Atomi Polielettronici e Configurazione Elettronica
Atomi Polielettronici e Configurazione Elettronica
Energie degli orbitali di un atomo monoelettronico
- L'energia dipende solo dal numero quantico principale n.
- Formula: En = -RH \left( \frac{1}{n^2} \right)
- n = 1, 2, 3, …
Atomi Polielettronici
- L'esistenza di più di un elettrone in un atomo impone:
- La necessità di un quarto numero quantico.
- Un limite al numero di elettroni permessi in un dato orbitale.
- Un più complesso insieme di livelli energetici degli orbitali.
Risoluzione dell'equazione di Schrödinger per atomi polielettronici
- Occorre tener conto non solo dell'interazione attrattiva tra i singoli elettroni ed il nucleo, ma anche delle interazioni repulsive tra i vari elettroni.
- La presenza di più elettroni attorno al nucleo provoca una variazione nella sequenza dei livelli energetici.
- L'energia dei diversi orbitali dipende non solo dal numero quantico principale, n, ma anche dal numero quantico secondario, l (in assenza di campo magnetico).
Osservazioni spettrali
- A conferma della separazione (splitting) dei livelli energetici negli atomi polielettronici.
- Presenza di un numero maggiore di righe spettrali: sono disponibili più energie orbitaliche.
Fattori che influenzano la separazione dei livelli energetici
- Distanza tra cariche: Maggiore è la distanza reciproca di due cariche di segno opposto, più è debole la loro attrazione. Quando il nucleo ed elettrone sono a grande distanza, l’energia è più alta (il sistema è meno stabile).
- Quantità di carica: Maggiori sono le due quantità di carica di segno opposto, più forte è l’attrazione. Quando un nucleo di carica maggiore attrae un elettrone, l’energia è più bassa (il sistema è più stabile).
- Forza di Coulomb: Fc = \frac{Ze^2}{4\pi\epsilon0r^2}
- Potenziale di Coulomb: V = -\frac{Ze^2}{4\pi\epsilon_0r}
Energia di un orbitale
- Corrisponde all’energia necessaria per rimuovere un elettrone da quell’orbitale in un atomo.
- È necessaria più energia per rimuovere un elettrone in un orbitale più stabile.
- Più stabile è un orbitale, più bassa (più negativa) è la sua energia.
- L'energia di un orbitale dipende da:
- Carica nucleare efficace (Z_{eff}).
- Repulsioni interelettroniche (schermatura).
- Effetto della forma dell’orbitale (penetrazione).
Effetto della carica nucleare (Z)
- La carica nucleare più elevata abbassa l’energia dell’orbitale (stabilizza il sistema) aumentando le attrazioni nucleo-elettrone.
Effetto delle repulsioni interelettroniche (Schermatura)
- Un elettrone rende l'altro elettrone più facile da rimuovere.
- Un elettrone addizionale nello stesso orbitale innalza l'energia dell'orbitale mediante repulsioni interelettroniche.
- Esempio:
- He+ 1s: -5250 kJ/mol (orbitale più stabile)
- He 1s: -2372 kJ/mol (orbitale meno stabile)
Schermatura degli elettroni interni
- Gli elettroni interni schermano gli elettroni esterni dall’attrazione nucleare, più efficacemente di quanto facciano gli elettroni nello stesso sottolivello.
Carica nucleare efficace (Z_{eff})
- La schermatura riduce l’intera carica nucleare a una carica nucleare effettiva (Z_{eff}).
- Definizione: Carica nucleare a cui un elettrone è soggetto effettivamente.
- Penetrazione dell'orbitale 2s:
- Un elettrone 2s trascorre la maggior parte del suo tempo più lontano dal nucleo rispetto a un elettrone 2p, ma penetra in prossimità del nucleo per una piccola frazione del tempo.
- Questa penetrazione da parte dell'elettrone 2s aumenta la sua attrazione verso il nucleo e, quindi, abbassa l'energia dell'orbitale.
- Esempio:
- Li 2s: -520 kJ/mol (orbitale più stabile)
- Li 2p: -341 kJ/mol (orbitale meno stabile)
Energie degli orbitali di un atomo polielettronico
- L’energia dipende da n e da l.
- n = 1, l = 0
- n = 2, l = 0
- n = 2, l = 1
- n = 3, l = 0
- n = 3, l = 1
- n = 3, l = 2
Ordine di riempimento dei sottolivelli energetici
- La penetrazione e il conseguente effetto sulla schermatura fanno sì che un livello energetico si separi in sottolivelli.
Configurazione elettronica e diagramma orbitalico
- Configurazione elettronica: distribuzione degli elettroni nei vari orbitali atomici.
- Diagramma orbitalico: rappresentazione grafica della configurazione elettronica che indica anche lo spin dell’elettrone.
Regola di Hund
- Negli atomi polielettronici gli orbitali degeneri vengono dapprima occupati tutti singolarmente da elettroni con spin parallelo (condizioni che soddisfano il minimo di energia) e solo successivamente da altri elettroni che si accoppiano con i precedenti.
- Esempi:
- 2 elettroni in orbitali di tipo p
- 3 elettroni in orbitali di tipo p
- 4 elettroni in orbitali di tipo p
Principio dell'Aufbau (o principio di costruzione)
- Configurazioni elettroniche degli elementi del primo periodo:
- Z = 1, H: 1s1
- Z = 2, He: 1s2
Configurazioni elettroniche degli elementi del secondo periodo
- Z = 3, Li: [He] 2s1
- Z = 4, Be: [He] 2s2
- Z = 5, B: [He] 2s2 2p1
- Z = 6, C: [He] 2s2 2p2
- Z = 7, N: [He] 2s2 2p3
- Z = 8, O: [He] 2s2 2p4
- Z = 9, F: [He] 2s2 2p5
- Z = 10, Ne: [He] 2s2 2p6
Esempi di configurazioni elettroniche
- C (6 elettroni): 1s2 2s2 2p2 (la disposizione più stabile è quella con il maggior numero di spin paralleli)
- N (7 elettroni): 1s2 2s2 2p3
- O (8 elettroni): 1s2 2s2 2p4
- F (9 elettroni): 1s2 2s2 2p5
- Ne (10 elettroni): 1s2 2s2 2p6
Configurazioni elettroniche degli elementi del terzo periodo
- Z = 11, Na: [Ne] 3s1
- Z = 12, Mg: [Ne] 3s2
- Z = 13, Al: [Ne] 3s2 3p1
- Z = 14, Si: [Ne] 3s2 3p2
- Z = 15, P: [Ne] 3s2 3p3
- Z = 16, S: [Ne] 3s2 3p4
- Z = 17, Cl: [Ne] 3s2 3p5
- Z = 18, Ar: [Ne] 3s2 3p6
Configurazioni elettroniche degli elementi del quarto periodo
- Z = 19, K: [Ar] 4s1
- Z = 20, Ca: [Ar] 4s2
- Riempimento degli orbitali 4s prima dell’orbitale 3d - effetto di schermatura e penetrazione.
Riempimento degli orbitali 3d
- Z = 21, Sc: [Ar] 4s2 3d1
- Z = 22, Ti: [Ar] 4s2 3d2
- Z = 23, V: [Ar] 4s2 3d3
- Z = 24, Cr: [Ar] 4s1 3d5 (eccezione)
- Z = 25, Mn: [Ar] 4s2 3d5
- Z = 26, Fe: [Ar] 4s2 3d6
- Z = 27, Co: [Ar] 4s2 3d7
- Z = 28, Ni: [Ar] 4s2 3d8
- Z = 29, Cu: [Ar] 4s1 3d10 (eccezione)
- Z = 30, Zn: [Ar] 4s2 3d10
Configurazione elettronica condensata
- Z= 31, Ga: [Ar] 4s^2 3d^{10} 4p^1
- Z= 32, Ge: [Ar] 4s^2 3d^{10} 4p^2
- Z= 33, As: [Ar] 4s^2 3d^{10} 4p^3
- Z= 34, Se: [Ar] 4s^2 3d^{10} 4p^4
- Z= 35, Br: [Ar] 4s^2 3d^{10} 4p^5
- Z= 36, Kr: [Ar] 4s^2 3d^{10} 4p^6
Tavola periodica e configurazioni elettroniche
- Period number: highest occupied energy level
- Blocchi: s, p, d, f
Notazione della configurazione elettronica
- Esempio: 1s1
- 1: Numero quantico principale, n
- s: Sottolivello
- 1: 1 elettrone nel sottolivello s
- Esempio: Na
- Elettroni del nocciolo: 1s22s22p6
- Configurazione elettronica completa: [Ne]3s1
- Elettroni di valenza: 3s1
- Esempio: Si
- Elettroni del nocciolo: 1s22s22p6
- Configurazione elettronica completa: [Ne]3s23p2
- Elettroni di valenza: 3s23p2
Relazione tra configurazione elettronica e reattività chimica
- Le reazioni chimiche sono guidate dal principio di trovare le configurazioni degli elettroni con energia più bassa (le più stabili).
- Il sodio ha una valenza di +1 perché tende a perdere un elettrone, e il cloro ha una valenza di -1 perché ha la tendenza ad acquistare un elettrone.
- La combinazione di sodio e cloro (cloruro di sodio) è un classico caso di legame ionico.
Tavola periodica degli elementi
- Metalli alcalini
- Metalli alcalino-terrosi
- Metalli di transizione
- Non metalli
- Alogeni
- Gas nobili