Gli atomi: il mondo quantico
L’atomo di idrogeno
1.11 La struttura elettronica dell’idrogeno
Ritorniamo a quanto sappiamo a proposito dell’atomo di idrogeno immaginando quel che succede al suo elettrone quando l’atomo acquista energia. Inizialmente l’elettrone si trova nel suo livello energetico più basso, lo stato fondamentale dell’atomo, con n = 1. L’unico orbitale dotato di tale energia è l’1s; si dice quindi che l’elettrone occupa un orbitale 1s, o che è un «elettrone 1s». Nello stato fondamentale dell’atomo di idrogeno l’elettrone è descritto dai seguenti valori dei quattro numeri quantici:
L’elettrone potrà avere l’uno o l’altro stato di spin.
Quando l’atomo acquista l’energia sufficiente (assorbendo, per esempio, un fotone di radiazione) da permettere al suo elettrone di raggiungere il livello con n = 2, l’elettrone potrà occupare uno qualsiasi dei quattro orbitali di quel livello. In tale strato esistono un orbitale 2s e tre orbitali 2p, che nell’idrogeno sono caratterizzati tutti dalla stessa energia. Quando l’elettrone è descritto da una di tali funzioni d’onda, diciamo che «occupa» un orbitale 2s o uno dei tre orbitali 2p, oppure che esso è un elettrone 2s o un elettrone 2p. La distanza media che separa l’elettrone dal nucleo quando occupa un orbitale dello strato n = 2 è maggiore rispetto a quando si trova nello strato con n = 1, per cui si può pensare che l’atomo incrementi la propria dimensione con l’aumentare dell’energia acquistata. Se l’atomo acquista energia ancora maggiore, l’elettrone potrà passare allo strato n = 3, e l’atomo risulterà ancora più grande. In tale strato l’elettrone sarà in grado di occupare uno qualunque dei nove orbitali (un orbitale 3s, tre orbitali 3p, cinque orbitali 3d). Un ulteriore aumento di energia allontanerebbe ulteriormente l’elettrone dal nucleo, per esempio fino allo strato n = 4, dove sono disponibili 16 orbitali (un orbitale 4s, tre orbitali 4p, cinque orbitali 4d e sette orbitali 4f ). Infine, la quantità di energia assorbita può essere tale da consentire all’elettrone di svincolarsi completamente dal nucleo abbandonando l’atomo.
Concetto chiave
Lo stato dell’elettrone nell’atomo di idrogeno è definito dai quattro numeri quantici n, l, ml e ms ; all’aumentare del valore di n aumentano anche le dimensioni dell’atomo.
prova tu
Prova tu
I tre numeri quantici dell’elettrone in un certo stato dell’atomo di idrogeno sono n = 4, l = 2 e ml = -1 . In quale tipo di orbitale si colloca l’elettrone? [Risposta: 4d ]
I tre numeri quantici dell’elettrone in un certo stato dell’atomo di idrogeno sono n = 3, l = 1 e ml = -1 . In quale tipo di orbitale si colloca l’elettrone?
