Configurazione elettronica
IL la distribuzione degli elettroni all'interno di un atomo o di una molecola viene definita 'configurazione elettronica', che definisce i livelli energetici e gli orbitali occupati dagli elettroni. Il numero atomico di un elemento, che è equivalente al numero di protoni nel nucleo dell'atomo, determina la configurazione elettronica dell'elemento.
La quantità di elettroni in ciascun livello e sottolivello è tipicamente rappresentata da una sequenza di numeri e lettere, come 1s 2s22p6, quando si descrive la configurazione elettronica di un atomo. Il numero quantico principale, che è correlato al livello energetico o guscio dell'elettrone, è rappresentato dal primo numero della sequenza. Il numero quantico del momento angolare determina quale lettera dopo il numero quantico principale denota il subshell o orbitale dell'elettrone.
Un diagramma orbitale o diagramma del guscio elettronico, che mostra la disposizione degli elettroni all'interno dei livelli energetici e degli orbitali dell'atomo, può essere utilizzato anche per rappresentare la configurazione elettronica di un atomo. Ogni orbitale è simboleggiato da una scatola o da un cerchio in un diagramma orbitale, e ogni elettrone è simboleggiato da una freccia che va verso l'alto o verso il basso per denotarne la rotazione.
La struttura elettronica di un atomo gioca un ruolo significativo nel determinare molte delle caratteristiche chimiche e fisiche dell'elemento. Ad esempio, la reattività di un atomo, le caratteristiche di legame e la capacità di prendere parte alle reazioni chimiche sono tutte influenzate dalla quantità e dalla disposizione dei suoi elettroni. La quantità di energia necessaria per estrarre un elettrone da un atomo è nota come energia di ionizzazione, che è determinata anche dalla configurazione elettronica dell'atomo.
La posizione di un elemento nella tavola periodica, che è un elenco di elementi disposti in ordine crescente di numero atomico, può essere prevista anche utilizzando la configurazione elettronica dell'elemento. La tavola periodica raggruppa elementi che hanno configurazioni elettroniche comparabili e proprietà equivalenti.
Il principio di esclusione di Pauli, che afferma che in un atomo non possono esistere due elettroni con lo stesso insieme di numeri quantici, determina la configurazione elettronica di un atomo. Di conseguenza, ciascun elettrone in un atomo deve abitare un livello energetico e un orbitale distinti, e ciascun orbitale può ospitare solo una coppia di elettroni con spin opposto.
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Vari metodi spettroscopici possono essere utilizzati per stabilire direttamente la configurazione elettronica di un atomo. Ad esempio, la configurazione elettrica di un atomo nel suo stato fondamentale può essere determinata utilizzando lo spettro di emissione di un elemento, e i livelli energetici degli elettroni nell'atomo possono essere determinati utilizzando lo spettro di assorbimento dell'elemento.
In conclusione, la configurazione elettronica di un atomo è una componente fondamentale della sua struttura e influenza alcune delle sue caratteristiche chimiche e fisiche. Il numero atomico di un elemento determina la sua configurazione elettronica, che può essere rappresentata come una serie di numeri e simboli, un diagramma orbitale o un diagramma del guscio elettronico. Il principio di esclusione di Pauli, che può essere trovato sperimentalmente utilizzando metodi spettroscopici, detta la configurazione elettronica di un atomo.
Le configurazioni elettroniche sono utili per:
- Capire la valenza di un elemento.
- Predire le caratteristiche di un gruppo di elementi (le proprietà di elementi con configurazione elettronica simile sono spesso identiche).
- Analisi dello spettro atomico.
Come scrivere la configurazione elettronica
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In base al numero quantico principale si può calcolare il maggior numero di elettroni che possono stare in un guscio (n). La formula è 2n2, dove n è il numero della shell. Le tabelle seguenti elencano i gusci, i valori n e il numero complessivo di elettroni che possono adattarsi.
| Shell e valore 'n' | Numero massimo di elettroni presenti nel guscio |
|---|---|
| Guscio K, n=1 | 2*12= 2 |
| Guscio L, n=2 | 2*22= 8 |
| M guscio, n=3 | 232= 18 |
| N guscio, n=4 | 2*42= 32 |
Sottoshell
- Il numero quantico azimutale (rappresentato dalla lettera 'l') determina i sottolivelli in cui sono divisi gli elettroni.
- Il valore del numero quantico principale, n, determina il valore di questo numero quantico. Di conseguenza, ci sono quattro sottoshell distinte che possono esistere quando n è uguale a 4.
- Quando n=4. Le sottoshell s, p, d e f sono le sottoshell corrispondenti rispettivamente per l=0, l=1, l=2 e l=3.
- L'equazione 2*(2l+1) indica quanti elettroni può contenere un sottolivello nella sua capacità massima.
- Pertanto, il maggior numero di elettroni che possono entrare nei sottolivelli s, p, d e f sono rispettivamente 2, 6, 10 e 14.
Notazione
- Utilizzando le etichette del subshell, viene descritta la configurazione elettronica di un atomo. Queste etichette includono il numero della sottoshell e il numero della shell, che è determinato dal numero quantico principale.
- la designazione (fornita dal numero quantico azimutale) e, in apice, il numero totale di elettroni nella sottozona.
- Ad esempio, la notazione sarebbe '1s'.2' se ci fossero due elettroni nel sottolivello s del primo livello.
- La configurazione elettronica dell'alluminio (numero atomico 13) può essere espressa come 1s22s22p63s23 p1utilizzando queste etichette della subshell.
Il principio di Aufbau, il principio di esclusione di Pauli e la regola di Hund vengono utilizzati per riempire gli orbitali atomici. Queste linee guida aiutano a decidere come gli elettroni occupano gli orbitali accessibili.
Principio della struttura:
Secondo il principio Aufbau gli elettroni occupano gli orbitali nella direzione dell’energia crescente. Ciò indica che prima di riempire gli orbitali a energia più alta, gli elettroni riempiranno prima quelli a energia più bassa. La tavola periodica può essere utilizzata per determinare i livelli energetici degli orbitali in ordine. Le etichette per gli orbitali sono una combinazione di lettere e numeri: la lettera denota la forma orbitale o sottolivello (s, p, d, f), e il numero denota il numero quantico principale (n), che definisce il livello energetico dell'orbitale. orbitale.
Principio di esclusione di Pauli:
Secondo il principio di esclusione di Pauli, in un atomo non possono esistere due elettroni che abbiano lo stesso insieme di quattro numeri quantici (n, l, ml e ms). Il maggior numero di elettroni che possono stare in ciascun orbitale è due e devono avere spin opposti.
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Regola del cane:
Secondo la regola di Hund, gli elettroni occuperanno prima orbitali separati con lo stesso spin quando riempiono orbitali degeneri (orbitali con la stessa energia). Di conseguenza, gli elettroni negli orbitali degeneri tenteranno costantemente di massimizzare il loro spin totale.
L'ordine di riempimento degli orbitali atomici può essere stabilito utilizzando questi principi.
Gli orbitali vengono riempiti nel seguente ordine:
- 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p e così via
- Prendiamo come esempio il caricamento del carbonio per dimostrarlo (numero atomico 6). Nel carbonio sono presenti sei elettroni e occuperanno gli orbitali accessibili nel modo sopra indicato.
- L'orbitale 1 sarà riempito dai primi due elettroni. L'orbitale 2s sarà riempito dai successivi due elettroni. Due dei tre possibili orbitali 2p saranno occupati da un elettrone ciascuno dai restanti due elettroni. Il carbonio ora ha la struttura elettronica 1s22s22p2.
In conclusione, il principio di Aufbau, il principio di esclusione di Pauli e la regola di Hund controllano tutti il modo in cui si riempiono gli orbitali atomici. Ogni elemento ha una diversa configurazione di elettroni come risultato di queste regole, che aiutano a determinare l'ordine in cui gli elettroni occupano gli orbitali disponibili.
Configurazione elettronica dei primi 30 elementi, in ordine crescente di numero atomico:
| Si No | Elementi | Configurazione elettronica |
|---|---|---|
| 1 | Idrogeno | 1 secondo1 |
| 2 | Elio | 1 secondo2 |
| 3 | Litio | 1 secondo22s1 |
| 4 | Berillio | 1 secondo22s2 |
| 5 | Boro | 1 secondo22s22p1 |
| 6 | Carbonio | 1 secondo22s22p2 |
| 7 | Azoto | 1 secondo22s22p3 |
| 8 | Ossigeno | 1 secondo22s22p4 |
| 9 | Fluoro | 1 secondo22s22p5 |
| 10 | Neon | 1 secondo22s22p6 |
| undici | Sodio | 1 secondo22s22p63s1 |
| 12 | Magnesio | 1 secondo22s22p63s2 |
| 13 | Alluminio | 1 secondo22s22p63s23 p1 |
| 14 | Silicio | 1 secondo22s22p63s23 p2 |
| quindici | Fosforo | 1 secondo22s22p63s23 p3 |
| 16 | Zolfo | 1 secondo22s22p63s23 p4 |
| 17 | Cloro | 1 secondo22s22p63s23 p5 |
| 18 | Argon | 1 secondo22s22p63s23 p6 |
| 19 | Potassio | 1 secondo22s22p63s23 p64s1 |
| venti | Calcio | 1 secondo22s22p63s23 p64s2 |
| ventuno | Scandio | 1 secondo22s22p63s23 p64s23d1 |
| 22 | Titanio | 1 secondo22s22p63s23 p64s23d2 |
| 23 | Vanadio | 1 secondo22s22p63s23 p64s23d3 |
| 24 | Cromo | 1 secondo22s22p63s23 p64s13d5 |
| 25 | Manganese | 1 secondo22s22p63s23 p64s23d5 |
| 26 | Ferro | 1 secondo22s22p63s23 p64s23d6 |
| 27 | Cobalto | 1 secondo22s22p63s23 p64s23d7 |
| 28 | Nichel | 1 secondo22s22p63s23 p64s23d8 |
| 29 | Rame | 1 secondo22s22p63s23 p64s13d10 |
| 30 | zinco | 1 secondo22s22p63s23 p64s23d10 |
Ecco alcuni dei motivi per cui la configurazione elettronica è essenziale:
1. Reattività chimica
La reazione chimica di un atomo è determinata dalla sua configurazione elettronica. La configurazione elettronica è ciò che fa sì che le reazioni tra gli elementi diano origine ai composti. La facilità con cui un atomo può acquisire, perdere o condividere elettroni per formare legami chimici con altri atomi dipende dal numero e dalla disposizione degli elettroni nel livello energetico più esterno, noto come guscio di valenza. Ad esempio, per ottenere una configurazione stabile, gli elementi con uno o due elettroni nel loro guscio più esterno tendono a perdere quegli elettroni, mentre gli elementi con cinque, sei o sette elettroni nel loro guscio più esterno tendono ad acquisire quegli elettroni. Questo aiuta a prevedere i tipi di composti che i vari elementi possono creare.
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2. Proprietà di legame
I tipi di legami chimici che possono svilupparsi tra gli atomi sono determinati anche dalla loro configurazione elettronica. I legami covalenti si formano tipicamente tra atomi con configurazioni elettroniche comparabili, mentre i legami ionici si formano tipicamente tra atomi con configurazioni diverse. L'intensità e la stabilità dei legami chimici creati sono influenzate anche dalla configurazione elettronica. Ad esempio, i quattro elettroni di valenza nella configurazione elettronica dell'atomo di carbonio gli consentono di formare legami covalenti stabili con altri atomi di carbonio, il che si traduce nella creazione di un'ampia varietà di composti organici.
3. Proprietà fisiche
Le caratteristiche fisiche di un elemento, come i punti di fusione e di ebollizione, la densità e la conduttività, sono influenzate anche dalla sua struttura elettronica. Il numero di elettroni e il modo in cui sono disposti nel guscio di valenza determina la forza delle interazioni degli atomi, che influenza il comportamento fisico di un elemento. Ad esempio, poiché i loro elettroni liberi sono facilmente in grado di muoversi e condurre l’elettricità, i metalli hanno un’elevata conduttività elettrica e termica.
4. Tendenze periodiche
La tavola periodica è organizzata secondo l'andamento periodico perché è fondata sulla struttura elettronica degli atomi. Gli schemi regolari di varianza nelle proprietà degli elementi nella tavola periodica sono definiti trend periodici. I cambiamenti nella configurazione elettronica degli atomi e il loro impatto sulle dimensioni, sulla reattività e sulle caratteristiche di legame degli elementi possono essere utilizzati per comprendere queste tendenze.
In sintesi, la conoscenza della configurazione elettronica di un atomo è necessaria per comprenderne sia le caratteristiche molecolari che quelle fisiche. È essenziale per prevedere il comportamento chimico di un elemento e la capacità di combinarsi con altri elementi per creare composti. Comprendere la configurazione elettronica aiuta anche a spiegare i modelli periodici e le differenze nelle proprietà elementali nella tavola periodica.