Teoría de bandas

La teoría de bandas es la que se encarga de describir la estructura electrónica de un material en función de las bandas de energía. Se utiliza para exponer cómo los átomos metálicos se ensamblan entre sí desarrollando capacidad de conducción, aislante o semiconducción en un material.

Se basa en la teoría de que, en una molécula, los orbitales de un átomo se enmascaran para producir un número considerado de orbitales moleculares. Entonces, cuando los átomos se aproximan para unirse, los orbitales atómicos desaparecen y se crea un nuevo tipo de orbital, tan grande que tiene forma de banda.

Esta teoría fue propuesta por Félix Bloch y Louis Marcel en un intento por formular una definición en mecánica cuántica que explicara la conductividad eléctrica. Por ello, después de algún tiempo, en 1930 junto a sus colaboradores ampliaron y refinaron la teoría explicando la capacidad de conducción en diversos materiales.

Enunciado

Los materiales sólidos en función de su conductividad eléctrica pueden ser conductores, aislantes o semiconductores. Esta última propiedad es explicada por la teoría de bandas, el cual considera:

“Que los orbitales atómicos de valencia, de los N átomos de un sólido, forman enlace metálico y se combinan entre sí para dar orbitales moleculares con energías muy semejantes. Debido a la pequeña distancia de energía que hay entre ellos, estos orbitales moleculares crean una banda. Se obtienen la cantidad de orbitales moleculares como orbitales atómicos se combinen”.

Tomando en cuenta lo formulado, se puede decir que los átomos que conforman un metal posee orbitales atómicos que pueden estar llenos o vacíos. Entonces, si hay una gran cantidad de átomos muy unidos, la superposición de orbitales da lugar a lo que se conoce como bandas.

Por ejemplo, el magnesio es un metal con número atómico 12 y su configuración electrónica es [Ne]3s2. Esto indica que cada átomo tiene dos electrones de valencia en el orbital 3s, por lo que los orbitales del subnivel 3p están vacíos. Al suponer muchos átomos de magnesio juntos, aparecen las bandas, las cuales son una gran cantidad de orbitales superpuestos.

La banda que corresponde a la superposición de los orbitales 3s, estará llena de electrones y se le denomina banda de valencia porque posee los electrones de valencia. La banda formada por los orbitales del subnivel 3p está cercana, pero vacía, se le conoce como banda de conducción.

Bandas de energía

Los orbitales atómicos se unen para formar un solo orbital gigante que tiene forma de una banda. Cada banda se forma con energía similar, por lo que es posible que se establezcan varios de estos elementos con un nivel energético distinto.

Dentro de las formas más básicas se puede encontrar

• La banda de valencia. Es la que se forma por la mezcla de los orbitales de valencia de cada átomo, es decir, es una banda ocupada por los electrones que se encuentran en el último nivel energético de los átomos. Esta forma enlace, pero no interviene en la conducción eléctrica.
• Banda de conducción, es la que se forma por los electrones libres o por la combinación de los primeros orbitales vacíos de cada átomo. Intervienen en la conducción de electricidad ya que pueden moverse con facilidad.
• Banda prohibida, es aquella que se encuentra de forma intermedia entre la de valencia y la de conducción. Si las bandas se llenan hasta alcanzar el límite superior, los electrones no pueden responder porque hay una brecha de energía y esto le impide moverse libremente.

Conductividad eléctrica

La conductividad eléctrica estriba en la capacidad de mover o excitar a los electrones para que se desplacen de la banda de valencia a la banda de conducción. Es posible compararlo con una ciudad, el cual representa a un material sólido, cada vivienda es un átomo y las habitaciones son los orbitales donde están los electrones.

Si el elemento no es conductor, todos los electrones se encuentran alrededor de su átomo y están encerrados en sus viviendas. Por el contrario, si el material es conductor, los átomos están cerca unos de otro y se pueden combinar, es como quitar las paredes de la residencia y hacer una sola habitación.

Esta habitación grande con todos los átomos es lo que representa a la banda de valencia, en la cual se encuentran los electrones en sus respectivas habitaciones. Sin embargo, la banda de conducción en este caso sería como un pasillo que se forma justo al lado. Cuando los electrones están allí, no están localizados y se pueden mover.

Tipos de materiales

Uno de los aspectos de la teoría de banda es que logra diferenciar los tipos de materiales o sólidos que existen. En este particular, según la carga de energía y el movimiento de los electrones se puede mencionar:

Conductores

Para que un material sea conductor, como los metales, la separación entre la banda de valencia y la banda de conducción debe ser reducida o nula, de modo que los electrones puedan saltar sin inconvenientes.

Ante el mínimo estímulo, hay paso de los electrones de la capa de valencia a la de conducción, transportando electricidad. En esta categoría se encuentran las soluciones acuosas, plata, cobre, aluminio, bronce, entre otros.

Aislante

Si la separación de las bandas es amplia, no se puede producir un salto de electrones y entonces el material se comporta como aislante. Este es el caso de la madera, plástico, vidrio o cerámica.

Para que ocurra el salto de electrones de una banda a otra, debe existir una presión externa, por ejemplo, temperatura elevada que produzca la excitación de los electrones.

Semiconductores

En un material semiconductor las bandas de valencia y de conducción no están una al lado de la otra. Por tal razón, los electrones deben pasar una brecha de energía para llegar a la banda de conducción. No obstante, no es un proceso tan difícil como en los materiales no conductores.

Propulsores

Se le conoce también como material superconductor y se caracteriza por tener la capacidad para conducir electricidad sin ningún tipo de obstáculo. En estos materiales, el nivel de resistividad disminuye a medida que se incrementa la temperatura y consigue que la energía fluya a pesar de que no tenga una fuente externa de alimentación.

Referencias

1. Universidad Nacional de Tucumán.-.Teoría de Bandas. Recuperado el 26 de marzo de 2022, de Universidad Nacional de Tucumán.                                                                    website:https://catedras.facet.unt.edu.ar/me/wp-content/uploads/sites/62/2015/01/Clase-6-Teoria-de-Bandas-1.pdf