La configurazione elettronica, o il modo in cui gli elettroni sono distribuiti in un atomo

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, ma se guardiamo un atomo come fa un chimico, rispondiamo che l’atomo è costituito da due elementi fondamentali: il nucleo e la nuvola di elettroni che lo circonda.

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 un quark 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 di maggiore probabilità della presenza di un elettrone (importante: il percorso lungo il quale si muove l’elettrone non può essere chiaramente determinato. 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 lontano dal nucleo, più diffusa è 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 quantico 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, non è così e molto spesso n varia da 1 a 7. I livelli con lo stesso numero quantico principale sono chiamati guscio elettronico.

• 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, che fornisce informazioni sul numero di orbitali in un dato sottolivello.

• numero quantico di rotazione:

mentre si muovono attorno al nucleo atomico, anche gli elettroni si muovono attorno al proprio asse. Questo movimento è chiamato spin e ad esso è associato il numero quantico di spin. 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 menzionare una delle leggi fondamentali della chimica, vale a dire 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 nel valore di almeno un numero quantico.

Gusci e sottogusci elettronici

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 elettronici 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 elettronico 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 sottogusci. Le subshell sono definite dai numeri quantici azimutali l . Sulle subshell ci sono elettroni che hanno valori di energia uguali e definiti con precisione. I 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 energetico crescente). La configurazione è solo l’assegnazione di singoli elettroni a 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, allora l’elettrone può essere trasferito dall’orbitale di minore energia all’orbitale libero di maggiore energia – 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 secondo l’energia crescente, osservando il principio di esclusione di Pauli. In base a questi principi, viene creata la cosiddetta notazione di configurazione completa con i numeri di gusci successivi, designazioni di lettere di sottogusci successivi 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.