Electrolitos.

Un electrolito es una sustancia que contiene iones libres que pueden conducir la electricidad, es común encontrar electrolitos en disoluciones, por ejemplo la sal de cocina NaCl que en disolución produce un ion cloro y un cation sodio, existen  muchos ejemplos en los cuales un material se disuelve en agua y genera iones y cationes lo que implica que dichos materiales pueden conducir la electricidad. 

Tomado de http://marionkuprat.com/el-truco-y-la-refutacion-de-los-analisis-de-agua-por-electrolisis/

Por electrolisis se llama al proceso en el cual aplicando un campo eléctrico se separan los elementos de un compuesto, el cátodo y el ánodo atraen los iones de carga opuesta que están en disolución, entonces las cargas positivas se dirigen al cátodo generando una reducción y las cargas negativas se van hacia el ánodo el cual se oxida. Los electrolitos pueden clasificarse en electrolitos fuertes y electrolitos débiles, un electrolito fuerte es aquel que cuando se disocia provoca exclusivamente una formación de iones y su disolución es difícilmente reversible, un electrolito débil entonces es una sustancia que al disolverse en agua se separa apenas parcialmente, estos procesos son generalmente reversibles, un electrolito débil conduce muy bien la electricidad a diferencia del débil. Ejemplo de electrolitos fuerte: Acidos organicos como HNO3, HCl , HBr , HClO3 HBrO3
Los hidroxidos alcalinos o alcalino térreos, la mayoría de las sales.

Ejemplo de electrolitos débiles: Muchos ácidos inorgánicos como H2CO3 , H3BO3 , H3PO4 , H2S, H2SO4, la mayoría de los ácidos orgánicos, amoniaco y la mayoría de las bases orgánicas, halogenuros, cianuros y tiocianatos de Hg, Zn y Cd.

Ahora bien cómo podemos conseguir una corriente eléctrica con estos materiales, pues bien podemos hacer una celda galvanica por ejemplo.

Como se ve en el diagrama la celda funciona del siguiente modo en el ánodo (en este caso de Zn) se sumerge en una solución de sulfato de zinc (ZnSO4) y el catodo (de cobre) en una solución de sulfato de cobre (CuSO4), los átomos en el ánodo se oxidan y pasan a la solución en forma de iones positivos, así pues los electrones que quedan libres en el ánodo viajan hasta el cátodo alli los iones de cobre atrapan los electrones  y se precipitan, para equilibrar las cargas en cada parte de la celda a travez de una lamina porosa o de un puente salino se migran los aniones de SO4, con lo cual el circuito se conserva.
Las reacciones aqui son : Zn + 2e(-1) -> Zn(+2)  y Cu(+2) + 2e(-1) -> Cu.
Los electrodos ( en este caso las barras de Zn y cobre) pueden o no participar en la reacción, si participan de ella como en el ejemplo se denominan electrodos activos de lo contrario se les llaman electrodos pasivos o inertes.
Existen diferentes tipos de electrolitos, en solución como los que mostramos anteriormente, electrolitos fundidos y electrolitos sólidos; Un electrolito sólido también llamados conductores superionicos o conductor ionicos rápido son materiales sólidos en los cuales los iones son altamente móviles, poseen un carácter intermedio entre sólidos cristalinos y electrolitos líquidos, existen muchas formas en la que estos materiales pueden conducir electricidad. Primero hay que decir que cuando hablamos de un sólido cristalino se hace referencia a un material sólido cuya  estructura atómica es ordenada y tiene patrones repetidos, también cabe aclarar que cuando hablemos de intersticio hacemos referencia a el espacio que hay entre un átomo y otro en una red cristalina. 

Estructura cristalina de la sal común
tomado de http://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras_cristalinas/cloruro_sodico.html

Estructura cristalina del Diamante
tomado de http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/111/htm/sec_7.htm

Los sólidos cristalinos perfectos no existen, en ellos pueden existir cierto tipo de defectos o impurezas, ya se ha mostrado un tipo de impureza en los semiconductores cuando a un solido de silicio o germanio se le agregan otros elementos, en este caso eran impurezas substitucionales, es decir substituían un átomo de la red, pueden existir también impuresas intersticiales que son impurezas (átomos de otro elemento) en los intersticios de la red.
El defecto Frenkel y Schottky hace referencia a dos  fenómeno diferentes el primero (efecto Frenkel) sucede cuando un átomo salta a una posición intersticial y deja un hueco, el segundo (efecto Schottky se presenta cuando un átomo escapa de la zona cristalina y entonces para preservar su carga eléctrica un átomo de diferente carga genera vacantes.

imagen tomada de http://blog.utp.edu.co/metalografia/files/2011/05/51.jpg

En la imagen se observa arriba a la derecha vacancias dejadas por 

el efecto FRENKEL y a la izquierda abajo por el efecto SCHOTTKY,

El modelo de vacancias predice el movimiento de una vacancia a través de la red por saltos sucesivos del ion en dirección opuesta, el movimiento del ion ocurre a través de una serie de posiciones intersticiales, entonces para que se genere una corriente significativa un ion nuevo ocupa la vacancia generada por el primero y crea una nueva vacancia; Como ya se ha dicho ningún cristal es perfecto, eso implica también que existen brechas entre una red cristalina y otra en el material, es decir que dentro del material existen diferentes zonas con redes cristalinas iguales (en estructura, no en tamaño) que se unen con otras zonas cristalinas pero a un ángulo diferente 

A estas desviaciones (generalmente pequeñas) en la conexión de las redes cristalinas las llamamos bordes de grano, gracias a las imperfecciones en la red las diferentes zonas cristalinas intercambian imperfecciones en la red (ya que un átomo puede pasar de una zona a otra en el borde de grano) pero además comparten vacancias.I

"Para que un sólido conduzca a temperaturas más bajas que su punto de fusión se tiene que cumplir las siguientes condiciones:

i) alta concentración de portadores de carga potenciales;

ii) elevada concentración de vacancias o sitios intersticiales;

iii) la energía de activación requerida para que los iones

salten de sitio a sitio de la red debe ser pequeña." ( HUANOSTA, 1992)*.

Veamos un ejemplo clásico que ilustre la conducción por vacancias en la estructura de \betha-alúmina este conduce en forma bidimensional átomos de Na+ ¬, se dice que conduce en forma bidimensional ya que existen planos en los cuales ion Na+ puede moverse con baja resistencia debido a que en estas zonas existen mayores sitios que pueden ser ocupados por el ion, estas estructuras que están localizadas entre otras estructuras cristalinas en forma de bloques llamamadas espinelas, si ponemos Na y S separados por el b-alúmina, este conducirá prácticamente sólo por iones, para luego generar un presipitado de Na2S2 cuando la pila se descarga completamente.

*Electrolitos solidos: Caracteristicas, aplicaciones y una tecnica de analisis. Universidad Nacional Autonoma de Mexico.

Semiconductores dopaje y conducción por huecos.

Como se mencionaba en la entrada anterior dopando un material semiconductor mejorara su conductividad, hay dos formas de dopar un elemento, pongamos como ejemplo el silicio o el germanio para doparlos podemos usar un elemento con valencia tipo tres como el aluminio, el indio o el galio del grupo III, o podemos usar unos del grupo V como el arsénico o el fósforo. A los elementos sin dopar, es decir en su estado puro se les denomina como intrínsecos y aquellos a los cuales se les han incorporado "impurezas" se dicen extrinsecos. También podemos clasificarlos por la cantidad de enlaces extra que se han añadido, por ejemplo 1 más (o menos) 10^7 se considera dopaje ligero, de lo contrario se dice que es un dopaje pesado. En un semiconductor cuando un electron pasa de la capa de valencia a la capa de conducción  se generan pares e-h (pares hueco-electrón) lo que quiere decir que existe un átomo que está cargado ya que su electrón ha pasado a conducir, en el material los huecos pueden "moverse", es decir que pueden saltar de un átomo a otro y así conducen electricidad, por ende los huecos son conductores positivos..

tomado de http://www.filmscanner.info/es/CCDSensoren.html

examinemos primero el caso en el que se inserta un material que tiene un electrón más en la capa de -valencia que  el semiconductor a esto lo llamamos n-dopaje
N- dopaje
Este  caso se observa en la figura en azul, en la cual a una red de silicio se le agrega fósforo, en consecuencia queda un enlace (electrón) libre el cual podemos excitar fácilmente (aumentando la temperatura por ejemplo) lo que generaría una par electrón hueco, aquí al del silicio intrínseco el número de electrones es diferente al número de huecos, y en este caso la cantidad de electrones es mayor entonces se dice que la conducción electrónica es mayoritaria y la de huecos minoritaria.
P-dopaje.
En el p-dopaje al contrario que en el n-dopaje la idea es agregarle al material semiconductor otro elemento que tenga menos enlaces, en la imagen se ilustra con silicio de nuevo y se le agrega boro que tiene sólo tres enlaces de valencia, en este caso se incrementan el número de huecos, en  este caso hay abundancia de huecos, y estos se mueven en el material conduciendo positivamente.

Ahora cuando unimos un material tipo N con uno tipo P obtenemos un material con union PN, entre ellos los diodos y transistores, y también es la base de la energía fotovoltaica.

Si unimos los dos cristales obtendremos una difusión de electrones del material n al material p, es decir los electrones libres del cristal tipo n más cercanos al cristal tipo p se mueven hacia él llenando los huecos, entonces la región tipo n queda cargada positivamente y la región tipo p queda cargada negativamente.
Ahora bien, si conectamos una bateria del siguiente modo

tomado de http://www.natureduca.com/tecno_electro_matsemicond03.php

Los electrones de la fuente repelen los del material n-dopado para luego llenarlo de nuevo y enviar cargas negativas al p-dopado , estando en el material p se unen a los huecos, los electrones en el material p se ven atraídos por el polo positivo de la batería generando así una corriente eléctrica.
Sí conectamos el diodo en polarización inversa, el material n-dopado cede sus electrones libres a la batería y de la misma manera el p-dopado cede sus huecos a la batería y entonces no hay conducción. En realidad si existiría una pequeña corriente o puede dañarse el dispositivo.

Modelo de Drude y modelo de bandas.

Si aplicamos un campo electrico en una región dónde hay cargas libres se generara una fuerza que hará que estas cargas se muevan por la región, en un conductor ( como el oro o el cobre) cuando los electrones  son sometidos a dicho campo ganan energía y sus trayectorias se ven obstaculizadas por los iones del conductor en el cual están inmersos, si no hay un transporte neto de cargas no hay corriente eléctrica, es decir cuando al estado natural de los electrones y su movimiento aleatorio se superpone un movimiento es una sola dirección se genera una corriente, a este modelo se le llama modelo de Drude (en honor a su des arrollador Paul Drude) en el cual se supone que dentro del material conductor existe una nube de electrones a la deriva, esto supone un problema de hipótesis y por ende se postula el modelo de bandas, para ello y basado en lo anterior es entonces es razonable suponer entonces que esta corriente dependerá del campo eléctrico y de la estructura interna del material. Miremos entonces el cobre por ejemplo:

tomado de http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina1.htm

El cobre tiene 29 electrones cuando no está ionizado, pero en la banda de valencia sólo tiene un electrón, en  el modelo de bandas los orbitales de un átomo se solapan produciendo un número discreto de orbitales moleculares, en un conductor al unirse una gran cantidad de átomos los orbitales están tan juntos y su energía de enlace es tan parecida que se pueden imaginar bandas de energía continuas que recorren el material, como el cobre tiene sólo un electrón en el orbital de valencia esto hace que las bandas de valencia y las bandas de conducción estén superpuestas, también se debe a que  la fuerza que ata el electrón al núcleo es débil un campo o fuerza pueden hacer que el electrón pase fácilmente a la banda de conducción que es donde los electrones pueden conducir "libremente", y por ultimo a que tienen espacios libres en a banda de valencia, se pone libremente en comillas ya que debido a que la estructura cristalina de los conductores no es perfectamente geométrica existen fallas en las bandas lo que hace que no sean continuas, cabe reiterar que para que un electrón pase de la banda de  valencia a la banda de conductividad necesita ganar energía, esto se debe a la teoría cuántica en la cual  un electrón sólo puede ocupar órbitas discretas, es decir solo puede estar a una distancia definida entre su orbital y el núcleo, esta distancia esta definida por la energía que tenga el electrón, y para pasar de un orbital a otro (de una banda a otra) necesita ser excitado.

Imagen tomada de http://www.radioelectronica.es/articulos-teoricos/122-los-semiconductores-introduccion

Se dijo que en los conductores las bandas prohibidas (o bandas de gap) estaban casi superpuestas, podemos así hablar de una nueva propiedad de los materiales la de la conductividad, que tan bien conduce la electricidad, es decir que tan fácil es que conduzca los portadores de carga, y para efectos de este modelo quiere decir que tan facil puede pasar de la banda de valencia a la banda de conducción, se hablara entonces de tres tipos de materiales, los conductores, los aislantes y los semiconductores, los aislantes contrario a los conductores de los que ya hablamos conducen la electricidad de forma muy pobre al necesitar una alta energía para pasar a la banda de conducción, los semiconductores, se comportan a veces como conductores y a veces como aislantes debido a que dependen de variables como la temperatura la presión u otros factores, así el modelo como ilustra la siguiente imagen explica la conducción en diferentes tipos de materiales.

imagen tomada de https://encrypted-tbn2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcTOBf5n_rBE0FImCk8I-Xnstf5N3ImDXvw8ogsMJoPFPEeFF9dY

Que saltar la banda prohibida en los semiconductores requiera una mayor energía de debe a la estructura atómica, si se observa la ultima banda de valencia de los semiconductores por ejemplo el germanio veremos que tiene 4 electrones, esto significa que al formar enlaces no necesitan compartir su único electrón en la banda de valencia, los semiconductores en estado puro y abajas temperaturas no conducen muy bien la electricidad, es decir se comportan más bien cómo aislantes, pero a temperaturas más altas en presencia de la luz o mezclado (es decir dopandole) con otro elemento mejoran su conducción de forma asombrosa asemejándose así a los conductores.

Modelos atómicos.

Para entender mejor la conducción eléctrica tendremos que familiarizarnos con los modelos atómicos, el átomo según la rae "es la unidad  más pequeña existente de un elemento químico y se considero indivisible", Democrito filosofo griego que vivió del 460 al 370 antes de cristo fue el primero en postular la existencia (y por ende el concepto) de átomo, el concepto se perdió durante mucho tiempo hasta que el científico Ingles Jhon Dalton propuso un nuevo modelo en el cual los átomos eran indivisibles e iguales entre si; Posteriormente se propusieron varios modelos atómicos pero no fue hasta el descubrimiento del electrón por J. J. Thompson que este físico postulo un modelo en el cual existía una disociación entre los portadores de carga, ya que los electrones podían separarse de los átomos se propuso una configuración en la cual los electrones estaban inmersos en un núcleo de carga positiva, posteriormente  basado en nueva evidencia experimental Ernest Rutherford propone un núcleo muy pequeño comparado con el radio del átomo y en fuera de la zona nuclear están los electrones orbitando a gran velocidad, posteriormente y ya expuestas las teorías cuánticas y relativistas se expusieron diferentes modelos atómicos con el fin de reconciliar las nuevas observaciones con el concepto de átomo.

Introducción conducción electrica

La conducción eléctrica es un fenómeno físico en el cual un portador de carga eléctrica se desplaza y genera una corriente, estos portadores deben moverse dentro de un medio, los fenómenos por los cuales se mueven estás partículas pueden depender del material, la temperatura, campos electro-magnéticos y otras variable físicas o químicas. Ademas de haber diversas formas de conducción eléctrica hay diferentes modelos para explicarlos, Se tratara de exponer algunas formas de conducción en diferentes medios ya sean conductores, semiconductores, gases, etc...
La conducción eléctrica ademas de ser un fenómeno interesante de estudiar y ver también es un fenómeno  muy importante, en la actualidad las diferentes formas del transporte de carga son usados de forma amplia tanto en la vida cotidiana, como en procesos industriales y una amplia gamma de mecanismos sin los cuales nuestro cotidiano devenir sería completamente diferente.