CAPITOLO
Gli elettroni nell’atomo e il sistema periodico
6
Indice
1. La luce come onda
2. Gli spettri di emissione degli atomi
3. Il modello di Bohr dell’atomo d’idrogeno
4. Il modello atomico a strati
5. Elettroni nei sottolivelli (il modello a orbitali)
6. Configurazione elettronica con il modello a orbitali
7. La tavola periodica di Mendeleev
8. La tavola periodica moderna
9. Energia di ionizzazione
10. I gruppi della tavola periodica
11. I periodi
© Paolo Pistarà
© Istituto Italiano Edizioni Atlas
1
1 La luce come onda
CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
E IL SISTEMA PERIODICO
La luce, secondo la teoria classica, è un movimento ondulatorio di un campo elettrico
e di un campo magnetico che si propagano nello spazio.
La luce è un tipo di radiazione elettromagnetica.
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CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
1 La luce come onda
E IL SISTEMA PERIODICO
I parametri che caratterizzano un’onda elettromagnetica sono:
La lunghezza d’onda () si misura in nm.
La frequenza () si misura in secondi1 o in hertz (hz).
L’ampiezza (A).
La velocità (c) nel vuoto è pari a 3,0 108 m/s.
c=
=
c
da cui
=
c
Pertanto e sono grandezze inversamente proporzionali.
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1 La luce come onda
CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
E IL SISTEMA PERIODICO
I colori che costituiscono i componenti della luce visibile sono evidenziati con il
fenomeno noto come “dispersione della luce”.
Dispersione della luce bianca: si ha formazione di uno spettro continuo.
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1 La luce come onda
CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
E IL SISTEMA PERIODICO
La luce visibile rappresenta solo una piccola porzione dello spettro elettromagnetico.
Lunghezza d’onda e frequenza dello spettro elettromagnetico. Il visibile costituisce una piccola
parte compresa tra 400 nm e 750 nm.
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2
CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
Gli spettri di emissione
degli atomi
E IL SISTEMA PERIODICO
Gli atomi delle sostanze
gassose emettono radiazioni
di lunghezza d’onda definita
e costante.
Gli atomi d’idrogeno emettono uno spettro caratteristico a righe nella
zona del visibile.
800
700
600
550
500
450
400
Spettro a righe di emissione dell’atomo di idrogeno su una lastra fotografica delle righe di Balmer, le sole visibili a
occhio nudo.
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3 Il modello di Bohr
dell’atomo d’idrogeno
CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
E IL SISTEMA PERIODICO
Le linee nere rappresentano i salti elettronici che si possono
verificare in un insieme di atomi d’idrogeno in seguito ad
assorbimento di energia.
Le linee colorate rappresentano le radiazioni
luminose che un insieme di atomi d’idrogeno
può emettere nel visibile (righe di Balmer).
Bohr, nel 1913, postulò che:
nell’atomo d’idrogeno l’elettrone si muove attorno al nucleo in orbite circolari di
determinata energia (energia quantizzata);
finché l’elettrone si muove in un’orbita permessa non emette energia;
quando un elettrone assorbe energia passa da un’orbita ad un’altra ad energia
maggiore;
segue
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3 Il modello di Bohr
dell’atomo d’idrogeno
CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
E IL SISTEMA PERIODICO
l’elettrone può passare da un’orbita ad
un’altra ad energia minore emettendo un
fotone di definita energia;
l’energia di un fotone, emesso o assorbito,
corrisponde alla differenza di energia tra due
orbite.
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4 Il modello atomico a strati
CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
E IL SISTEMA PERIODICO
L’energia per strappare da un atomo il primo elettrone è detta energia di 1a
ionizzazione.
Nel SI l’energia di ionizzazione si indica con EI ed è misurata in kJ/mol.
In figura è mostrato il processo di
ionizzazione del litio che presenta tre
protoni e tre elettroni.
ENERGIA DI IONIZZAZIONE. L’energia di 1a ionizzazione è l’energia necessaria per rimuovere un elettrone da un
atomo allo stato gassoso.
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4
Il modello atomico a strati
CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
E IL SISTEMA PERIODICO
È possibile allontanare più di un elettrone da un atomo, ma ciò richiede una
grande quantità di energia, maggiore rispetto a quella che serve per allontanare il
primo elettrone.
Nel caso del litio si hanno i seguenti valori:
Li
EI1 520
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Li+
EI2 7295
Li2+
EI3 11815 kJ/mol
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4 Il modello atomico a strati
CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
E IL SISTEMA PERIODICO
Energie di ionizzazione dell’atomo di sodio
Le energie di ionizzazione ci permettono
di rappresentare un primo modello
atomico, detto a gusci elettronici o
strati,
dove
gli
elettroni
sono
raggruppati in livelli di energia.
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Numero di
ionizzazione
EI
√ EI
1a
496
22,3
2a
4562
67,5
3a
6912
83,1
4a
9540
97,7
5a
13300
115
6a
16606
129
7a
20110
142
8a
25493
160
9a
28933
170
10a
141135
376
11a
159069
399
11
4 Il modello atomico a strati
CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
E IL SISTEMA PERIODICO
Disposizione
degli elettroni
nell’atomo di
sodio secondo
Bohr.
Grafico
della radice
quadrata di
ciascuna
delle 11
energie di
ionizzazione
del sodio in
funzione del
numero di
elettroni
rimossi.
Nell’atomo di sodio gli elettroni sono così distribuiti:
2 elettroni formano il primo livello, quello più vicino al nucleo, n = 1.
8 elettroni sono nel livello intermedio, n = 2.
1 elettrone, con la più bassa energia di ionizzazione, e pertanto più facile da allontanare,
si trova nel terzo livello, n = 3.
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4
Il modello atomico a strati
CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
E IL SISTEMA PERIODICO
Disposizione degli elettroni secondo Bohr per gli atomi degli elementi aventi numero atomico tra 1 e 18.
I livelli di energia, a loro volta, sono suddivisi in sottolivelli.
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Elettroni nei sottolivelli
(il modello a orbitali)
CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
E IL SISTEMA PERIODICO
Un orbitale definisce lo spazio attorno
al nucleo di un atomo in cui vi è una elevata
probabilità di trovare un elettrone.
Esistono 4 tipi di orbitale: s, p, d, f.
Gli orbitali vengono rappresentati con dei box.
Le frecce all’interno rappresentano gli elettroni.
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6 Configurazione elettronica
con il modello a orbitali
CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
E IL SISTEMA PERIODICO
La disposizione degli elettroni negli orbitali di un atomo prende il nome di
configurazione elettronica.
Negli atomi con più di un elettrone il riempimento degli orbitali atomici procede secondo
tre regole.
Regola della costruzione successiva:
gli elettroni occupano prima l’orbitale s a
più bassa energia e, quindi, gli orbitali
che seguono ad energia crescente.
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6 Configurazione elettronica
con il modello a orbitali
CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
E IL SISTEMA PERIODICO
Le frecce indicano l’ordine di
riempimento degli orbitali. Si inizia
dall’orbitale 1s e poi si procede
seguendo le frecce verso l’alto.
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6 Configurazione elettronica
con il modello a orbitali
CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
E IL SISTEMA PERIODICO
Regola del principio di esclusione di Pauli:
nessun orbitale atomico può contenere più di due elettroni; questi devono avere spin
opposti.
Ad esempio, la configurazione elettronica dell’atomo di elio si può raffigurare con due
diverse notazioni:
notazione box orbitale
notazione standard
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2 numero di elettroni
1s
tipo di orbitale
numero quantico principale
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CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
6 Configurazione elettronica
con il modello a orbitali
E IL SISTEMA PERIODICO
Regola di Hund:
se sono disponibili più orbitali aventi la stessa energia (orbitali diversi dello stesso
sottolivello), detti orbitali degeneri, gli elettroni si dispongono uno per ciascun orbitale
con la stessa direzione di spin.
Configurazione elettronica dell’azoto 7N:
3s
AZOTO N (Z = 7)
I tre elettroni dell’orbitale 2p si
dispongono secondo la regola
di Hund.
2p
2s
1s
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7
La tavola periodica
di Mendeleev
CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
E IL SISTEMA PERIODICO
La tavola periodica fu una delle grandi conquiste della chimica perché razionalizzò le
numerose informazioni già note sugli elementi chimici e sui loro composti.
Spetta al chimico russo Dmitrij Mendeleev il merito di aver stabilito che esiste una
relazione tra le proprietà degli elementi e le masse atomiche.
Disponendo gli elementi in ordine di massa atomica crescente, Mendeleev notò che si
presentavano proprietà fisiche e chimiche simili ogni otto o diciotto elementi.
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7
La tavola periodica
di Mendeleev
CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
E IL SISTEMA PERIODICO
Per rispettare tale periodicità, il chimico dispose gli elementi con proprietà simili in
colonne verticali.
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8 La tavola periodica
moderna
CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
E IL SISTEMA PERIODICO
La tavola periodica moderna è stata preparata disponendo gli elementi secondo il
numero atomico crescente e, quindi, in base al numero di elettroni dell’ultimo livello.
Il nome periodico deriva dal fatto che, periodicamente, s’incontrano elementi con
proprietà simili.
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8 La tavola periodica
moderna
CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
E IL SISTEMA PERIODICO
Una linea di demarcazione a “gradini” (linea rossa) permette di classificare gli elementi in tre categorie: metalli, non
metalli e semimetalli.
Ogni riga orizzontale è detta periodo e contiene
elementi le cui proprietà variano con continuità.
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Ogni colonna verticale della tavola è detta gruppo e
contiene elementi con proprietà simili.
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Energia di ionizzazione
CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
E IL SISTEMA PERIODICO
Il carattere periodico di alcune proprietà fisiche degli elementi riguarda l’energia di 1a
ionizzazione, l’affinità elettronica e il raggio atomico.
In ogni periodo della tavola periodica si riscontra un comportamento crescente
dell’energia di prima ionizzazione.
Grafico dell’energia di 1a
ionizzazione in funzione del
numero atomico per i primi 38
elementi.
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10 I gruppi della tavola
periodica
CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
E IL SISTEMA PERIODICO
In ciascun gruppo gli elementi hanno proprietà simili perché hanno lo stesso numero
di elettroni nel livello più esterno. Infatti sono gli elettroni del livello esterno, chiamati
elettroni di valenza, che partecipano ad una reazione con altri atomi.
Come esempio consideriamo gli elementi del
gruppo 1A, i metalli alcalini.
Le configurazioni elettroniche per Li, Na e K sono:
3Li
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1s2 2s1
11Na
1s2 2s2 2p6 3s1
19K
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1
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10 I gruppi della tavola
periodica
CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
E IL SISTEMA PERIODICO
Gli elementi del gruppo 1A tendono a perdere facilmente l’elettrone più esterno
trasformandosi in uno ione con una carica positiva.
Ad esempio:
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10 I gruppi della tavola
periodica
CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
E IL SISTEMA PERIODICO
Gli elementi del gruppo 7A, gli alogeni (non metalli), hanno sette elettroni nel livello più
esterno del tipo ns2 np5.
Questi elementi tendono ad acquistare
elettrone trasformandosi in ioni negativi.
un
Atomi o ioni che presentano la stessa
configurazione elettronica sono detti isoelettronici.
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CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO
11 I periodi
E IL SISTEMA PERIODICO
Nella tavola periodica si individuano sette periodi.
In ciascun periodo ogni elemento ha un elettrone in più rispetto a quello che lo
precede, per cui si ha una modificazione delle proprietà che passano con gradualità da
un carattere metallico (1A) ad uno non metallico (7A).
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
In figura sono rappresentati gli elementi del 3° periodo.
Tali elementi mostrano una modificazione delle proprietà.
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