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Descrivere la costruzione della
configurazione elettronica di un atomo
Si definisce configurazione elettronica, il modo in cui gli elettroni di un atomo si distribuiscono
nei suoi orbitali, i quali rappresentano la mappa di probabilità che mostra la distribuzione statistica
dello spazio in cui si può trovare l'elettrone. Al fine di descrivere la configurazione elettronica, ogni
orbitale è rappresentato convenzionalmente con un quadratino, all'interno del quale vengono inseriti
gli elettroni i cui numeri quantici magnetici di spin sono indicati con frecce verticali rivolte verso
l'alto o verso il basso (ricordiamo che lo spin elettronico determina il modo in cui gli atomi che
contengono elettroni spaiati si allineano rispetto alle linee di forza del campo magnetico: paralleli o
antiparalleli.). A ciascun orbitale viene associata una sigla composta da un numero e da una lettera.
Il numero indica il numero quantico principale (n), cioè il livello di energia al quale l'orbitale
appartiene e può assumere qualsiasi valore intero positivo (n=1,2,3...). La lettera (s, p, d, f) indica il
numero quantico secondario(l) (può assumere valori interi crescenti da 0 sino ad n-1) e quindi il
tipo di orbitale, specificando quale forma esso abbia. Ad esempio 1s indica l'orbitale sferico (s)
presente nel primo livello di energia; invece la sigla 2p indica i tre orbitali a doppio lobo (p)
presenti nel secondo livello di energia.
Per scrivere la configurazione elettronica di un elemento è necessario
rispettare tre regole:
1) Principio della costruzione progressiva: si occupano prima gli orbitali a più bassa energia e poi
quelli a energia più elevata. Il contenuto energetico degli orbitali e quindi la sequenza di
riempimento è rappresentata nel seguente schema:
L'ordine di riempimento può essere ricordato seguendo la regola della diagonale:
2) Principio di esclusione di Pauli: in un atomo non possono esistere elettroni caratterizzati dagli
identici valori di tutti e quattro i numeri quantici; per cui in ogni orbitale possono essere presenti al
massimo due elettroni, che devono necessariamente avere spin opposto.
Per esempio, un atomo di elio possiede due elettroni. La configurazione elettronica e il diagramma
degli orbitali per l'elio sono:
Configurazione elettronica
He
Diagramma dell'orbitale
1s2
3) Regola di Hund: nel riempire orbitali di uguale energia (degeneri), gli elettroni iniziano
collocandosi, con spin paralleli, uno per orbitale. Se ad esempio, dobbiamo inserire tre elettroni
negli tre orbitali degeneri 2p, gli elettroni devono essere collocati nel seguente modo:
Volendo invece inserire per esempio sette elettroni nei cinque orbitali degeneri 4d, dovremo
scrivere:
Applicando le tre regole appena viste, possiamo scrivere, a titolo di esempio, la configurazione
elettronica dell'ossigeno, avete numero atomico Z = 8
La configurazione elettronica può essere rappresentata in modo sintetico, scrivendo gli elettroni ad
esponente della sigla che identifica l'orbitale. Per l'ossigeno avremo:
nella quale gli esponenti indicano il numero di elettroni che sono collocati in quel tipo di orbitale.
Quando scriviamo la configurazione elettronica degli elementi successivi al neon, o ad ognuno degli
altri gas nobili, la configurazione elettronica del gas nobile che precede tale elemento è spesso
abbreviata dal simbolo del gas nobile riportato tra parentesi. Per esempio la configurazione
elettronica del magnesio è la seguente:
Mg
1s22s22p63s2
Ma può anche essere scritta utilizzando la notazione abbreviata:
Mg
[Ne]3s2
Per riassumere:
•
Gli elettroni si distribuiscono negli orbitali in modo da minimizzare l'energia dell'atomo, pertanto gli
orbitali a minore energia vengono occupati prima degli orbitali a energia maggiore ( 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d
4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d ... ).
•
Ogni orbitale può ospitare non più di due elettroni e di conseguenza:
Valore di
l
Lettera
Massimo numero di elettroni nel sottolivello (pari a (2 ×l+ 1) × 2)
0
s
2
1
p
6
2
d
10
3
f
14
...
...
...
Quando due elettroni occupano lo stesso orbitale, devono avere spin opposto per il principio di esclusione
di Pauli.
•
Quando orbitali di uguale energia sono disponibili, essi vengono dapprima riempiti tutti con elettroni
singoli aventi spin paralleli, in base alla regola di Hund.
Inoltre, per scrivere la configurazione elettronica di un elemento a partire dalla sua posizione nella tavola periodica,
è utile ricordare che:
•
Per qualsiasi elemento, la configurazione elettronica interna corrisponde a quella del gas nobile che lo
precede nella tavola periodica.
•
Gli elettroni esterni (elettroni di valenza collocati nel livello col numero quantico principale n maggiore)
possono essere determinati dalla posizione dell'elemento all'interno di ogni particolare blocco (s,p,d o f)
nella tavola periodica. Individuiamo gli elementi che si trovano tra il gas nobile precedente e l'elemento in
esame, poi collochiamo gli elettroni negli orbitali appropriati.
•
Il valore più alto del numero quantico principale n corrisponde al numero della riga della tavola periodica
in cui è collocato l'elemento.
•
Per ogni elemento che contiene elettroni esterni di tipo d, il numero quantico principale del livello degli
orbitali d corrisponde al numero della riga meno 1.
La tavola periodica mostra come gli elementi sono raggruppati in accordo al tipo di sottolivelli
(s,p,d,f) riempiti dagli elettroni di valenza
Per concludere, riportiamo di seguito la configurazione elettronica e il diagramma degli orbitali di alcuni elementi:
ELEMENTO
CONFIGURAZIONE ELETT.
DIAGRAMMA DEGLI ORBITALI