Laboratorio di chimica in casa/La configurazione elettronica

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Solar sys.jpg

Come detto in precedenza, gli atomi sono in grado di interagire fra loro legandosi a formare quei reticoli che costituiscono "il telaio" delle sostanze chimiche, ma sono gli elettroni che tessono tale infrastruttura: il modo in cui essi tengono insieme i nuclei atomici tramite la rispettiva attrazione elettrica dà vita ad un materiale con proprietà caratteristiche (colore, durezza, solubilità, ...), ma visto che i protoni non possono fare altro che rimanere legati ai neutroni nel nucleo, è dunque conoscendo il comportamento degli elettroni che si potranno spiegare e sfruttare le leggi che governano la materia.

La prima regola dice che possono orbitare attorno al nucleo un numero massimo di elettroni a seconda della loro energia. Per usare una similitudine, gli elettroni si troveranno divisi in "zone" come i pianeti del sistema solare, che dopo Venere vengono improvvisamente divisi da una fascia di asteroidi trovandosi divisi da una anomala distanza.
Raggiunto un numero massimo di elettroni per un certo livello, gli elettroni di atomi con un numero atomico superiore si troveranno ad orbitare molto più distanti da quelli precedenti.

L'immagine rappresenta i livelli che possono formarsi attorno ad un nucleo atomico. Il primo può contenere due elettroni, così gli atomi con 1 e 2 protoni avranno gli elettroni nello stesso livello. Quelli dopo, dal 3 al 10 avranno i loro elettroni (massimo 8) nel livello 2, e così vale per gli elementi dall'11 al 18. Il quarto livello (ed il quinto) possono contenerne invece un massimo di 18.
La tavola periodica è suddivisa in righe e colonne proprio in base a questa caratteristica:[1]
Periodic table simple it bw (LCC 1).png
Ogni riga è uno di questi livelli, mentre le colonne rappresentano il numero di elettroni nell'ultimo livello. Il numero di elettroni che possono orbitare in un determinato livello è pari al numero di casella dell'ultimo elemento della riga. Il numero totale di elettroni che orbitano attorno a un atomo di un certo elemento è uguale al suo numero atomico.
Periodic table simple it bw (LCC 2).png

La seconda regola è una precisazione della metafora usata in precedenza. Gli elettroni non ruotano attorno al nucleo seguendo orbite ellittiche, come fanno i pianeti, ma all'interno di ogni livello energetico gli elettroni orbitano in "zone preferenziali" chiamate orbitali. Il numero di queste zone cambia a seconda del livello.[2]
In questa immagine vengono schematizzati i livelli con i rispettivi orbitali:

Struttura elettronica.png

La terza ed ultima legge dice che in queste camere gli elettroni tendono ad accoppiarsi prima di passare al livello energetico successivo. Per esempio, nel secondo livello (in verde) ci sono quattro orbitali. Questi quattro orbitali possono ospitare 8 elettroni. I primi elementi cui corrisponde quel livello, litio (Li), berillio (Be), boro (B) e carbonio (C) avranno un solo elettrone all'interno di queste camere.[3] Essi tendono infatti a rimanere separati perché respinti dalle loro cariche di segno uguale. Nei successivi quattro elementi cioè azoto (N), ossigeno (O), fluoro (F) e neon (Ne) gli elettroni, uno alla volta, tendono ad occupare l'altra metà delle quattro camere in cui è già presente un elettrone. E così ogni livello energetico può contenere il doppio di elettroni rispetto al numero delle camere in esso presenti.

Ecco rappresentati gli atomi dei primi tre periodi con i rispettivi elettroni e livelli:
Idrogeno.png
Idrogeno
Elio Lewis.png
Elio
Litio.png
Litio
Berillio.png
Berillio
Boro Lewis.png
Boro
Carbonio.png
Carbonio
Azoto.png
Azoto
Ossigeno.png
Ossigeno
Fluoro Lewis.png
Fluoro
Neon lewis.png
Neon
Sodio.png
Sodio
Magnesio.png
Magnesio
Alluminio Lewis.png
Alluminio
Silicio lewis.png
Silicio
Fosforo.png
Fosforo
Zolfo.png
Zolfo
Cloro Lewis.png
Cloro
Argon Lewis.png
Argon
1leftarrow.png Modulo precedente

La struttura degli atomi

1uparrow.png Torna a

Parte introduttiva

1rightarrow.png Modulo successivo

Le leggi di combinazione degli elementi

Note[modifica]

  1. Una tavola periodica completa stampabile è disponibile qui.
  2. Il motivo di questo sta ne fatto che gli oggetti piccoli e veloci come gli elettroni non seguono le leggi di fisica classica che governa gli oggetti fisici del mondo macroscopico, ma quelle studiate dalla meccanica quantistica, totalmente diverse da quelle del mondo ordinario.
  3. In verità anche questi orbitali sono di tipi diversi, e gli elettroni tendono ad occupare tutti quelli di un tipo, poi quelli di un altro fino a completare il livello. Tuttavia questi dettagli non sono necessari per l'utilizzo di questo manuale. Per approfondire si legga Chimica per il liceo.