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Contenido del artículo Enlaces Enlaces covalentes del silicio Los electrones de los átomos están por niveles Las órbitas de los electrones Los átomo prefieren tener completos los niveles de valencia Electrones de valencia y núcleo del átomo El enlace covalente

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Enlaces covalentes del silicio

Figura 1.1

Si echamos una mirada dentro de una pieza cristalina de silicio con un microscopio de enorme amplificación, podríamos ver los átomos de silicio colocados en filas y capas tal y como se muestra en la figura 1.1 cada átomo luciría como una bolita difusa conectada con un enlace también difuso a otros cuatro átomos vecinos. La parte de la bolita se llama núcleo del átomo, las extensiones que conectan los núcleos de diferentes átomos se llaman enlaces covalentes. Esta organización particular de los átomos en el cristal se llama estructura cristalográfica. En la figura 1.2 se muestra la forma usual de dibujar el diagrama de los átomos y enlaces covalentes en un cristal. Los círculos representan los átomos o núcleos atómicos, las lineas a los enlaces covalentes.

Figura 1.2

Los átomos están colocados en un patrón de cuadros, con cada uno conectado a sus cuatro vecinos. En la explicación hemos considerado que el cristal es una simple capa plana de átomos de silicio colocados en cuadros en lugar de un cuerpo tridimensional. Los electrones de los átomos están por niveles Un átomo (según el modelo de Bohr) está básicamente constituido por un pequeño núcleo cargado positivamente rodeado por una nube de electrones cargados negativamente. Los electrones en movimiento están mantenidos en órbitas alrededor del núcleo por fuerzas de atracción electrostáticas. El núcleo recibe su carga de los protones cargados positivamente. Cada elemento químico (hidrógeno, oxígeno, y silicio por ejemplo) tienen un número diferente de protones en su núcleo. En un átomo normal hay tantos electrones cargados negativamente como protones cargados positivamente, por lo que el átomo es neutro eléctricamente. En los átomos, los electrones no girán en órbitas al azar si no que siguen ciertas rutas. Estas rutas están determinadas por un grupo de reglas físicas llamadas mecanismos cuánticos.

Las órbitas de los electrones

Figura 1.3

Revisemos el plano general de las órbitas de los electrones. Aunque las órbitas de los electrones pueden ser ovaladas y en todas direcciones formando un cuerpo tridimensional, en la figura 1.3 se ha representado un átomo de hidrógeno suponiendo órbitas circulares. La distancia al núcleo o radio de la órbita representa además la energía que el electrón tiene en esa órbita de manera que mientras mas grande es la distancia al núcleo mayor es su energía. Esto se debe a que el electrón tiene que recibir energía para vencer las fuerzas de atracción elctrostática del núcleo y poder saltar a una órbita mas lejana. En los átomos, está establecido que los electrones solo pueden tener ciertas cantidades de energía. Como dependiendo de la energía del electrón este puede colocarse en una determinada órbita a cierta distancia alrededor del núcleo, se desprende entonces que solo existirán ciertas órbitas permitidas. Estas órbitas  se agrupan en capas separadas llamadas niveles y estos niveles a su vez en sub-niveles. En la figura 1.4 estos niveles se han representado como círculos sombreados separados.

Figura 1.4

Hay un espacio vacío entre los niveles, lo que significa que los electrones tienen que recibir cierta cantidad de energía para saltar de un nivel al otro mas alto. Los números representan  como los electrones se distribuyen en los niveles. El primer nivel solo acepta 2 electrones el segundo 8 el tercero 18 y a partir del cuarto nivel 32. La tabla que sigue muestra la distribución de los electrones en niveles y sub-niveles. Observe que los niveles se nombran con letras mayúsculas desde la K a la O, mientras que los sub-niveles con minúsculas s, p, d y f. Nivel K L M N O Sub-nivel s 2 2 2 2 2 p 6 6 6 6 d 10 10 10 f 14 14 Máxima cantidad permitida por órbita 2 8 18 32 32

Figura 1.5

Mirando la figura 1.5 puede verse la representación del átomo de silicio. Note como los electrones se distribuyen en los niveles. El átomo de silicio tiene 14 protones y 14 electrones. El primero y segundo nivel están completos, y hay cuatro electrones en el último nivel. Estos electrones del último nivel se conocen como electrones de valencia y pueden ser compartidos con otros átomos para formar enlaces. Los átomos prefieren tener completos los niveles de valencia. Bien, los átomos usan los electrones de valencia del nivel o sub-nivel de energía mas exterior para formar enlaces con otros átomos. Los enlaces determinan el tipo de reacción química en las que el elemento participa.

Figura 1.6

La razón por la que los electrones mas externos forman enlaces es porque los átomos prefieren tener el nivel o sub-nivel mas externo con el número máximo de eletrones permitidos en el nivel. Los otros niveles hacia abajo, si los hay, estarán completamente llenos. Un átomo forma enlaces solo si el nivel o sub-nivel mas externo no está lleno con el número máximo de electrones permitidos. Cuando un nivel o sub-nivel está completo, sus electrones son especialmente retenidos por el núcleo. Esto explica porqué, los elementos como el Helio (número atómico 2), el Neón (número atómico 10) y el Argón (número atómico 18 mostrado en la figura 1.6) son elementos muy estables y que no reaccionan con los otros elementos en condiciones normales. Sus niveles mas externos están llenos y no tienen el menor interés en reaccionar con otros átomos.

Electrones de valencia y núcleo del átomo.

Figura 1.7

El resto del átomo, consiste en niveles llenos y el núcleo, a todo ese conjunto empezaremos a llamarlo corazón de ahora en adelante. Recuerde que los niveles llenos con electrones y el núcleo verdadero mismo, no hacen nada en cuanto a enlaces, reacciones químicas, por lo que puede ser considerado aparte de los electrones de valencia. Este corazón tiene una carga positiva igual a la valencia. Miremos nuevamente por ejemplo el átomo de sodio de la figura 1.7, su nivel mas externo tiene solo un electrón, como el nivel no está completo ese sería el nivel de valencia. El núcleo y el primero y segundo niveles llenos son el corazón del átomo. El corazón tiene una carga positiva +1, que es balanceada por la carga negativa del simple electrón de valencia. El átomo de cloro por su parte tiene el corazón con una carga positiva +7  ya que tiene siete electrones en su nivel de valencia. Cuando el nivel de valencia tiene pocos electrones comparados con la capacidad máxima del nivel, el átomo muy fácilmente cede los pocos electrones de ahí a fin de quedarse solo con los niveles llenos (los de abajo), en el caso contrario, cuando el átomo tiene el nivel de valencia con muchos electrones, lo que prefiere hacer es aceptar mas electrones de otro átomo para completarlo. Así tenemos que el sodio con un solitario electrón en el último nivel tiene tendencia a cederlo con facilidad, mientras que el cloro que tiene 7 electrones en el último nivel estará mas interesado en recibir un electrón para completar el nivel. Por esta razón el cloro y el sodio reaccionan químicamente de manera muy activa, el sodio cede el electrón del último nivel y el cloro lo acepta, de esta forma cada uno tiene los niveles completos y se ha formado el cloruro de sodio (sal común) una sustancia muy estable. Este tipo de enlace, donde un átomo cede un electrón y el otro lo retiene se llama enlace iónico. Eléctricamente lo que ha sucedido es que al tener un electrón de mas el átomo de cloro ha quedado cargado negativamente (mas electrones que protones), mientras que el sodio lo ha hecho positivamente (tiene un electrón de menos). Estas cargas eléctricas hacen que exista una fuerte atracción entre ambos átomos y el enlace sea muy fuerte.

El enlace covalente

Figura 1.8

Un átomo de silicio forma enlaces covalentes porque este trata de conseguir cuatro electrones mas para completar el último sub-nivel (valencia) que lleva 8 electrones. Pero no lo hace tomando cuatro electrones de otro átomo como lo hace el cloro, en su lugar el átomo comparte sus electrones de valencia con otros cuatro átomos vecinos en el cristal de silicio. En la figura 1.9 se muestra como esta compartición crea un enlace covalente entre dos átomos de silicio. Un enlace covalente es entonces los dos electrones de valencia orbitando alrededor de los corazones de dos átomos.

Figura 1.9

Figura 1.10