Debido a estas interacciones, los metales cristalizan en estructuras densas (hcp, fcc, bcc).
En términos simples, el enlace metálico es un enlace covalente no saturado que se parece al iónico. Es menos fuerte que aquellos dos; por ejemplo, la energía del Na es 1,0 eV, la del Al es 3,1 eV, mientras que la del diamante es 6,4 eV. En los metales de transición (Fe, Co, Ni) se incluyen orbitales s y d, lo cual aumenta la energía del enlace (3,9 eV, 4,2 eV, 4,1 eV respectivamente). Así, el enlace metálico va desde el modelo del electrón libre en los metales alcalinos, hasta un enlace casi covalente en los metales que tienen un número elevado de electrones de valencia.
4.1.4. Enlace de Van der Waals
Ninguno de los tres tipos de enlace anteriores puede explicar la cohesión de los gases inertes en el estado sólido o las fuerzas intermoleculares en los cristales orgánicos. En todos estos casos, las fuerzas se deben al enlace residual o de Van der Waals.
El enlace de Van der Waals opera entre todos los átomos e iones en todos los sólidos, pero es tan débil comparado con los otros tres, que solo en ausencia de aquellos, como en el caso de los gases nobles en estado sólido, llega a ser el mecanismo dominante. Los bajísimos puntos de fusión de estos sólidos, sus grandes coeficientes de expansión térmica y sus bajos calores de sublimación revelan la debilidad de este enlace.
La atracción de Van der Waals fue explicada por Peter Debye (1920) para el caso de las moléculas de gas eléctricamente neutras. Debye postuló que las caras eléctricas móviles en tales moléculas creaban dipolos eléctricos instantáneos que podrían interactuar entre sí (véase figura 4.9). Mientras mayor sea la molécula, mayor es la fuerza de interacción. Por eso, las moléculas pequeñas son gaseosas a temperatura ambiente, las medianas son líquidas y las grandes pueden ser sólidas. Los sólidos orgánicos son de este tipo y están caracterizados por su bajo punto de fusión y su blandura. La importancia de las fuerzas de Van der Waals en otros sólidos distintos a los gases nobles no se reconoció hasta mucho más tarde, sobre todo en ciertos sólidos moleculares.
Figura 4.9 Modelos del enlace de Van der Waals
En los cristales formados por gases nobles hay una energía repulsiva entre los núcleos que es proporcional a r–12. La energía de atracción entre los dipolos es proporcional a r–6, así que la energía en un cristal enlazado por fuerzas de Van der Waals es:
E = –A/r6 + B/r12,
conocido como el potencial de Lennard-Jones. Los átomos son simétricos y estructuralmente el enlace se parece al metálico, pues un átomo se puede unir a un número indefinido de vecinos. Por esta razón, el empaquetamiento está definido por consideraciones geométricas y los cristales son densos como los metales. Por ejemplo, el He es hcp y los otros gases nobles en estado sólido son cúbicos compactos.
En general, las propiedades que se derivan del tipo de enlace se resumen en la tabla 4.2.
Tabla 4.2 Propiedades asociadas con el tipo de enlace
| Propiedad | Iónico | Covalente | Metálico | Van der Waals |
| Estructura | No direccional | Direccional limitado en número | No direccional, | Análogo al metálico |
| Da estructuras de alta coordinación | Da baja coordinación y densidad | Da estructuras de alta coordinación y densidad | ||
| Mecánica | Fuerte | Fuerte | Variable | Débil |
| Da cristales duros | Da cristales duros | Deformable | Cristales blandos | |
| Térmica | Punto de fusión algo elevado | Alto punto de fusión | Punto de fusión varía | Bajísimo punto de fusión |
| Bajo coeficiente de expansión térmica | Bajo coeficiente de expansión térmica | Largo intervalo de líquido | Gran coeficiente de expansión térmica | |
| Iones en líquido | Moléculas en líquido | |||
| Eléctrica | Aisladores moderados | Aisladores sólidos y líquidos | Conductores por transporte de electrones | Aisladores |
| Conducción iónica en el líquido | ||||
| Óptica | Propiedades similares a las de los iones | Alto índice de refracción | Opacos | Propiedades similares a las de las moléculas |
| Absorción en líquidos y gases | Propiedades similares en sólidos y en líquidos |
Hay que pensar, sin embargo, que la distinción entre estos tipos de enlace es muy cómoda, pero deja muchas cuestiones sin responder. Una de las más recientes es el surgimiento de los metales orgánicos (plásticos conductores). En 1971, Hideki Shirakawa y Sakuji Ikeda descubrieron que los poliacetilenos (CH)X eran polímeros formados por cadenas de C a lo largo de las cuales se podían desplazar los electrones. Pero esto no era suficiente para que el material fuera conductor; debía suceder que los electrones pudiesen saltar de una cadena a otra. Shirakawa, Ikeda y Alan J. Heeger descubrieron, independientemente, que si estas moléculas se “dopaban” con átomos halógenos, podían formar puentes que permitían el paso de los electrones entre cadenas (Rasmussen, 2014). Estos materiales se han desarrollado y hasta se han logrado superconductores. Lo mismo ocurre con el mineral SN que es covalente-iónico, pues el (SN)X es conductor y aun superconductor en ciertas condiciones. Todo esto permite apreciar que la teoría del enlace químico está lejos de estar completa.
4.2. Propiedades ópticas
Ya se han considerado, en términos de las configuraciones electrónicas y la distribución de bandas, las propiedades electrónicas y las características eléctricas y magnéticas de los materiales. Ahora centremos la atención en ciertas propiedades electrónicas con las que el ingeniero de materiales se topa cada día, a veces inconscientemente: las propiedades ópticas. Esta amplia categoría de propiedades incluye el color de los sólidos; la razón por la cual algunos son opacos y otros transparentes; el que algunas superficies sólidas sean reflectoras mientras que otras tiendan a absorber la radiación, y la interpretación física de la grabación de una imagen fotográfica y la operación de un láser de estado sólido. En todos estos casos, la mayoría de las propiedades ópticas resultan de la interacción de la radiación electromagnética con los electrones del material. Sobre esta base, las propiedades ópticas pueden visualizarse en términos de lo que se ha estudiado sobre estructura electrónica y cómo ésta se relaciona con el tipo de enlace.
4.2.1. Definiciones básicas
En el capítulo 2 (figura 2.2) se vio el espectro electromagnético. El intervalo de longitudes de onda λ va desde los rayos gama de alta energía (λ ≅ 10–12 m) hasta las grandes longitudes de onda de radio (λ ≅ 103 m).
Para la mayoría de lo que se discute aquí, la región importante del espectro es la de la luz visible o casi visible (λ ≅ 10–6-10–7), aunque las conclusiones que se logren son aplicables a la interacción de los materiales con casi toda la radiación electromagnética.
La radiación puede ser monocromática (una sola longitud de onda) o policromática (un intervalo continuo de longitudes de onda).
La luz ordinaria está constituida por trenes de ondas (fotones) de diferentes longitudes de onda, con relaciones de fase aleatorias. Las fuentes de radiación monocromática en las cuales la relación de fase entre los fotones individuales se controla se denominan fuentes coherentes. Las ondas de radio emitida por una antena son coherentes, lo mismo que los rayos láser.
La absorción y emisión de radicación electromagnética