Sólidos Covalentes: Grafito, Diamante y Sílice
Cuando se unen gran cantidad de átomos mediante enlaces covalentes, forman los llamados sólidos covalentes. Estos 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 átomos de carbono (C) con hibridación sp². Los átomos de C se unen formando anillos planos de seis carbonos, de forma semejante al benceno. Con los electrones en los orbitales p perpendiculares a este plano, se forma una nube π que permite la conductividad eléctrica (el grafito es un mineral conductor). Las uniones entre átomos de C del mismo plano son muy fuertes, pues son enlaces covalentes; 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 cuatro átomos mediante enlaces covalentes. El conjunto forma una estructura cristalina de gran simetría, ya que todos los enlaces son iguales; esto explica sus posibilidades de tallado y transparencia. Es el material más duro que existe, ya que para rayarlo, es necesario 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 vértices hay un átomo de O. Los 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 formas de sílice.
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 un bloque metálico, los átomos han liberado sus electrones de valencia, los cuales 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 electrostáticas. Los metales presentan una estructura interna cristalina de alta simetría, lo que justifica su brillo característico. 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.
Teoría de Bandas
La Teoría de Bandas se explica a través de la Teoría de Orbitales Moleculares (TOM). Según esta teoría, cuando dos átomos se aproximan para formar una molécula, sus orbitales atómicos de la capa de valencia se combinan para formar orbitales moleculares (OM): unos 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 átomos específicos.
Veamos el diagrama de energía de los OM de los átomos de sodio que forman un bloque metálico. En él podemos observar qué ocurriría si se combinan distintos números de átomos de sodio. Teniendo en cuenta la configuración electrónica del sodio, Na: [Ne]3s¹, podemos observar que 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 N átomos, se obtienen N orbitales moleculares de energía muy próxima entre sí, constituyendo lo que se denomina una «banda de energía».
Los OM enlazantes del sodio están ocupados por los electrones de valencia que forman la banda de valencia. Esta banda 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 característico 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 una a otra. Un caso intermedio lo constituyen los semiconductores; en ellos, la diferencia de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción es menor. La conductividad en los semiconductores aumenta con la temperatura, ya que esto facilita 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 encuentran el silicio y el germanio.