Configurazione elettronica degli atomi

La configurazione elettronica è un metodo usato nella Chimica per descrivere la disposizione degli elettroni negli orbitali. Per le nozioni di atomo, orbitale, Principio di Esclusione, Principio di Indeterminazione, numero quantico e spin, necessarie per la comprensione di questa lezione, si rimanda alle precedenti.

Ordine di riempimento degli orbitali

Nel riempire gli orbitali, gli elettroni cercano di trovarsi nello stato a minore energia, quindi più stabile. Questa regola è detta Principio dell'Aufbau. L'energia di un orbitale è ricavabile dalla somma del numero quantico principale n e del numero quantico angolare l. A parità di energia viene prima l'orbitale con numero quantico principale minore. In questo modo non si ottiene una quantità misurabile di energia, ma un orbitale con somma n+l minore di un altro avrà minore energia e viceversa. In questo modo l'orbitale 1s avrà n+l = 1 poiché ha n = 1 e l = 0. Un orbitale 2s avrà 2, un orbitale 2p avrà 3 e così via. Ordinandoli fino ad n = 4 :

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 4d 4f

Da questo deduciamo che gli elettroni andranno prima a riempire orbitali a livelli più alti ma con minore energia, per poi "tornare indietro" a riempire i restanti.

Rappresentazione degli orbitali

Un orbitale viene rappresentato da un quadratino. Se gli orbitali sono dello stesso tipo, si avranno più quadratini attaccati. Ad esempio, per n = 3 (con n numero quantico principale) avremo 1 orbitale s rappresentato da un solo quadratino, tre orbitali p rappresentati da 3 quadratini attaccati e 5 orbitali d rappresentati da 5 quadratini attaccati:

Ogni freccetta rappresenta un elettrone. Il verso della freccia rappresenta lo spin. Per il Principio di Esclusione di Pauli, ogni orbitale può contenere al massimo due elettroni che devono avere numero quantico di spin diverso. Il resto è stato disegnato applicando la Regola di Hund: gli elettroni occupano prima tutti gli orbitali di un certo tipo (s, p, ...). Occupano prima tutti quelli vuoti, disponendosi con spin parallelo (come si può vedere nell'orbitale d della figura). Successivamente vanno ad occupare quelli in cui sono già presenti atomi, disponendosi con spin opposto (orbitale d della figura). Se tutti gli orbitali sono occupati, passano al gruppo successivo.

Configurazione elettronica scritta di un atomo

Vediamo questa parte direttamente con un esempio. Prendiamo l'atomo di sodio (Na), con numero atomico pari a 11. Un atomo elettricamente neutro con numero atomico pari a 11 contiene 11 protoni e 11 elettroni, per cui dovremo disporre negli orbitali 11 elettroni. Ricordiamo che in ogni gruppo di orbitali (s, p, ...) è possibile inserire un numero di elettroni pari al doppio del numero degli orbitali (come abbiamo visto sopra). Per cui nel gruppo s sarà possibile inserire 2 elettroni, nel gruppo p 6 e così via. Inseriamo gli elettroni negli orbitali secondo l'ordine. Se necessario le prime volte possiamo rappresentare gli orbitali tramite quadratini.

1s² 2s² 2p⁶ 3s¹

Il numero sopra non è l'esponente di una potenza ma indica il numero di elettroni presenti. Nell'ultimo ce n'è solo uno poiché ne era rimasto solo 1 da disporre. L'ultimo livello è sottolineato e viene detto guscio esterno o livello esterno.