Bons condutores elétricos (cobre, prata, ouro, alumínio, sódio) são caracterizados pela ligação metálica. Este tipo de ligação cria um "mar de elétrons deslocalizados" que são livres para mover-se através da rede cristalina, permitindo o transporte de carga.
Estrutura da Ligação Metálica
- Cátions Metálicos: Núcleos iônicos positivos (núcleo + elétrons de núcleo) arranjados em uma rede regular (FCC, BCC, HCP).
- Elétrons de Valência Deslocalizados: Elétrons da camada externa (1–3 por átomo) se desprendem dos átomos individuais e formam um gás de elétrons compartilhado permeando todo o metal.
- Atração Eletrostática: O mar de elétrons mantém os cátions unidos — ligação não direcional, coletiva.
Por que Isso Permite a Condução
- Portadores de Carga Disponíveis: ~10²²–10²³ elétrons livres/cm³. Nenhuma excitação térmica necessária (diferente de semicondutores).
- Baixo Espalhamento a Baixa T: Elétrons percorrem caminho livre médio (10–100 nm à temp. ambiente) com resistência mínima.
- Campo Aplicado → Velocidade de Deriva: Campo elétrico acelera elétrons → corrente de deriva líquida J = n·e·vd.
- Sem Lacuna de Banda: Banda de condução parcialmente preenchida ou sobreposta à banda de valência → energia de ativação zero para condução.
Contraste: Outros Tipos de Ligação
| Tipo de Ligação | Estado dos Elétrons | Condutividade | Exemplos |
|---|
| Metálica | Mar deslocalizado | Alta (10⁶–10⁷ S/m) | Cu, Ag, Au, Al, Fe, Na |
| Covalente | Pares compartilhados localizados | Isolante (diamante) ou Semicondutor (Si, Ge) | C (diamante), Si, Ge, SiC |
| Iônica | Transferidos, localizados nos íons | Isolante (sólido); Condutor (fundido/aq) | NaCl, MgO, LiF |
| Van der Waals | Molecular, firmemente ligados | Isolante | Gases nobres sólidos, orgânicos |
Fatores que Afetam a Condutividade nos Metais
- Contagem de Elétrons de Valência: 1 (Cu, Ag, Au) → melhor. 2 (Mg, Ca) → bom. 3 (Al) → bom mas resistividade maior.
- Estrutura Cristalina: FCC (Cu, Ag, Au, Al) → isotrópico, alta condutividade. BCC (Fe, W) → ligeiramente menor.
- Impurezas / Liga: Espalham elétrons → aumentam resistividade (regra de Matthiessen). Puro recozido > liga > trabalhado a frio.
- Temperatura: Espalhamento de fônons ↑ com T → ρ ∝ T (linear em alta T).
- Contornos de Grão / Defeitos: Espalhamento adicional.
Casos Especiais
- Grafite: Camadas covalentes + elétrons π deslocalizados dentro dos planos → condutor anisotrópico (bom no plano, ruim entre planos).
- Polímeros Condutivos (PEDOT:PSS, PANI): Sistemas π conjugados + dopagem → "metais orgânicos". Condutividade menor (10²–10⁴ S/m).
- Semicondutores Degenerados (ITO, AZO): Dopagem pesada → nível de Fermi na banda de condução → condução metálica.
Resumo
Ligação metálica → elétrons deslocalizados → alta condutividade elétrica. Esta é a razão fundamental pela qual os metais conduzem. O modelo do "mar de elétrons" explica não apenas a condução CC, mas também a condutividade térmica, refletividade óptica, maleabilidade e o efeito Hall.
