Estructura y propiedades de la materia

La Naturaleza y Constitución de la Materia

La materia se compone de entidades químicas llamadas moléculas, que son conjuntos de átomos enlazados entre sí y representan la forma más pequeña de una sustancia que mantiene sus propiedades químicas. Los átomos, constituyentes fundamentales de la materia, se diferencian por su número de protones y neutrones en el núcleo, así como por su configuración electrónica. Las sustancias se clasifican en simples y compuestas: las simples están formadas por un solo tipo de átomo, como el oxígeno (O2), mientras que las compuestas, como el agua (H2O), resultan de la combinación de átomos de diferentes elementos.

Estructura y Composición del Átomo

Un átomo está constituido por partículas subatómicas: protones con carga positiva y neutrones sin carga eléctrica en el núcleo, y electrones con carga negativa orbitando alrededor del núcleo en niveles de energía definidos. La masa de los protones y neutrones es considerablemente mayor que la de los electrones. El número atómico, que es el número de protones en el núcleo, identifica a cada elemento químico y, en un átomo eléctricamente neutro, es igual al número de electrones.

Modelos Atómicos y Niveles de Energía

Los modelos atómicos históricos, como los de Rutherford y Bohr, han contribuido a nuestra comprensión de la estructura atómica, diferenciando el núcleo de la corteza atómica. Los electrones se distribuyen en niveles de energía o capas electrónicas, designadas por letras (K, L, M, N), y cada nivel puede albergar un número máximo de electrones dado por la fórmula 2n^2, donde n es el número del nivel de energía. Los electrones ocupan primero los niveles más bajos y pueden saltar a niveles superiores absorbiendo energía o caer a niveles inferiores emitiendo energía.

Conductividad y Tipos de Enlaces Químicos

Los átomos se combinan mediante enlaces químicos para formar moléculas y compuestos. Los enlaces iónicos se producen por la transferencia de electrones de un átomo a otro, resultando en la formación de iones positivos y negativos. Los enlaces covalentes se forman cuando dos átomos comparten uno o más pares de electrones. Los enlaces metálicos, característicos de los metales, consisten en una mar de electrones libres que permite la conductividad eléctrica. Los conductores tienen electrones libres que facilitan el flujo de corriente eléctrica, mientras que los aislantes carecen de estos electrones libres.

Semiconductores y Aislantes: Comportamiento y Aplicaciones

Los semiconductores, como el silicio (Si) y el germanio (Ge), poseen propiedades eléctricas intermedias entre los conductores y los aislantes. Su conductividad eléctrica aumenta con la temperatura o la exposición a la luz debido a la excitación de electrones a la banda de conducción. Los aislantes, por otro lado, tienen una banda prohibida tan extensa que impide el movimiento de electrones hacia la banda de conducción, lo que restringe el flujo de corriente eléctrica. Los semiconductores son esenciales en la electrónica moderna, ya que permiten el control preciso del flujo de corriente en dispositivos como diodos y transistores.

Estructura Cristalina y Propiedades de los Semiconductores

Los semiconductores se distinguen por su estructura cristalina ordenada, en la que los átomos están dispuestos en una red periódica. Esta organización permite la manipulación de sus propiedades eléctricas mediante la adición de impurezas controladas, un proceso conocido como dopaje. La capacidad de alterar la conductividad de los semiconductores es fundamental para la fabricación de dispositivos electrónicos, como transistores y circuitos integrados, que son la base de la tecnología digital y de la computación.