Estructura de la materia
Que el silicio tenga cuatro electrones de valencia y el fósforo cinco no es un dato suelto: es la razón de que uno forme cristales y el otro sirva para doparlos. Toda la electrónica del estado sólido empieza acá.
01Dónde están los electrones
El modelo de Bohr —electrones girando en órbitas— alcanza para dibujar, pero no para explicar. El modelo actual dice que un electrón no tiene una trayectoria sino una distribución de probabilidad, y que su estado queda descripto por cuatro números:
| Número | Qué dice | Valores |
|---|---|---|
| \( n \), principal | El nivel de energía, el «tamaño» | 1, 2, 3, … |
| \( \ell \), azimutal | La forma del orbital | 0 a \( n-1 \): s, p, d, f |
| \( m_\ell \), magnético | La orientación en el espacio | \( -\ell \) a \( +\ell \) |
| \( m_s \), de espín | El giro propio del electrón | \( +\tfrac12 \) o \( -\tfrac12 \) |
Y sobre esos cuatro números actúa el principio de exclusión de Pauli: dos electrones de un mismo átomo no pueden tener los cuatro iguales. Esa prohibición es la que obliga a los electrones a ir llenando niveles cada vez más altos en lugar de amontonarse todos en el más bajo, y de ella sale la tabla periódica entera.
02El orden de llenado, y la tabla que resulta
Los electrones ocupan primero los subniveles de menor energía —regla de Aufbau— siguiendo el orden \( 1s\,2s\,2p\,3s\,3p\,4s\,3d\,4p\ldots \), que no coincide con el orden de \( n \). En los subniveles con varios orbitales, la regla de Hund dice que se reparten de a uno antes de aparearse.
La tabla periódica es ese orden de llenado, dibujado. Las columnas agrupan elementos con la misma configuración de valencia, y por eso se parecen químicamente.
Tocá un elemento y aparecen su configuración, sus electrones de valencia y qué papel cumple en electrónica. Los grupos 13, 14 y 15 están resaltados: son los de los semiconductores y sus dopantes.
03Por qué el silicio y no otro
El grupo 14 —carbono, silicio, germanio— tiene cuatro electrones de valencia, que es exactamente la mitad de los ocho que caben. Eso les permite formar cuatro enlaces covalentes en una red tridimensional perfecta, en la que todos los electrones quedan comprometidos.
| Grupo | Valencia | En el silicio hace de | Ejemplos |
|---|---|---|---|
| 13 | 3 | Aceptor: falta un electrón, queda un hueco | Boro, aluminio, galio, indio |
| 14 | 4 | El cristal mismo | Carbono, silicio, germanio |
| 15 | 5 | Donor: sobra un electrón, que queda libre | Fósforo, arsénico, antimonio |
Ahí está toda la electrónica del estado sólido en tres renglones. El silicio puro no conduce bien porque no tiene electrones sueltos; agregando un átomo del grupo 15 cada millón, uno de cada millón de posiciones tiene un electrón de más, y ese electrón sí puede moverse. Con el grupo 13 pasa lo simétrico: falta un electrón, y el hueco se desplaza como si fuera una carga positiva.
Los primeros transistores fueron de germanio, del mismo grupo 14. Perdió frente al silicio por dos razones químicas: su banda prohibida es más angosta —0,67 eV contra 1,12— así que a 70 °C ya conduce solo, y sobre todo su óxido es soluble en agua. El SiO₂, en cambio, es estable, aislante y crece sobre el propio material: eso es lo que permitió la tecnología planar y, con ella, el circuito integrado. Ganó el silicio por su óxido, no por el semiconductor.
04Las propiedades periódicas
Al recorrer la tabla, varias propiedades varían de manera regular porque dependen de la configuración:
| Propiedad | Al ir hacia la derecha | Al bajar en un grupo |
|---|---|---|
| Radio atómico | Disminuye | Aumenta |
| Energía de ionización | Aumenta | Disminuye |
| Electronegatividad | Aumenta | Disminuye |
| Carácter metálico | Disminuye | Aumenta |
La cuarta fila explica una franja que atraviesa la tabla en diagonal: los metaloides, entre los metales de la izquierda y los no metales de la derecha. Boro, silicio, germanio, arsénico, antimonio y telurio están ahí, y no es casualidad que la electrónica del estado sólido se haya construido casi entera con esa diagonal: son los que no conducen del todo ni aíslan del todo.
Y la electronegatividad es la que anticipa el tipo de enlace, que es el tema del contenido siguiente: cuando dos átomos la tienen muy distinta, el enlace es iónico; cuando la tienen parecida, covalente.
05En el laboratorio
Escribir la configuración electrónica completa de Si, P, B, Ga, As y Cu, y marcar en cada una los electrones de valencia. Predecir cuáles pueden actuar como donor o aceptor en silicio y justificar.
Observar con un espectroscopio de red la luz de una lámpara de sodio, una de mercurio y un LED blanco. Explicar por qué las dos primeras muestran líneas y la tercera una banda continua.
Ubicar en la tabla los seis metaloides y buscar la resistividad de cada uno. Graficarla en escala logarítmica junto a la de un metal y la de un aislante, y marcar dónde cae el silicio dopado.
06Errores frecuentes
- Llenar por orden de \( n \). El 4s se llena antes que el 3d; hay que seguir el orden de energía.
- Aparear electrones antes de tiempo. La regla de Hund pide repartirlos de a uno por orbital.
- Contar como valencia todos los electrones del último nivel en los metales de transición. Ahí intervienen también los d.
- Creer que el modelo de Bohr describe el átomo. Sirve como imagen, no como modelo.
- Confundir electronegatividad con energía de ionización. Una es la tendencia a atraer electrones en un enlace; la otra, la energía para arrancarle uno al átomo aislado.
07Autoevaluación
¿Cuál es la configuración del silicio?
\( 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^2 \), con cuatro electrones de valencia en el tercer nivel.
¿Por qué el fósforo es donor en silicio?
Porque tiene cinco electrones de valencia: cuatro forman los enlaces del cristal y el quinto queda libre para conducir.
¿Cuántos electrones entran en un subnivel d?
Diez: son cinco orbitales con dos electrones cada uno.
¿Qué dice el principio de Pauli?
Que dos electrones del mismo átomo no pueden tener los cuatro números cuánticos iguales. De ahí sale el llenado por niveles.
¿Por qué ganó el silicio sobre el germanio?
Sobre todo por su óxido: el SiO₂ es estable, aislante y crece sobre el propio material. El del germanio es soluble en agua.
¿Qué son los metaloides?
La diagonal entre metales y no metales: boro, silicio, germanio, arsénico, antimonio y telurio. Ni conducen del todo ni aíslan del todo.
08Para ampliar
- Raymond Chang y Kenneth A. Goldsby. Química. 12.ª ed., McGraw-Hill, 2017. Los capítulos 7 y 8: estructura atómica, configuración electrónica y propiedades periódicas.
- Peter Atkins y Julio de Paula. Química física. 10.ª ed., Editorial Médica Panamericana, 2018. El tratamiento cuántico de los orbitales, para quien quiera ver de dónde salen los números.
- Ben G. Streetman y Sanjay Banerjee. Solid State Electronic Devices. 7.ª ed., Pearson, 2015. El paso del átomo aislado a las bandas del cristal, que es la continuación natural de esta unidad.