Configurazione elettronica

1

Introduzione

Configurazione elettronica In fisica e in chimica, la disposizione degli elettroni nei livelli energetici dell’atomo. Determina le proprietà chimiche e fisiche dell'atomo ed è definita da parametri numerici specifici, detti numeri quantici, e da precise regole di riempimento, contemplate dalla meccanica quantistica.

2

Numeri quantici e livelli energetici

I quattro numeri quantici definiscono lo stato energetico degli elettroni atomici e la loro posizione nello spazio che circonda il nucleo. Secondo il modello oggi riconosciuto, la nube elettronica dell’atomo è organizzata in livelli energetici successivi, ognuno dei quali contrassegnato da un valore diverso del numero quantico principale n. Il primo livello che si incontra partendo dal nucleo e procedendo verso l’esterno è quello che corrisponde a n = 1. A esso compete l’energia più alta in valore assoluto; seguono i livelli n = 2, n = 3 ecc.

Ogni livello energetico principale è suddiviso poi in sottolivelli di energia leggermente differente, detti orbitali. Esistono diversi tipi di orbitale (s, p, d, f ecc.), ciascuno caratterizzato da un differente valore del numero quantico orbitale, l. A sua volta, ogni orbitale può comprendere più sottolivelli distinti, ciascuno identificato da un valore diverso del numero quantico azimutale, m. Infine, esiste un quarto e ultimo numero quantico, detto di spin, che definisce lo stato di magnetizzazione dell’elettrone e da cui dipende il numero di elettroni che ciascun sottolivello può contenere.

3

Le regole di riempimento

La distribuzione degli elettroni nei diversi livelli e sottolivelli di un atomo dipende da due regole fondamentali. Una di queste afferma che gli elettroni procedono in modo ordinato nel riempimento degli orbitali a disposizione, partendo da quello più vicino al nucleo (n = 1) e procedendo via via con i livelli successivi. Non viene riempito un orbitale se non sono occupati tutti i posti disponibili nel livello precedente. In realtà, questa regola vale strettamente soltanto nei primi livelli; a partire da n = 4 si osservano delle anomalie, che portano, ad esempio, al riempimento dell’orbitale 4s prima dei 3d.

L’altra regola fondamentale è il principio di esclusione di Pauli: ogni orbitale può contenere al più 2 elettroni, uno con spin +1/2 e l’altro con spin –1/2. Ad esempio, in un atomo a tre elettroni, quale è il litio, i primi due elettroni riempiono il primo orbitale (1s), mentre il terzo deve occupare necessariamente uno dei due posti disponibili nel primo orbitale del secondo livello (2s). La configurazione elettronica complessiva del litio, quindi, in forma simbolica si può rappresentare con la scrittura “1s²2s¹”, dove i numeri scritti a esponente indicano il numero di elettroni presenti nel relativo orbitale.

4

Un esempio: la configurazione elettronica del nichel

Il nichel è l’elemento di numero atomico Z = 28. I suoi 28 elettroni sono distribuiti negli orbitali intorno al nucleo come segue.

Nel primo livello, n = 1, trovano collocazione due elettroni, che occupano l’unico orbitale presente, di tipo s (l = 0). La configurazione di questo primo livello, quindi, si può scrivere come “1s²”.

Il secondo livello, n = 2, comprende l’orbitale s e tre orbitali p (l = 1). Ogni orbitale contiene 2 elettroni, per un totale di 8 elettroni in tutto il livello. In forma simbolica, la configurazione elettronica del secondo livello si scrive allora “2s²2p⁶”.

Il terzo livello, oltre all’orbitale s e ai tre orbitali p, contiene anche i 5 orbitali d (l = 2). Come specificato sopra, tuttavia, prima di essi si riempie l’orbitale 4s; rimangono 8 elettroni, che trovano collocazione nell’orbitale 3d. In sintesi, la configurazione elettronica del nichel risulta, complessivamente: “1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d^8”.