Propiedades y estructura de un enlace metálico

Los enlaces metálicos son un tipo de unión química que se produce únicamente entre los átomos de un mismo elemento metálico. Gracias a este tipo de enlace los metales logran estructuras moleculares sumamente compactas, sólidas y resistentes, dado que los núcleos de sus átomos se juntan a tal extremo, que comparten sus electrones de valencia. Estos átomos se agrupan de forma muy cercana unos a otros, lo que produce estructuras muy compactas.propiedades de enlace metálico

En el caso de los enlaces metálicos, lo que ocurre con los electrones es que abandonan sus órbitas acostumbradas alrededor del núcleo atómico cuando éste se junta con otro, y permanecen alrededor ambos como una especie de nube. De esta manera las cargas positivas y negativas mantienen su atracción, sujetando firmemente al conjunto atómico y alcanzando márgenes importantes de dureza, compactación y durabilidad, que son típicas de los metales en barra.

El enlace metálico es un vínculo atómico muy fuerte y primario, exclusivo de átomos de la misma especie, que nada tiene que ver con las formas de la aleación, las cuales no son más que formas de mezclar físicamente dos o más metales, o un metal con otros elementos para combinar sus propiedades.

Propiedades de un enlace metálico

El enlace metálico explica muchas características físicas de las sustancias metálicas, tales como su solidez, su dureza, e incluso su maleabilidad y ductilidad. La buena conducción del calor y de la electricidad de los metales, de hecho, se debe a la disposición tan particular de los electrones en nube alrededor de los núcleos, permitiendo su movilidad a lo largo y ancho del conjunto. Incluso el lustre de los metales se debe a ello, pues este tipo de enlace repele casi toda la energía lumínica que los impacta, es decir, brilla.

Los átomos unidos mediante enlaces metálicos suelen, además, organizarse en estructuras hexagonales, cúbicas, o de forma geométrica concreta. La única excepción es la del mercurio, que a pesar de ser un metal es líquido a temperatura ambiente y en forma de gotas perfectamente redondas y brillantes.

Estructura del enlace metálico

Los átomos de los metales se agrupan de forma muy cercana unos a otros, lo que produce estructuras muy compactas. Se trata de redes tridimensionales que adquieren estructuras tales como: la típica de empaquetamiento compacto de esferas (hexagonal compacta), cubica centrada en las caras o la cubica centrada en el cuerpo en las tres dimensiones, por lo que quedan los núcleosodeados de tales nubes. En este tipo de estructura cada átomo metálico está rodeado por otros doce átomos los cuales seis en el mismo plano, tres por encima y tres por debajo.

estructura de enlace metálico

Asimismo, debido a la baja electronegatividad que poseen los metales, los electrones de valencia son extraídos de sus orbitales y tienen la capacidad de moverse libremente a través del compuesto metálico, lo que otorga a éste las propiedades eléctricas y térmicas. Este enlace sólo puede presentarse en sustancias en estado sólido.

Muchos de los metales tienen puntos de fusión más altos que otros elementos no metálicos, por lo que se puede inferir que hay enlaces más fuertes entre los distintos átomos que los componen. La vinculación metálica es no polar, apenas hay diferencia de electronegatividad entre los átomos que participan en la interacción de la vinculación (en los metales elementales puros) o muy poca (en las aleaciones), y los electrones implicados en lo que constituye la interacción a través de la estructura cristalina del metal.

Modelo de enlace

Existen dos modelos que explican la formación del enlace metálico. El modelo de la nube de electrones y la teoría de bandas.

Modelo de la nube de electrones

De acuerdo con este modelo, los átomos metálicos ceden sus electrones de valencia a una nube electrónica que comprende todos los átomos del metal. Por consiguiente, el enlace metálico resulta de las atracciones electrostáticas entre los restos positivos y los electrones móviles que pertenecen en su conjunto a la red metálica.

En el enlace metálico, los electrones no pertenecen a ningún átomo determinado. Además, es un enlace no dirigido, porque la nube electrónica es común a todos los restos atómicos que forman la red. Es importante decir,  que los átomos cuando han cedido los electrones a la nube común, no son realmente iones, ya que los electrones quedan dentro de la red, perteneciendo a todos los restos positivos.

Este modelo es muy simple y sirve para interpretar muchas de las propiedades de los metales; aunque tiene ciertas limitaciones, principalmente en la explicación de la diferente conductividad de algunos metales.

Los enlaces metálicos son un tipo

Teoría de bandas

Según esta teoría, el enlace metálico resulta de la atracción electrostática entre los iones cargados positivamente, y los electrones móviles en el cristal. Por lo tanto, el cristal metálico posee un “mar de electrones”, el cual puede explicar sus propiedades físicas. Este “mar de electrones” se forma a partir de los aportes individuales de cada átomo metálico. Estos aportes son sus orbitales atómicos. Las estructuras metálicas son generalmente compactas; mientras más compactas sean, mayor serán las interacciones entre sus átomos.

En consecuencia, sus orbitales atómicos se solapan para generar orbitales moleculares muy estrechos en energía. El mar de electrones no es entonces más que un gran conjunto de orbitales moleculares con diferentes rangos de energías. El rango de estas energías compone lo que se conoce como bandas energéticas. Estas bandas están presentes en cualquiera region del cristal, razón por la que se le considera como un todo, y de allí proviene la definición de esta teoría.

Debido a que el número de orbitales moleculares es muy grande forman una banda en la que los niveles de energía, como se ha dicho anteriormente, están muy próximos.

En los metales se forman dos bandas. Una en la que se encuentran los electrones de la capa de valencia que se denomina banda de valencia y otra que se llama banda de conducción que es la primera capa vacía.

En las sustancias metálicas, la banda de valencia está llena o parcialmente llena; pero en estas sustancias, la diferencia energética entre la banda de valencia y la de conducción es nula; es decir están solapadas. Por ello, tanto si la banda de valencia está total o parcialmente llena, los electrones pueden moverse a lo largo de los orbitales vacios y conducir la corriente eléctrica al aplicar una diferencia de potencial.

En el caso de los aislantes la banda de valencia está completa y la de conducción vacía; pero a diferencia de los metales, no sólo no solapan sino que además hay una importante diferencia de energía entre una y otra (hay una zona prohibida) por lo que no pueden producirse saltos electrónicos de una a otra. Es decir, los electrones no gozan de la movilidad que tienen en los metales y, por ello, estas sustancias no conducen la corriente eléctrica.

Ejemplos de enlace metálico

Un caso intermedio lo constituyen los semiconductores, en el caso de las sustancias de este tipo, la banda de valencia también está llena y hay una separación entre las dos bandas, pero la zona prohibida no es tan grande, energéticamente hablando, y algunos electrones pueden saltar a la banda de conducción.

Estos electrones y los huecos dejados en la banda de valencia permiten que haya cierta conductividad eléctrica. La conductividad en los semiconductores aumenta con la temperatura, ya que se facilitan los saltos de los electrones a la banda de conducción. Son ejemplos de semiconductores: Ge, Si, Ga,As y InSb.

Ejemplos de enlace metálico

Los enlaces metálicos pueden y son utilizados en actividades de la vida diaria. Un ejemplo bastante común es el del bronce, que es creado a partir de una aleación de estaño y cobre y es utilizado en la construcción de campanas y estatuas. El acero, formado de carbono y de hierro, es otro ejemplo. Esta aleación hace que el acero sea más fuerte y se puede utilizar en la producción de cocinas y congeladores, construcciones y en la fabricación de puentes.

Los enlaces metálicos son frecuentes en el mundo de los metales, por lo que cualquier elemento metálico puro es perfecto ejemplo de ello. Es decir, cualquier veta pura de: plata (Ag), oro (Au), cadmio (Cd), hierro (Fe), níquel (Ni), zinc (Zn), cobre (Cu), platino (Pt), aluminio (Al), galio (Ga), titanio (Ti), paladio (Pd), plomo (Pb), iridio (Ir) o cobalto (Co), siempre que no se encuentre mezclado con otros metales y elementos, se mantendrá unida mediante enlaces metálicos.