/mol)
Común
nº de e de valencia < nº orbitales de valencia
Na: 3s1
Æ 3s + 3p = 4 orbs vacíos
Cu: 3d104s1 Æ vacíos los 4p y 4d
↓ E. Ionización Æ núcleos atraen poco a e- de valencia
Moléculas diatómicas metálicas: ↓ E. Disociación Li2 (103) Na2 (73) , K2 (55)
Estabilidad ↑ mucho cuando e- de valencia atraídos por varios núcleos
(es posible al haber muchos orb. vacíos)
e- tienen gran libertad
de movimiento
Conductores de
la electricidad
Enlace metálico
Enlace fuerte
Átomos metálicos (pocos e− valencia) no forman enlaces covalentes Æ
compartiendo e− no adquieren la estructura de gas noble
Se comparten los e− de valencia colectivamente
Nube electrónica rodea al conjunto de cationes, empaquetados ordenadamente,
formando una estructura cristalina de alto índice de coordinación
Modelos que lo explican:
Modelo del mar de electrones
Modelo de bandas
Estructuras de los metales
Teorías de enlace
T. del gas electrónico
T. de bandas
Propiedades físicas de los metales
Estructura cristalina
Disposición compacta de átomos: alta coordinación
Cúbica simple
Cúbica centrada en el cuerpo
Cúbica complacta (centrada en las caras)
Hexagonal compacta
Algunos metales pueden presentar varias estructuras
Æ POLIMORFOS
Empaquetamiento de esferas NO
compacto (1)
el espacio no se aprovecha al máximo
Estructura cúbica-primitiva
1 esfera por celda unidad (c.u.)
a=b=c
Empaquetamiento de esferas NO
compacto (2)
Se aprovecha algo más el espacio
Estructura cúbica centrada en el cuerpo
2 esferas por celda unidad (c.u.)
a=b=c
Empaquetamiento de esferas compacto
Máximo aprovechamiento
del espacio
forma más simple de empaquetamiento de
esferas iguales, unidos por fuerzas no
direccionales. (Estructuras con alta simetría)
Empaquetamiento de esferas compacto:
dos posibilidades
politipos
Hexagonal
Cúbico
Celdas unidad de los empaquetamientos compactos
hexagonal
6 esferas
por c.u.
a=b≠c
Cúbico centrado
en las caras
4 esferas
por c.u.
a=b=c
Nºdc
cúbica simple
o primitiva
6
Cúbica centrada
en el cuerpo
8
esferas/c.u.
1
2
%
52%
68%
empaquetamientos compactos
Cúbico centrado
en las caras
12
4
74%
12
6
74%
hexagonal
Relación r y a
d=
nºesferasxPa/Nav
r3
Teoría del gas electrónico
Metales: conjunto de cationes que se ordenan formando una red y entre ellos se
sitúan los electrones que pueden moverse en el campo de varios núcleos
Redes metálicas: más estables que los átomos aislados. Son un ejemplo extremo
de enlace deslocalizado
Teoría de bandas del enlace metálico
Ej: Li
Número de
átomos
enlazados
Li
Li2
Li3
....
Al aumentar el nº de átomos Æ
aumenta el de orbs. moleculares
que tienden a converger
Conjunto de niveles muy
próximos: banda de Energía
Orbitales moleculares y banda s.
Orbitales moleculares y banda p.
Banda de Valencia y Banda de conducción
ALCALINOTERREOS
ALCALINOS
nNa → ne-
Grupo 13
p
p
p
s
s
s
nMg → n2e-
CONDUCTORES
nAl → n3e-
B.C.
E
B.C.
B.V.
B.C.
B.V.
Conductor
Semiconductor
σ↓ al ↑ T
σ ↑ al ↑ T
B.V.
Aislante
Elemento
Separación entre
bandas
(eV)
Tipo de material
Diamante
6.0
Aislante
Silicio
1.1
Semiconductor
Germanio
0.7
Semiconductor
Estaño gris
0.1
Semiconductor
Estaño blanco
0
Metal
Plomo
0
Metal
intrínsecos
Semiconductor
de tipo n
Semiconductor
de tipo p
Propiedades de los compuestos metálicos
•
Son dúctiles y maleables debido a que no existen enlaces con una
dirección determinada. Si se distorsiona la estructura los e– vuelven a
estabilizarla interponiéndose entre los cationes.
presión
Propiedades de los compuestos metálicos
Buenos conductores debido a la deslocalización de los e–. Si se aplica el modelo
de bandas, puede suponerse que la banda vacía está muy próxima a la banda en
donde se encuentran los e– de forma que con una mínima Eª éstos saltan y se
encuentran con una banda de conducción libre.
Bandas s y p, que
pueden solapar o no
Niveles ocupados y
nivel de Fermi a 0 K
Conductividad eléctrica
Propiedades de los compuestos metálicos
•
Conducen el calor debido a la compacidad de los átomos que hace que
las vibraciones en unos se transmitan con facilidad a los de al lado.
•
Tienen, en general, altos P. F. y P. E. Dependiendo de la estructura de la
red. La mayoría son sólidos.
•
Tienen un brillo característico debido a la gran cantidad de niveles muy
próximos de energía que hace que prácticamente absorban energía de
cualquier “λ” que inmediatamente emiten (reflejo y brillo).
•
Puntos de fusión y fortaleza del enlace.
General: cuantos más e- móviles y mayor carga + mayor fuerza de
enlace (mayor punto de fusión) G1< G.2 < G. 13
En el mismo grupo al bajar: aumenta r y la distancia entre cargas + y -,
los e- están menos atraídos y disminuye F de enlace y PF
1
18
2
13 14 15
16
17
Li Be
Na Mg
5
V
8 9 10 11 12
7
6
Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn
K Ca
3
Sc
4
Ti
Rb Sr
Y
Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd
Cs Ba
La Hf Ta W Re Os Ir
Fr Ra
Ac Rh Db Sg Bh Hs Mt
Lantánidos
Actínidos
Pt Au Hg
Ga Ge
In Sn Sb
Tl Pb Bi Po
Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
Th Pa
U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
↑I, χ, ρ, p.fusión
↓ Radio atómico, volumen
e-val.
Al
hasta Ni
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga
1 2 3 4 5 6 6 6 6 6 5 4 3
P
I
tetragonal
P
romboédrico
(trigonal)
P
hexagonal
P
cúbico
I
F
Sistema cristalino
Redes de Bravais
P
triclínico
P
C
P
C
monoclínico
ortorómbico
I
F
Estructura
Cúbica simple
(CS)
a (r)
a = 2r
Número de
coordinación
Factor de
empaquetamiento
6
0,52
---
Ejemplos
Cúbica
centrada en el
cuerpo (CCI)
a = 4r/√3
8
0,68
Fe, Ti, W, Mo,
Nb, Ta, K, Na,
V, Cr, Zr
Cúbica
centrada en
las caras
(CCC)
a = 4r/√2
12
0,74
Cu, Al, Au, Ag,
Pb, Ni, Pt
12
0,74
Ti, Mg, Zn, Be,
Co, Zr, Cd
Hexagonal
a = 2r
compacta (HC) c/a = 1,633 a