Metallic bonding

El enlace metálico es un enlace químico creado por la atracción electrostática entre los electrones de conducción —que existen como una nube electrónica deslocalizada— y los iones metálicos con carga positiva. En este proceso, los átomos metálicos pierden sus electrones de valencia en un orbital grande y deslocalizado, dejando el núcleo y sus electrones más cercanos como cationes positivos. Estos cationes se organizan en una red cristalina, unidos por la carga negativa del orbital deslocalizado. El enlace puede verse como electrones libres compartidos a través de un entramado de iones positivos, lo que lo convierte en una versión más extendida del enlace covalente. Este enlace explica muchas propiedades de los metales, como la resistencia, la ductilidad, la resistividad y conductividad térmica y eléctrica, la opacidad y el brillo. El enlace metálico no es el único enlace que puede presentar un metal puro. Por ejemplo, el galio elemental forma pares de átomos unidos covalentemente tanto en estado líquido como sólido; estos pares crean luego una estructura cristalina unida por enlace metálico. Otro ejemplo es el ion mercurioso (Hg₂²⁺), que implica un enlace covalente metal-metal. A medida que la química se convirtió en una ciencia, quedó claro que los metales constituían la mayor parte de la tabla periódica, y se avanzó en la descripción de las sales formadas por reacciones con ácidos. Con la electroquímica, se hizo evidente que los metales generalmente entran en solución como iones positivos, y sus reacciones de oxidación se comprendieron a través de la serie electroquímica. Esto llevó a una imagen de los metales como iones positivos unidos por un océano de electrones negativos. La mecánica cuántica dio a esta imagen una interpretación formal con el modelo del electrón libre y su extensión, el modelo del electrón casi libre. En ambos, los electrones se comportan como un gas que se mueve a través del sólido, con una energía esencialmente isótropa, que depende solo de la magnitud del vector de momento k, no de su dirección. En el espacio k tridimensional, los niveles de energía más altos ocupados (la superficie de Fermi) deberían formar así una esfera. En el modelo casi libre, se añaden zonas de Brillouin en forma de caja al espacio k debido al potencial periódico de la estructura iónica, rompiendo ligeramente la isotropía. La difracción de rayos X y el análisis térmico permitieron el estudio de sólidos cristalinos, incluidos metales y aleaciones, lo que llevó a los diagramas de fases. A pesar de ello, la naturaleza de los compuestos intermetálicos y las aleaciones siguió siendo misteriosa, a menudo estudiada empíricamente. Los químicos generalmente evitaban todo lo que no siguiera las leyes de Dalton de las proporciones múltiples, dejando el problema a la metalurgia. El modelo del electrón casi libre fue adoptado por algunos metalurgistas, como Hume-Rothery, para explicar por qué se forman ciertas aleaciones intermetálicas y otras no. Sus primeros intentos tuvieron éxito: añadió electrones para inflar el globo de Fermi esférico dentro de una serie de cajas de Brillouin, prediciendo cuándo se llenaría una caja. Esto coincidió con muchas composiciones de aleaciones observadas. Sin embargo, cuando la resonancia de ciclotrón permitió medir la forma del globo, resultó que no era esférico, excepto quizás para el cesio. Esto demostró que un modelo puede hacer predicciones correctas mientras está equivocado en sus suposiciones básicas. Este fracaso llevó a los investigadores a modificar la idea de iones fluyendo en un mar de electrones libres. Surgieron modelos de mecánica cuántica, como los cálculos de estructura de bandas basados en orbitales moleculares y la teoría del funcional de la densidad. Estos parten de orbitales atómicos de átomos neutros que comparten electrones, o de la densidad electrónica total. Aun así, la imagen del electrón libre sigue siendo dominante en los cursos introductorios de metalurgia. El modelo de estructura de bandas electrónicas se convirtió en un enfoque principal para estudiar metales y, aún más, semiconductores. Los estados vibracionales también formaban bandas. Rudolf Peierls demostró que una fila unidimensional de átomos metálicos inevitablemente se rompería en moléculas individuales debido a la inestabilidad. Esto planteó preguntas sobre cuándo el enlace metálico colectivo es estable frente a cuándo el enlace localizado toma el control, lo que llevó a la investigación sobre cúmulos de átomos metálicos. Aunque poderoso, el modelo de estructura de bandas es una aproximación de un solo electrón a un problema de muchos cuerpos: los estados de energía de cada electrón se describen como si todos los demás electrones formaran un fondo uniforme. Investigadores como Mott y Hubbard se dieron cuenta de que este tratamiento funciona para electrones s y p fuertemente deslocalizados, pero para electrones d y especialmente f, las interacciones con electrones individuales cercanos y los desplazamientos atómicos pueden volverse más fuertes que la interacción deslocalizada que crea bandas anchas. Esto explicó mejor la transición de electrones deslocalizados no apareados a electrones itinerantes involucrados en el enlace metálico. El enlace metálico surge de dos fenómenos: la deslocalización de electrones y la disponibilidad de muchos más estados de energía deslocalizados que electrones deslocalizados. Esto último podría llamarse electro...