Explique a diferença entre a teoria do mar de elétrons e a teoria das bandas para a formação da ligação metálica. Qual a explicação de um material ser isolante segundo cada teoria? E o que define um condutor?
Passo 1
O enunciado pede para comparar duas formas de entender a ligação metálica — a teoria do mar de elétrons e a teoria de bandas — e depois explicar, em cada modelo, por que certos materiais são isolantes e o que faz um material ser condutor. Vamos apresentar cada teoria, apontar suas previsões sobre isolamento e condução metálica, e então concluir o que define um condutor.
Passo 2
Teoria do mar de elétrons
Essa é a visão clássica que diz: em um metal, átomos cedem seus elétrons de valência para um “mar” coletivo, enquanto os núcleos positivos (cátions) formam uma rede cristalina fixa. Os elétrons livres estão deslocalizados e podem se mover sob ação de um campo elétrico, promovendo alta condutividade. Essa teoria explica qualitativamente por que metais conduzem bem, sua maleabilidade e ductilidade (os cátions escorregam na nuvem eletrônica sem quebrar ligações).
Essa é a visão clássica que diz: em um metal, átomos cedem seus elétrons de valência para um “mar” coletivo, enquanto os núcleos positivos (cátions) formam uma rede cristalina fixa. Os elétrons livres estão deslocalizados e podem se mover sob ação de um campo elétrico, promovendo alta condutividade. Essa teoria explica qualitativamente por que metais conduzem bem, sua maleabilidade e ductilidade (os cátions escorregam na nuvem eletrônica sem quebrar ligações).
Passo 3
Teoria de bandas
Aqui a descrição é quântica e parte do princípio de que, em um sólido, as ondas eletrônicas dos átomos individuais se sobrepõem e geram bandas de energia permitidas (banda de valência) e proibidas (gap) separadas por regiões onde não há estados disponíveis. Em metais, ocorre uma de duas situações:
Aqui a descrição é quântica e parte do princípio de que, em um sólido, as ondas eletrônicas dos átomos individuais se sobrepõem e geram bandas de energia permitidas (banda de valência) e proibidas (gap) separadas por regiões onde não há estados disponíveis. Em metais, ocorre uma de duas situações:
- A banda de valência fica parcialmente preenchida.
- Há sobreposição entre a banda de valência e a banda de condução.
Nesses casos, pequenos campos já deslocam elétrons dentro da mesma banda, gerando corrente.
Passo 4
Isolante segundo a teoria do mar de elétrons
A teoria do mar de elétrons não trata bem isolantes, pois pressupõe elétrons deslocalizados. Para “explicar” isolamento haveria de supor que não há elétrons livres (ou são muito poucos), isto é, que todos os elétrons de valência permanecem fortemente ligados aos átomos. Essa visão fica meio forçada porque não distingue semicondutores de isolantes reais nem explica dependência com temperatura.
A teoria do mar de elétrons não trata bem isolantes, pois pressupõe elétrons deslocalizados. Para “explicar” isolamento haveria de supor que não há elétrons livres (ou são muito poucos), isto é, que todos os elétrons de valência permanecem fortemente ligados aos átomos. Essa visão fica meio forçada porque não distingue semicondutores de isolantes reais nem explica dependência com temperatura.
Passo 5
Isolante segundo a teoria de bandas
No modelo de bandas, um isolante é aquele em que a banda de valência está completamente cheia e a banda de condução fica completamente vazia, separadas por um gap grande o suficiente (tipicamente
). Como não há níveis intermediários e a energia térmica
é insuficiente para promover elétrons através de
, não há portadores disponíveis para condução.
No modelo de bandas, um isolante é aquele em que a banda de valência está completamente cheia e a banda de condução fica completamente vazia, separadas por um gap
Passo 6
O que define um condutor
Em teoria de bandas, um condutor é material em que existe pelo menos uma banda parcialmente preenchida ou em que há sobreposição de bandas — isso garante que, ao aplicar um campo elétrico, elétrons possam mudar de estado dentro da banda acessível sem precisar de energia extra para vencer um gap. Na teoria do mar de elétrons, simplesmente há um “mar” de elétrons livres desde o princípio, mas sem a precisão quântica de bandas.
Em teoria de bandas, um condutor é material em que existe pelo menos uma banda parcialmente preenchida ou em que há sobreposição de bandas — isso garante que, ao aplicar um campo elétrico, elétrons possam mudar de estado dentro da banda acessível sem precisar de energia extra para vencer um gap. Na teoria do mar de elétrons, simplesmente há um “mar” de elétrons livres desde o princípio, mas sem a precisão quântica de bandas.
Resposta
A teoria do mar de elétrons descreve o metal como cátions imersos num mar de elétrons livres, explicando de forma qualitativa condutividade e maleabilidade, mas não distingue isolantes nem semicondutores. A teoria de bandas, apoiada em mecânica quântica, forma bandas eletrônicas e faz previsões quantitativas: isolante é quando há gap grande entre banda de valência cheia e banda de condução vazia; condutor é quando existe banda parcialmente preenchida ou bandas sobrepostas, permitindo movimentação de elétrons sem excitá-los por um grande gap.