Enlace metálico
El enlace metálico ocurre entre dos átomos de metales. En este enlace todos los átomos envueltos pierden electrones de sus capas mas externas, que se trasladan más o menos libremente entre ellos, formando una nube electrónica (también conocida como mar de electrones).
Un metal típico es buen conductor de calor y de electricidad, es maleable, dúctil, de apariencia lustrosa, generalmente sólido, con alto punto de fusión y baja volatilidad.
Las propiedades físicas de los metales, principalmente la conducción de electricidad, pueden ser explicadas por el enlace metálico. El enlace metálico es un enlace covalente que tiene características propias.
Para entender bien un enlace covalente, precisamos pensar primero en orbital atómico y luego en orbital molecular.
Un orbital atómico es fácil de comprender: es aquella región del espacio donde existe la chance de encontrar un electrón en torno del núcleo de un átomo. Como los núcleos de los átomos de diferentes elementos son necesariamente diferentes, las energías de los orbitales atómicos van a variar de elemento para elemento.
En tanto, cuando dos elementos tienen la condición propicia para formar un enlace covalente, las energías de sus orbitales de valencia serán razonablemente parecidas, y esos orbitales van a entrelazarse formando una nueva región entre los núcleos de los átomos donde la energía será menor aún, que aquellas de los orbitales de valencia de los átomos separados.
Esa región de baja energía, será el orbital molecular enlazante. Es en el que el par de electrones responsables por el enlace covalente va a residir, uniendo los dos elementos en una nueva molécula.
En tanto la naturaleza del mundo pequeño, aquel de la dimensión de protones, neutrones y electrones, es un poco más complicada. Por razones que la Mecánica Quántica explica, toda vez que una región de baja energía creada por el entrelazado de dos orbitales atómicos de valencia de dos atomos diferentes, también es creada una región de energía muy alta, donde los electrones del enlace no pueden existir, y esa región es entonces conocida como orbital molecular antienlazante.
Parece complicado, pero es razonable: dos orbitales atómicos se mezclan formando dos orbitales moleculares, uno enlazante (baja energía, puede contener un par de electrones y es el par responsable por la unión de los átomos de un enlace covalente) y otro antienlazante (alta energía, que no puede contener los electrones del enlace).
Para tener una idea de cómo quedan las cosas, podemos utilizar dos orbitales atómicos y sus electrones 1s1 de dos átomos de hidrógeno aproximándose. Cuando ellos se mezclan, el enlace covalente va a resultar en dos orbitales moleculares, uno de baja energía y uno de alta; el par de electrones residirá en el de baja, y será responsable por mantener los dos átomos de hidrógeno enlazados, formando la molécula de hidrógeno. Podemos describir esta situación de una forma gráfica de la siguiente manera:
Imagine un metal, la estructura del metal es fácil de ser visualizada, basta pensar en una pila de naranjas, aquellas anaranjadas en un escaparate de un supermercado: esferas sobre esferas, en una pila densa. Así es. Atomos del elemento densamente empaquetados.
Por simplicidad vamos a imaginar que ese metal sea el sodio. De ese modo, cada átomo de sodio puede traer su electrón de valencia 3s1 para formar enlaces covalentes con los otros átomos de sodio en el metal. En tanto el número de átomos de sodio es absurdamente grande, mismo en un pedazo bien pequeño de metal, podemos pensar en millares, millones de pequeñas esferas empaquetadas unas a las otras. Por tanto, para formar un enlace químico, vamos a contar con millares, millones de orbitales 3s, uno de cada átomo de sodio.
Podemos imaginar que en esta situación iremos a producir un numero muy grande de orbitales moleculares. Si decimos que tenemos n átomos (siendo n un número elevadísimo) entonces tendremos n orbitales moleculares enlazantes, y su contrapartida, los n orbitales moleculares antienlazantes.
Y en este caso especial reside la particularidad del enlace metálico: como el número de orbitales es elevadísimo, entonces las diferencias de energía entre ellos irá a crecer monotónicamente, como en una suave escala musical. Cuando de repente, no esteremos mas en el campo de los orbitales moleculares enlazantes: pasamos casi si percibir, para el campo de energías donde residen los orbitales moleculares no enlazantes.
En un metal, los electrones de enlace irán a ocupar ese mar de orbitales, dos electrones por orbital. Los electrones más energéticos, aquellos en los orbitales enlazantes de más alta energía, estarán muy próximos (en energía) de las regiones de los orbitales antienlazantes.
Se hace muy fácil entonces, excitar un electrón residente en la frontera enlazante (antienlazante para que el – en un estado excitado -, ocupando un orbital antienlazante) atraviese todo el volumen del sodio, eventualmente reentrando en la capa de los orbitales enlazantes. De hecho, esto ocurre espontáneamente en un metal, lo que hace con que el limite superior de los orbitales moleculares ligantes de mas alta energía siempre esten medio llenos o medio vacíos, es esa franja, responsable por la conducción de electrones de un lugar a otro y llamada franja de conducción.
Es la existencia de esta franja que transforma los metales en buenos conductores de corriente eléctrica, y esa es una de las particularidades más interesantes de los enlaces metálicos, y que es responsable por la idea de que la ligación metálica es un océano de electrones envolviendo esferas positivamente cargadas, una terminología muy encontrada en libros de química.