Tema -valutazione tra pari
Descrivere la costruzione della configurazione elettronica di un atomo
La costruzione ideale della struttura atomica (Aufbau o building-up) permette di determinare la
configurazione, ossia l'organizzazione nello spazio,degli elettroni di ogni specie atomica nel suo
stato fondamentale(atomo isolato,col minimo contenuto energetico).
L'elettrone è la carica elementare negativa (nell'H è presente al più un elettrone) di un elemento che
ne determina:
-le proprietà chimiche intrinseche
-il tipo di legame cui è predisposto l'elemento
-l'intensità con cui gli elettroni sono legati al nucleo(Energia di legame)
-l'energia elettronica totale.
Gli studi sul moto degli elettroni intorno al proprio nucleo approdano alla configurazione moderna
che si basa principalmente su due modelli.
Il modello atomico di Bohr
A Bohr si riconosce il merito di aver individuato il corretto assetto atomico che comprende un
nucleo carico positivamente attorno a cui gli elettroni(in numero pari alle cariche positive nucleari,
numero atomico=Z) “gravitano” , come in un microcosmo, su orbite con raggi quantizzati e relativa
energia quantizzata, ossia discreta.
Planck , tramite lo studio della radiazione del corpo nero, descrisse l'energia emessa da un corpo
nero secondo la relazione:
E=hν
in cui:
h è la costante di Planck (6,6262*10^-34 J*s)
ν è la frequenza della radiazione
Ciò permise di dedurre che l'energia emessa per lunghezze d'onda può assumere solo valori
discreti,i quanti,secondo nhv. Bohr applicò all'atomo di idrogeno la teoria dei quanti secondo cui il
momento angolare dell'elettrone assume valori discreti da 1 ad infinito(numero quantico principale).
Il modello quanto-meccanico
E' il modello attualmente valido, in cui si assume che l'elettrone abbia un comportamento
ondulatorio; se ne deduce che in un atomo gli elettroni non sono più descritti da orbite quantizzate,
bensì sono delocalizzati su orbitali, nubi elettriche in cui la probabilità di individuare l'elettrone è
pari al 95-99%. La densità e la forma di queste nubi è calcolabile dall'equazione d'onda di
Schrodinger da cui si ricavano tutte le possibili funzioni d'onda che descrivono il moto degli
elettroni intorno a un nucleo.
In entrambi i modelli ciascun elettrone dell'atomo è caratterizzato da quattro numeri quantici,
sebbene questo risultato sia solo una coincidenza. Infatti, mentre nella teoria atomica di Bohr ai
numeri quantici corrispondeva una realtà fisica, nel modello quanto-meccanico ai numeri quantici
corrispondono valori di probabilità fisicamente accettabili.
– il numero quantico principale=n esprime il valore dell'energia degli orbitali ad esso
corrispondenti per cui n=1,2,3,4...
– il numero quantico secondario o angolare(dipendente da n) determina la quantizzazione
dell'eccentricità degli orbitali e quindi la forma dell'ellisse che l'elettrone può percorrere e
assume valori l=0,1,2,3,4...(n-1)
– il numero quantico magnetico,non ha influenza in un atomo isolato né sull'energia né sulla
forma degli orbitali, ma sul loro reciproco orientamento in quanto l'elettrone di un atomo
percorrendo la sua orbita attorno al nucleo genera un campo magnetico; per un'orbita di
numero quantico angolare l assume valori m=-l...0...+l
– il numero quantico di spin è dato dal'ulteriore campo magnetico che l'elettrone genera
ruotando (oltre che intorno al nucleo) su se stesso orientandosi verso uno dei due poli
magnetici. Assume quindi, due valori
m(s)=+1/2, -1/2.
Il principio di esclusione di Pauli
Stabilito che sono 4 i numeri quantici necessari
per determinare lo stato di ciascun elettrone in un
atomo, il principio di esclusione di Pauli
stabilisce che in un atomo o in una molecola
costituita da più atomi non possono coesistere
due o più elettroni che abbiano i 4 numeri
quantici uguali.
Forme degli orbitali
Orbitali s.(l=0)
La distribuzione degli elettroni intorno al nucleo di un atomo con numero quantico principale n=0, è
sempre a simmetria sferica con massimo di densità a distanza diversa per ciascun valore di n e per
ciascuna specie atomica .
Orbitali p(l=1)
Gli orbitali p, possibili per ogni valore n maggiore o uguale a 2 sono di tre tipi poiché per l=1
esistono per m i tre valori m=1,0,-l.
Orbitali d(l=2)
Possibili solo per n maggiore o uguale a 3, sono di 5 tipi perchè ad l=2 corrispondono 5 valori di m,
come riportato in tabella.
Costruzione ideale di un atomo
La configurazione che gli elettroni assumono attorno al nucleo viene determinata in base ai seguenti
tre punti:
a) ogni elettrone aggiunto va ad occupare il più basso livello energetico fra quelli disponibili;
b)per il Principio di Pauli in un atomo non possono esistere due o più elettroni con i 4 numeri
quantici uguali;
c)per il principio di Hund gli elettroni si distribuiscono in modo da occupare il numero massimo
possibile di questi orbitali, con spin antiparalleli.
Per cui si individua il numero di protoni nucleari,gli elettroni saranno in numero uguale e si
completano gli orbitali seguendo le istruzioni dei punti a),b) e c) fino ad esaurire gli elettroni
disponibili.
Seguono le configurazioni di alcuni dei più comuni elementi della tavola periodica:
In base a tali osservazioni l'atomo di ferro (Fe) sarà rappresentato con il simbolismo 1s2,2s2,2p5 e
tale grafia indica che nell'atomo di ferro esistono 2 elettroni sull'orbitale 1s, 2 elettroni sull'orbitale
2s e 5 elettroni sugli orbitali 2p.
