Teoria do mar de elétrons: fundamentos e propriedades - Ciência - 2023

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o teoria do mar de elétrons É uma hipótese que explica um fenômeno químico excepcional que ocorre nas ligações metálicas entre elementos com baixas eletronegatividades. É o compartilhamento de elétrons entre diferentes átomos ligados por ligações metálicas.

A densidade de elétrons entre essas ligações é tal que os elétrons são deslocalizados e formam um "mar" onde se movem livremente. Ele também pode ser expresso pela mecânica quântica: alguns elétrons (geralmente há um a sete por átomo) são organizados em orbitais com centros múltiplos que se estendem pela superfície do metal.

Da mesma forma, os elétrons retêm uma certa localização no metal, embora a distribuição de probabilidade da nuvem de elétrons tenha uma densidade maior em torno de alguns átomos específicos. Isso se deve ao fato de que quando uma determinada corrente é aplicada, eles manifestam sua condutividade em uma direção específica.

Fundamentos da teoria do mar de elétrons

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

Sabendo disso, cada elemento metálico poderia ser considerado um cátion ligado ao elétron de seu último nível de energia, que teria maior probabilidade de doar.

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

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

Desta forma, 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 das 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 que seus elétrons apresentam, o que gera uma força de coesão muito alta entre os átomos que os formam.

Desta forma, a ductilidade é conhecida como a capacidade de certos materiais em permitir a deformação de sua estrutura, sem ceder o suficiente para quebrar, quando submetidos a determinadas forças.

Offshoring em camadas

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

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

Além disso, esse fenômeno de livre movimentação dos 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 - estabelecidas pelo tipo de força que faz com que as partículas que os constituem se mantenham unidas.

De certa forma, os cristais do tipo metálico são considerados como tendo as estruturas mais simples, pois cada "ponto" da rede cristalina foi ocupado por um átomo do próprio metal.

Nesse mesmo sentido, determinou-se que geralmente a estrutura dos cristais metálicos é cúbica e está centrada nas faces ou no corpo.

No entanto, estas espécies também podem ter forma hexagonal e apresentar um empacotamento bastante compacto, o que lhes confere aquela enorme densidade que lhes é característica.

Por esse motivo estrutural, as ligações que se formam nos cristais metálicos são diferentes das que ocorrem em outras classes de cristais. Os elétrons que podem formar ligações são deslocalizados por toda a estrutura do cristal, conforme explicado acima.

Desvantagens da teoria

Nos átomos metálicos, existe uma pequena quantidade de elétrons de valência em proporção aos seus níveis de energia; ou seja, há um número maior de estados de energia disponíveis do que o número de elétrons ligados.

Isso implica que, como existe uma forte deslocalização eletrônica e também bandas de energia parcialmente preenchidas, os elétrons podem se mover através da estrutura reticular quando são submetidos a um campo elétrico externo, além de formar o oceano de elétrons que suporta a permeabilidade da rede.

Assim, a união dos metais é interpretada como um conglomerado de íons carregados positivamente acoplados por um mar de elétrons (carregados negativamente).

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 tanto essa teoria quanto muitas outras aproximações foram estabelecidas com base no modelo mais simples de um único elétron, ao tentar aplicá-lo em estruturas muito mais complexas de átomos multielétrons.

Referências

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