La configurazione elettronica degli elementi è tra gli argomenti di base di chimica.
Non a caso, i nostri tutor ricevono spesso domande su come si fa la configurazione elettronica sia da studenti delle scuole superiori sia da neodiplomati che si stanno preparando per i test di medicina, veterinaria e professioni sanitarie.
Questo si verifica perché negli esami di ammissione alle facoltà ad accesso programmato capitano spesso quiz di chimica su questo argomento.
Per cui, continua a leggere per capire bene cos’è e come fare la configurazione elettronica. Inoltre, nell’articolo trovi immagini, esempi e la videolezione sulla configurazione elettronica degli elementi della nostra tutor di chimica.
Configurazione elettronica degli elementi: cos’è
Iniziamo dalla definizione di configurazione elettronica degli elementi, in base a quanto stabilito dallo IUPAC:
La configurazione elettronica degli elementi descrive come gli elettroni sono disposti negli orbitali, cioè come si comportano intorno al nucleo degli atomi.
Gli elettroni sono particelle cariche negativamente che costituiscono un atomo e ne dettano le sue proprietà chimiche. Secondo il principio di esclusione di Pauli, nessun orbitale atomico può contenere più di due elettroni, i quali devono avere necessariamente spin opposti.
Quindi, il principio di Pauli è molto importante per la configurazione elettronica perché implica che quando un elettrone occupa un certo orbitale, l’altro elettrone debba avere uno spin opposto.
L’orbitale è lo spazio dell’atomo in cui vi è un’elevata probabilità di trovare gli elettroni, cioè la regione attorno al nucleo in cui ruotano gli elettroni. Infatti, spesso gli orbitali sono paragonati a dei gusci che circondano il nucleo. Ogni orbitale ha una sua forma e direzione.
I numeri quantici
Gli orbitali hanno 3 numeri quantici essenziali:
- il numero quantico principale indicato con n, identifica l’energia dell’elettrone e la distanza media dal nucleo. Il primo numero quantico ha valori numerici interi che vanno da 1 a infinito in ordine crescente, ma fino ad oggi gli elementi conosciuti hanno al massimo numero n=7;
- il numero quantico secondario o azimutale indicato con l, definisce la forma e il tipo di orbitale e ha valori compresi tra 0 e (n-1);
- il numero quantico magnetico indicato con ml, che identifica l’orientamento dell’orbitale nello spazio e ha valori compresi tra -l e l, passando per lo 0 (zero).
Più esattamente:
- l = 0, orbitale di tipo s, ha solo un orbitale poiché ml = 0 (un numero = un orbitale), quindi l’orientazione è uniforme e risulta una sfera;
- l = 1, orbitale di tipo p, ha 3 orbitali poiché ml = -1, 0, +1 (3 numeri = 3 orbitali), l’orientazione risulta essere lungo l’asse x, l’asse y e l’asse z;
- l = 2, orbitale di tipo d, ha 5 orbitali, poiché ml = -2, -1, 0, +1, +2 (5 numeri, 5 orbitali);
- l = 3, orbitale di tipo f, ha 7 orbitali poiché ml = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 (7 numeri, 7 orbitali).
Detto questo, è facile capire qual è la relazione tra la configurazione elettronica e la posizione degli elementi nella tavola periodica. Le proprietà chimiche di un atomo sono influenzate dagli elettroni che ruotano nell’orbitale più esterno, il cosidetto guscio di valenza. Se ci si muove da un elemento più leggero verso uno più pesante lungo un gruppo, crescono sia la distanza media dal nucleo che il livello di energia. Infatti, aumenta il numero quantico principale n.
Se hai bisogno di ripassare o vuoi approfondire, leggi anche La tavola periodica e le proprietà degli elementi.
Come si fa la configurazione elettronica degli elementi
Innanzitutto, devi sapere come si rappresenta la configurazione elettronica. Per scrivere la configurazione elettronica, si usano dei quadratini con dentro massimo due frecce che rappresentano gli elettroni. Le frecce sono disegnate in modo verticale con la punta verso l’alto o il basso.
Ogni orbitale è identificato da una sigla formata da un numero e da una lettera:
- il numero indica il numero quantico principale
- la lettera identifica il tipo di orbitale, dettato dal numero quantico secondario
Per fare la configurazione elettronica degli elementi si applicano 3 regole:
- il principio di Aufbau o principio della costruzione progressiva, secondo cui vanno occupati prima gli orbitali a bassa energia e a seguire, in ordine crescente, tutti gli altri;
- il principio di esclusione di Pauli, già spiegato sopra, in base al quale ogni orbitale contiene massimo due elettroni di spin opposto;
- la regola di Hund che ci dice che quando si presentano più orbitali con identico numero e lettera (dello stesso tipo), prima si inserisce un elettrone in ogni orbitale e poi si procede a riempire gli orbitali semipieni.
Quindi, lo schema della diagonale ha 7 livelli di energia crescenti e al massimo 4 tipi di sottolivelli isoenergetici:
- s con massimo 2 elettroni
- p con massimo 6 elettroni
- d con massimo 10 elettroni
- f con massimo 14 elettroni
Ricorda sempre: ogni singolo orbitale, qualsiasi tipo esso sia, contiene al massimo due elettroni.
In base alle 3 regole viste sopra, per compilare la diagonale si parte dal livello di energia più basso, 1s, con un solo orbitale. Riempito il primo orbitale, si passa al secondo livello di energia dove si trovano i sottolivelli 2s e 2p. All’interno di ogni sottolivello, si procede prima inserendo un elettrone per orbitale con spin uguale e poi il secondo. E così via.
Per cui l’ordine di riempimento degli orbitali è:
1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d
Esempio: configurazione elettronica ossigeno
Qual è la configurazione elettronica dell’ossigeno?
L’ossigeno ha numero atomico Z = 8. Per cui in base alle 3 regole scritte sopra e all’ordine di riempimento degli orbitali, la configurazione è la seguente, dove l’esponente indica il numero di elettroni per orbitale:
1s2 2s2 2p4
Esempio: configurazione elettronica carbonio
La configurazione elettronica del carbonio è la seguente:
1s2 2s2 2p2
Il carbonio ha numero atomico Z = 6. Quindi, i primi due elettroni riempiono 1s e i successivi 2 vanno a riempire 2s. Rimangono 2 elettroni, per cui il carbonio ha due orbitali 2p semipieni.
Esempio: configurazione elettronica calcio
Come si dispongono gli elettroni negli orbitali del calcio? Il numero atomico del calcio è Z = 20. Di conseguenza, la configurazione elettronica del calcio è:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2
Fai anche gli esercizi sulla configurazione elettronica in compagnia della nostra tutor di chimica.
Guarda la videolezione sulla configurazione elettronica.
Immagine in evidenza di Elchinator da Pixabay
