Gli atomi: il mondo quantico
La struttura degli atomi multielettronici
1.1 Come determinare la configurazione elettronica dello stato fondamentale degli atomi
Il fondamento concettuale
Gli elettroni occupano gli orbitali in modo da rendere minima l’energia totale dell’atomo, massime le attrazioni e minime le repulsioni, in accordo con il principio di esclusione di Pauli e la regola di Hund.
Il procedimento
Per assegnare la configurazione dello stato fondamentale a un elemento di numero atomico Z applichiamo i criteri che seguono.
- Aggiungiamo Z elettroni, uno dopo l’altro, agli orbitali nell’ordine illustrato dalle figure 1.33 e 1.38, associando non più di due elettroni a ogni orbitale (principio di esclusione di Pauli).
- Se in un dato sottolivello si dispone di più di un orbitale, aggiungiamo gli elettroni a orbitali distinti del sottolivello in esame prima di occupare completamente uno stesso orbitale (regola di Hund).
- Identifichiamo con lettere dell’alfabeto gli orbitali secondo energia crescente, con un apice che indichi il numero degli elettroni associati all’orbitale in esame. La configurazione di un livello completo si rappresenta con il simbolo del gas nobile dotato di quella configurazione, come in [He] per 1s2.
- Nel realizzare il diagramma a scatola rappresentiamo gli elettroni dei vari orbitali di uno stesso sottostrato con gli spin paralleli; gli elettroni che condividono lo stesso orbitale hanno spin contrapposti.
Il procedimento descritto fornisce la configurazione elettronica dello stato fondamentale; qualunque altro assetto corrisponderà a uno stato eccitato. Si noti che la struttura della tavola periodica consente di prevedere la configurazione elettronica della maggior parte degli elementi una volta chiarito quali orbitali si riempiono in ciascun blocco della tavola (vedi figura 1.38).
Una scorciatoia utile, nel caso di elementi dotati di un grande numero di elettroni, consiste nel dedurre la configurazione dal numero del gruppo, che individua il numero degli elettroni di valenza nello stato fondamentale dell’atomo, e dal numero del periodo, che individua il valore del numero quantico principale dello strato di valenza. Il nocciolo sarà costituito dalla configurazione del gas nobile che precede, insieme con gli eventuali sottostrati d e f completi.
L’esempio 1.5 illustra l’applicazione dei criteri indicati e, in particolare, quella della scorciatoia.
ESEMPIO 1.5
Determinare la configurazione elettronica dello stato fondamentale di un atomo pesante
Determina la configurazione elettronica dello stato fondamentale di (a) un atomo di vanadio; (b) un atomo di piombo.
Previsione
Per il vanadio, elemento del blocco d, ci si aspetta un sottolivello d parzialmente occupato. Per il piombo ci si aspetta una configurazione degli elettroni di valenza simile a quella del carbonio (s2p2), poiché i due elementi appartengono allo stesso gruppo.
Strategia
Si segue il procedimento illustrato nella scheda «In pratica» 1.1.
Risoluzione
(a) Il vanadio appartiene al periodo 4, quindi possiede il nocciolo dell’argon. Si aggiungono due elettroni nell’orbitale 4s e poi gli ultimi tre elettroni vanno in altrettanti orbitali 3d
(b) Il piombo appartiene al gruppo 14/IV e al periodo 6, perciò avrà quattro elettroni nello strato di valenza, due in un orbitale 6s e altri due in orbitali 6p distinti. L’atomo possiede sottolivelli 5d e 4f completi, e il gas nobile che precede è lo xenon.
Conclusione
Come previsto, il vanadio presenta il sottolivello d incompleto e la configurazione elettronica esterna del piombo è analoga a quella del carbonio.
