Teoria do Mar de Elétrons: Fundamentos e Propriedades

A teoria do mar de elétrons é uma hipótese que explica um fenômeno químico excepcional que ocorre nas ligações metálicas entre elementos com baixa eletronegatividade. É o compartilhamento de elétrons entre átomos diferentes, unidos por ligações metálicas.

A densidade eletrônica entre essas ligações é tal que os elétrons são deslocalizados e formam um “mar” onde se movem livremente. Também pode ser expresso pela mecânica quântica: alguns elétrons (geralmente um a sete por átomo) estão dispostos em orbitais com múltiplos centros que se estendem pela superfície do metal.

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Além disso, os elétrons retêm uma certa localização no metal, embora a distribuição de probabilidade da nuvem eletrônica tenha uma densidade mais alta em torno de alguns átomos específicos. Isso ocorre porque quando uma certa corrente é aplicada, elas manifestam sua condutividade em uma direção específica.

Fundamentos da teoria do mar de elétrons

Os elementos metálicos têm grande tendência a doar elétrons de seu último nível de energia (camada de valência), devido à sua energia de ionização tão baixa em relação aos outros elementos.

Sabendo disso, cada elemento metálico poderia ser considerado como um cátion ligado ao elétron de seu último nível de energia, o que seria mais propenso a doações.

Como um metal tem um grande número de átomos que estão ligados entre si, pode-se presumir que o referido metal forma um grupo de cátions metálicos que estão submersos em uma espécie de mar de elétrons de valência que possuem uma grande deslocalização.

Considerando que as forças de atração eletrostática entre o cátion (carga positiva) e o elétron (carga negativa) têm átomos metálicos fortemente ligados, imagine a deslocalização dos elétrons de valência se comportando como um adesivo eletrostático que mantém ligações para os cátions metálicos.

Dessa maneira, pode-se inferir que quanto maior o número de elétrons presentes na camada de valência de um metal, esse tipo de adesivo eletrostático terá maior resistência.

Propriedades

A teoria do mar de elétrons oferece uma explicação simples para as características de espécies metálicas como resistência, condutividade, ductilidade e maleabilidade, que variam de um metal para outro.

Foi descoberto que a resistência conferida aos metais se deve à grande deslocalização de seus elétrons, o que gera uma força de coesão muito alta entre os átomos que o formam.

Dessa maneira, a ductilidade é conhecida como a capacidade de certos materiais de permitir a deformação de sua estrutura, sem ceder o suficiente para quebrar, quando sujeitos a certas forças.

Realocação em camadas

Tanto a ductilidade quanto a maleabilidade de um metal são determinadas pelo fato de que os elétrons de valência se deslocalizam em todas as direções na forma de camadas, o que faz com que eles se movam um sobre o outro em face de uma força externa, evitando quebra da estrutura metálica, mas permitindo sua deformação.

Da mesma forma, a liberdade de movimento de elétrons deslocalizados permite que uma corrente elétrica flua, fazendo com que os metais tenham uma condutividade elétrica muito boa.

Além disso, esse fenômeno de livre circulação de elétrons permite a transferência de energia cinética entre as diferentes regiões do metal, o que promove a transmissão de calor e faz com que os metais manifestem uma grande condutividade térmica.

Teoria do mar de elétrons em cristais metálicos

Os cristais são substâncias sólidas que possuem propriedades físicas e químicas – como densidade, ponto de fusão e dureza – que são estabelecidas pelo tipo de força que faz com que as partículas que os formam fiquem juntas.

De certa forma, considera-se que os cristais do tipo metal possuem estruturas mais simples, porque cada “ponto” da rede de cristais foi ocupado por um átomo do próprio metal.

Nesse mesmo sentido, foi determinado que geralmente a estrutura dos cristais metálicos é cúbica e se concentra nas faces ou no corpo.

No entanto, essas espécies também podem ter uma forma hexagonal e uma embalagem bastante compacta, o que lhes confere a enorme densidade que é característica delas.

Devido a esse motivo estrutural, as ligações formadas nos cristais metálicos são diferentes daquelas que ocorrem nas outras classes de cristais. Os elétrons que podem formar ligações são deslocalizados por toda a estrutura cristalina, como explicado acima.

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Desvantagens da teoria

Nos átomos de metal, há uma pequena quantidade de elétrons de valência na proporção de seus níveis de energia; isto é, existe uma quantidade maior de estados de energia disponível do que a quantidade de elétrons ligados.

Isso implica que, uma vez que há uma forte realocação eletrônica e também faixas de energia que foram parcialmente preenchidas, os elétrons podem se mover através da estrutura reticular quando são submetidos a um campo elétrico vindo de fora, além de formar o oceano de elétrons que suporta a permeabilidade da rede.

Portanto, a união de metais é interpretada como um conglomerado de íons com carga positiva acoplados por um mar de elétrons (carga negativa).

No entanto, existem características que não são explicadas por este modelo, como a formação de certas ligas entre metais com composições específicas ou a estabilidade de ligações metálicas coletivas, entre outras.

Essas desvantagens são explicadas pela mecânica quântica, porque essa teoria e muitas outras abordagens foram estabelecidas com base no modelo mais simples de um único elétron, enquanto tentavam aplicar em estruturas muito mais complexas de átomos multieletrônicos.

Referências

  1. Wikipedia (2018). Wikipedia Recuperado de en.wikipedia.org
  2. Holman, JS e Stone, P. (2001). Química Recuperado de books.google.co.ve
  3. Parkin, G. (2010). Ligação Metal-Metal. Recuperado de books.google.co.ve
  4. Rohrer, GS (2001). Estrutura e Ligação em Materiais Cristalinos. Recuperado de books.google.co.ve
  5. Ibach, H. e Lüth, H. (2009). Física do estado sólido: uma introdução aos princípios da ciência dos materiais. Recuperado de books.google.co.ve

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