A livello atomico, il mondo funziona secondo i principi della meccanica quantistica. La conoscenza delle informazioni di base sulla struttura dell'atomo è necessaria per una corretta comprensione della nostra realtà ed è la base per un ulteriore apprendimento del mondo della chimica e delle sue dipendenze.
L’atomo e la sua struttura
Le singole particelle che compongono la materia sono atomi. Tutto ciò che ci circonda sono atomi. Gli elementi sono la somma dei loro atomi: il ferro è fatto di atomi di ferro, il rame è fatto di atomi di rame, ecc. Quindi, in cosa consiste un atomo? La maggior parte di noi conosce la risposta: protoni caricati positivamente, elettroni caricati negativamente e neutroni senza alcuna carica. È questa la risposta corretta? Assolutamente sì, ma se osserviamo un atomo come fa un chimico, rispondiamo che l’atomo è costituito da due elementi fondamentali: il nucleo e la nuvola di elettroni circostante.
Nucleo atomico
Il nucleo dell’atomo ne è il centro e ne costituisce la parte più importante. È costituito da protoni (caricati positivamente) e neutroni (elettricamente neutri). Questi non sono componenti non divisibili. Sia i protoni che i neutroni hanno una struttura interna: sono fatti di particelle più piccole chiamate quark. Un protone è formato da due quark superiori e uno inferiore. Un neutrone, invece, ha un quark superiore e due quark inferiori nella sua struttura.
Nube di elettroni
Un atomo non ha un bordo chiaramente definito, ciò è dovuto alla presenza di una nuvola di elettroni. Una nuvola di elettroni è l’area con maggiore probabilità di presenza di un elettrone (importante: il percorso lungo il quale si muove l’elettrone non può essere determinato chiaramente. È possibile determinare solo la probabilità di trovarlo in diverse aree dello spazio). Una nuvola di elettroni è costituita da elettroni che orbitano attorno a un nucleo atomico. Proprio accanto al nucleo, la densità della nuvola di elettroni è la più alta, mentre più è lontana dal nucleo, più è diffusa la nuvola.
Descrizione quantistica dell’atomo
Lo stato di ogni elettrone in un atomo è descritto dalle funzioni d’onda. Le funzioni d’onda sono una soluzione matematica all’equazione di Schrödinger. A sua volta, questa equazione può essere risolta se vengono introdotte diverse condizioni di base. Per questo motivo sono stati utilizzati i numeri quantici. I numeri quantici che descrivono in modo univoco lo stato quantistico di ciascun elettrone in un dato atomo sono brevemente caratterizzati di seguito:
- numero quantico principale n :
è responsabile dell’energia dell’elettrone. Ha i valori di numeri naturali successivi. Può variare da 1 a infinito. In pratica, questo non è il caso e molto spesso n varia da 1 a 7. I livelli con lo stesso numero quantico principale sono chiamati guscio di elettroni.
- numero quantico azimutale l :
definisce le energie in modo più preciso. Il valore del numero quantico azimutale determina il subshell di un dato guscio atomico. La forma degli orbitali atomici dipende anche dal valore di questo numero. Il numero quantico azimutale ha valori da zero a ( n -1).
- numero quantico magnetico m :
il valore di un numero quantico magnetico dipende dal numero quantico azimutale. Il numero quantico magnetico m ha valori da –l a l (incluso 0). Grazie alla conoscenza del numero quantico magnetico, vengono determinate le posizioni reciproche degli orbitali nello spazio, il che fornisce informazioni sul numero di orbitali a un dato sottolivello.
- numero quantico di spin:
mentre si muovono attorno al nucleo atomico, gli elettroni si muovono anche attorno al proprio asse. Questo movimento è chiamato spin e il numero quantico di spin è associato ad esso. Ha solo due valori: + ½ e – ½. Ogni orbitale atomico può contenere due elettroni con diverso valore del numero quantico di spin. Quando si descrivono i numeri quantici, è impossibile non citare una delle leggi fondamentali della chimica, ovvero il principio di esclusione di Pauli . Secondo questo principio, un atomo non può contenere due elettroni con gli stessi numeri quantici. Gli elettroni nell’atomo devono differire in valore di almeno un numero quantico. 
Gusci di elettroni e subshell
Il nucleo atomico è circondato da una nuvola di elettroni in cui, con una certa probabilità, si può trovare un elettrone. Questi elettroni sono disposti su appositi gusci di elettroni. In poche parole, i gusci di elettroni sono livelli con lo stesso numero quantico principale n . Il guscio più lontano dal nucleo atomico è chiamato guscio di valenza : gli elettroni che orbitano su questo guscio sono chiamati elettroni di valenza (creano legami chimici tra atomi di elementi diversi o atomi dello stesso elemento). Ogni guscio di elettroni è identificato da una lettera. Quindi, per n = 1, la lettera è K, per n = 2 la lettera è L, ecc. (per n da 1 a 7, le lettere sono: da K a Q). Ciascuno dei gusci di elettroni in un atomo è costituito da subshell. Le subshell sono definite dai numeri quantici azimutali l . Sui subshell ci sono elettroni che hanno valori energetici uguali e definiti con precisione. Le subshell hanno anche una "capacità" specifica: possono contenere 2*(2* l +1), dove l è il numero quantico azimutale. Le subshell hanno anche le loro designazioni di lettere: s, p, d, f, g, h, ecc.
Configurazione elettronica
Per la corretta determinazione della configurazione elettronica in un atomo, è necessario conoscere l’ordine dei livelli di energia (l’ordine dei singoli subshell e shell in base al valore di energia crescente). La configurazione è solo l’assegnazione di singoli elettroni ai livelli di energia. Ci sono due stati energetici di un atomo: lo stato fondamentale e lo stato eccitato . Osserviamo lo stato fondamentale quando gli elettroni sono distribuiti sui singoli orbitali secondo le regole di espansione. Quindi ha l’energia più bassa. Se l’atomo riceve una certa quantità di energia, l’elettrone può essere trasferito dall’orbitale di energia inferiore all’orbitale libero di energia superiore, quindi stiamo parlando dello stato eccitato dell’atomo. Pertanto, per trovare la corretta configurazione elettronica di un atomo nello stato fondamentale, i singoli orbitali devono essere riempiti in base all’energia crescente, osservando il principio di esclusione di Pauli. Secondo questi principi, viene creata la cosiddetta notazione di configurazione completa con i numeri di shell successive, designazioni di lettere di subshell successive e una notazione del numero di elettroni in orbitali specifici. La notazione abbreviata della configurazione elettronica contiene inizialmente il nucleo sotto forma di una configurazione elettronica di un gas nobile, che è integrato dagli elettroni rimanenti.
