Pregrado
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  2. Química orgánica  2.1. Estructura y relaciones  2.1.1. Hibridación en Compuestos de Carbono  2.1.2. Resonancia y aromatización  2.1.3. Orbitales moleculares  2.1.4. Efectos inductivo y mesomérico  2.2. Hidrocarburos  2.2.1. Hidrocarburos  2.2.2. Alqueno  2.2.3. Alquinos  2.2.4. Compuestos aromáticos  2.2.5. Cicloalcanos y Conformación  2.3. Grupo Funcional  2.3.1. Alcoholes y fenoles  2.3.2. Éteres y epóxidos  2.3.3. Aldehídos y cetonas  2.3.4. Ácidos carboxílicos y derivados  2.3.5. Aminas  2.3.6. Ésteres y amidas  2.3.7. Tioles y sulfuros  2.4. Estereoscópico  2.4.1. Isomería en Estereoquímica  2.4.2. Quiralidad y actividad óptica  2.4.3. Análisis estructural  2.4.4. Diastereómeros y Enantiómeros  2.5.1. Reacciones de sustitución  2.5.2. Reacciones de eliminación  2.5.3. Reacciones de adición  2.5.4. Reacciones radicales  2.5.5. Reacciones de reordenamiento  2.5.6. Reacciones Pericíclicas  2.6. Espectroscopía y análisis estructural  2.6.1. Espectroscopía Infrarroja  2.6.2. Espectroscopía por resonancia magnética nuclear  2.6.3. Espectrometría de masas  2.6.4. Espectroscopia UV-visible  2.6.5. Cristalografía de rayos X  2.7. Química de polímeros  2.7.1. Polímeros de Adición y Condensación  2.7.2. Mecanismo de polimerización  2.7.3. Polímero biodegradable  2.7.4. Polímeros conductores e inteligentes
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Propiedades eléctricas y magnéticas


Entender las propiedades eléctricas y magnéticas de los materiales es muy importante en la química del estado sólido, especialmente al tratar con compuestos inorgánicos. Estas propiedades a menudo determinan la utilidad y funcionalidad de los materiales en diversas aplicaciones como semiconductores, imanes y conductores eléctricos. En este documento, exploraremos la naturaleza de estas propiedades, sus orígenes y las implicaciones para el campo de la química inorgánica.

Propiedades eléctricas de los sólidos

Las propiedades eléctricas de los sólidos reflejan principalmente cuán bien un material puede conducir electricidad. Esto depende de la disponibilidad de portadores de carga: electrones y huecos. Las propiedades eléctricas de los materiales pueden clasificarse en tres categorías diferentes: conductores, semiconductores y aislantes.

Conductor

Los conductores son materiales que permiten el flujo de carga eléctrica debido a la presencia de electrones libres. Los metales como el cobre (Cu) y el aluminio (Al) son conductores bien conocidos. La conductividad en estos materiales se debe a la superposición de su banda de conducción y banda de valencia, lo que permite que los electrones se muevan libremente.

banda de conducción banda de valencia Superposición

El ejemplo anterior muestra cómo las bandas de conducción y valencia en los conductores se superponen, facilitando el movimiento de electrones libres.

Aislante

En contraste, los aislantes tienen una brecha de banda significativa, lo que impide que los electrones se muevan de la banda de valencia a la banda de conducción, lo que los convierte en malos conductores de electricidad. Materiales como el vidrio o el caucho entran en esta categoría.

banda de conducción banda de valencia brecha de banda

Este diagrama muestra la amplia brecha de banda en los aislantes, que impide el flujo de electrones.

Semiconductores

Los semiconductores tienen brechas de banda más pequeñas que los aislantes, lo que permite a los electrones cruzar la brecha con una entrada mínima de energía, como calor o luz. El silicio (Si) y el germanio (Ge) son los materiales semiconductores clásicos.

banda de conducción banda de valencia brecha de banda

Como se muestra arriba, la pequeña brecha de banda en los semiconductores permite transiciones más fáciles de electrones con entrada de energía.

Factores que afectan la conductividad

La conductividad eléctrica de los materiales depende de una variedad de factores, incluyendo la temperatura, impurezas y defectos estructurales.

Temperatura

Para los metales, aumentar la temperatura disminuye la conductividad eléctrica porque las vibraciones de la red aumentan, lo que dispersa los electrones. En contraste, aumentar la temperatura en semiconductores puede aumentar la conductividad porque más electrones ganan suficiente energía para moverse en la brecha de banda.

Impurezas

Agregar impurezas a un semiconductor (llamado dopaje) puede afectar significativamente su conductividad. Considere el siguiente ejemplo:

Mezcla de silicio con fósforo:

        Si + P → semiconductor tipo-n

Aquí, la adición de un electrón extra al fósforo (P) resulta en la formación de un semiconductor tipo-n (tipo negativo) contribuyendo los electrones extra como portadores de carga.

Defectos estructurales

Los defectos estructurales, como vacantes o brechas, también pueden afectar la conductividad al interrumpir el arreglo ordenado de átomos, lo que lleva a más eventos de dispersión o sitios de recombinación no radiativa.

Propiedades magnéticas de los sólidos

Las propiedades magnéticas surgen del movimiento de los electrones y su espín. Dependiendo de su comportamiento magnético, los materiales pueden clasificarse en varias categorías, incluyendo diamagnético, paramagnético, ferromagnético, antiferromagnético y ferrimagnético.

Diamagnetismo

Los materiales diamagnéticos son aquellos que crean un campo magnético inducido en la dirección opuesta al campo magnético aplicado. Esta débil repulsión de un campo magnético es una propiedad universal que todos los materiales experimentan en algún grado, aunque en muchos materiales es tan débil como para ser imperceptible. Un ejemplo de material diamagnético es el bismuto (Bi).

Paramagnetismo

Los materiales paramagnéticos tienen electrones desapareados, resultando en dipolos magnéticos que están orientados aleatoriamente. Cuando se exponen a un campo magnético externo, los dipolos se alinean con el campo, produciendo una atracción débil. Ejemplos incluyen aluminio (Al) y oxígeno (O2).

Antes del campo Después del campo

La figura anterior muestra cómo los dipolos magnéticos en materiales paramagnéticos se alinean con el campo magnético externo.

Ferromagnetismo

Los materiales ferromagnéticos exhiben magnetismo fuerte y permanente debido a la alineación paralela de los dipolos magnéticos en un dominio. Materiales ferromagnéticos comunes incluyen hierro (Fe) y níquel (Ni).

Antiferromagnetismo

Los materiales antiferromagnéticos tienen igual número de dipolos magnéticos alineados en direcciones opuestas, lo que se anulan entre sí, resultando en la ausencia de magnetismo macroscópico. Ejemplos incluyen óxido de manganeso (MnO).

Alineación antiferromagnética

Esta vista muestra la alineación opuesta de espines en materiales antiferromagnéticos.

Ferrimagnetismo

Los materiales ferrimagnéticos tienen dipolos magnéticos opuestos desiguales, resultando en un momento magnético neto. Las ferritas son materiales ferrimagnéticos comunes.

Implicaciones y aplicaciones

Entender las propiedades eléctricas y magnéticas de los materiales tiene un gran impacto en las aplicaciones tecnológicas e industriales. Estas propiedades ayudan a diseñar mejores semiconductores para dispositivos electrónicos, medios de almacenamiento magnético eficientes y materiales avanzados para la innovación tecnológica.

Equipos técnicos

Los dispositivos semiconductores, como diodos, transistores y circuitos integrados, dependen en gran medida de materiales con propiedades eléctricas precisas. Las tecnologías basadas en silicio dominan, aunque se utilizan alternativas como el arseniuro de galio (GaAs) en aplicaciones específicas como teléfonos móviles y satélites.

Almacenamiento magnético

Las propiedades magnéticas son esenciales en las tecnologías de almacenamiento de datos, donde los materiales ferromagnéticos forman la base de los discos duros. La alineación y organización de los dominios magnéticos permite el almacenamiento de datos binarios.

Conclusión

Las propiedades eléctricas y magnéticas de los sólidos forman la base de muchos avances tecnológicos modernos. Comprender estas propiedades a nivel atómico y molecular permite a químicos y científicos manipular y utilizar materiales para una variedad de aplicaciones prácticas, cambiando radicalmente nuestro panorama tecnológico.


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