Atomo: struttura

ATOMO

La più piccola unità in cui può essere suddiviso un che conserva le proprietà dell’elemento stesso.

elemento,

Costituito da:

NUCLEO Protoni

particelle con massa circa 1 u.m.a. e con una carica

- Centrale elementare positiva (nel senso che non esiste una carica

Denso

- (dove cioè si concentra, in un volume molto elettrica più piccola di tale valore in Coulomb)

piccolo rispetto al volume dell’intero atomo, quasi

tutta la massa dell’atomo stesso) Neutroni

- Costituito a sua volta, da particelle sub- particelle con massa di pochissimo superiore a quella del

nucleoni:

-atomiche chiamate protone ed elettricamente neutri

ELETTRONI

- …

E attorno al quale ruotano tanti

particelle con massa trascurabile (circa 2000 volte più piccola di quella del protone) e con una carica elementare

negativa, in un volume molto grande rispetto al nucleo,

distribuiti, su vari:

Livelli energetici

1. ad energia crescente con discontinuità (quantizzata) ed indicata dal numero quantico principale “n” (che può

assumere tutti i valori interi e positivi da 1 a infinito);

All’interno di ogni livello sono distribuiti su diversi:

Sottolivelli energetici

2. ad energia crescente, indicata dal numero quantico secondario “l” (che può assumere tutti i valori interi

da 0 a n–1, quindi in ogni livello ci sono” n” sottolivelli)

All’interno di ogni sottolivello sono distribuiti su vari:

Orbitali degeneri

3. (cioè con la stessa energia)

i quali, all’interno di un campo magnetico esterno, possono assumere diverse

orientazioni indicate dal numero quantico magnetico “m” (che può assumere, per

ogni valore di l, tutti i valori interi da –l a +l passando per lo 0; quindi in ogni

2

e orbitali)

sottolivello ci sono 2l+1 orbitali degeneri in ogni livello ci sono n

orbitale

(Dove per si intende quella regione dello spazio attorno al nucleo dove si ha massima probabilità di trovare

distribuzione di probabilità)

l’elettrone. L’orbitale è una All’interno di ogni orbitale sono distribuiti al massimo in numero di 2:

Coppie

4. , potendo assumere due sole diverse orientazioni di

rotazione attorno al proprio asse all’interno di un campo magnetico

esterno (oraria e antioraria); queste sono indicate dal numero

quantico magnetico di spin (spin = rotazione) “m ” che, ovviamente,

s

può assumere solo due valori = ½ e –½ (quindi in ogni livello ci

2

sono al massimo2* n elettroni)

LIVELLI ENERGETICI ED ORBITALI ATOMICI

Livello Sottolivello Tipo Orientazione Numero e tipo di

nucleo

Distanza

Energia n l Sotto- m Orbitali

l

livello

dal 1 0 1s 0 1 1

(sferico: 1s)

0 2s 0 1

(sferico: 2s)

2 4

1 2p –1 0 +1 3

(a 2 lobi: 2p , 2p , 2p )

x y z

0 3s 0 1

(sferico: 3s)

1 3p –1 0 +1 3

3 9

(a 2 lobi: 3p , 3p , 3p )

x y z

2 3d –2 –1 0 +1 +2 5

(a 4 lobi: 3d , 3d , 3d ,

xy xz yz

3d , 3d )

x2-y2 z2

0 4s 0 1

(sferico: 4s)

1 4p –1 0 +1 3

(a 2 lobi: 4p , 4p , 4p )

x y z

4 16

2 4d –2 –1 0 +1 +2 5

(a 4 lobi: 4d , 4d , 4d ,

xy xz yz

4d , 4d )

x2-y2 z2

3 4f –3 –2 –1 0 +1 7

+2 +3 (a 8 lobi: i 7 orbitali

4f…)

0 5s 0 1

(sferico: 5s)

1 5p –1 0 +1 3

5 , 5p , 5p )

(a 2 lobi: 5p x y z

2 5d –2 –1 0 +1 +2 5

(a 4 lobi: 5d , 5d , 5d ,

xy xz yz

5d , 5d )

x2-y2 z2

3 5f –3 –2 –1 0 +1 7

+2 +3 (a 8 lobi: i 7 orbitali

5f…)

4 (?)

(5g) (–4 –3 –2 –1 0 In realtà gli atomi

conosciuti arrivano a

+1 +2 +3 +4) riempiere solo gli orbitali “f”

Etc.etc. fino al livello con n = 7 Configurazione elettronica

Descrive come sono distribuiti gli elettroni attorno al nucleo.

- Ogni possiede un numero di elettroni corrispondente al suo numero atomico (Z);

atomo (neutro)

- I (ioni positivi) possiedono un numero di elettroni corrispondente al suo numero atomico – il numero di

cationi

cariche positive;

- Gli (ioni negativi) possiedono un numero di elettroni corrispondente al suo numero atomico + il numero di

anioni

cariche negative;

Gli

li elettroni vanno a riempire gli orbitali in base a una serie di regole:

Principio di esclusione di Pauli Regola di Hund Principio di Aufbau

Il principio di esclusione di Pauli La regola di Hund, o principio della Per il principio di Aufbau,

Aufbau gli

(1925) afferma che massima molteplicità afferma che elettroni tendono ad occupare gli

gli elettroni di gli

uno stesso atomo non possono a elettroni si dispongono ad occupare il orbitali seguend

seguendo l’ordine di

vere tutti e 4 i numeri quantici massimo numero di orbitali in un energia crescente definito dai

(almeno uno deve essere

uguali sottolivello. valori di n e di l.

l

diverso). Cioè quando un elettrone ha a

Quindi in un orbitale possono esserci disposizione due orbitali degeneri di

al massimo due elettroni con spin cui uno semiriempito e l’altro vuoto,

opposti (appaiati). si colloca in quello vuoto con lo stesso

spin dell’altro elettrone.

Seguendo le regole su indicate, e conoscendo la sequenza di energia per gli orbitali, si può sapere, per ogni atomo,

quali sono quelli occupati e si può procedere all'Aufbau,

all' cioè al riempimento progressivo degli orbitali con gli

elettroni.

In base all'E

ll'E degli orbitali, la sequenza è: 1s, Sequenza complessiva di riempimento degli orbitali, seconda la

l

2s, 3p, 3s, 3p. “regola della diagonale”

A questo punto, si riempiono prima i 4s e poi i

, anche se fanno parte del "guscio" inferiore.

3d,

Questa anomalia può essere spiegata tenendo

conto del fatto che gli orbitali s, avendo una

forma sferica, tendono a portare gli elettroni

vicini al nucleo più di quanto non facciano

orbitali appartenenti a livelli inferiori ma di

forma più complessa.

In definitiva l’energia dell’orbitale

bitale è fissata dai

numeri quantici primario e secondario per cui, Quindi, la sequenza di riempimento è:

ad esempio, l’orbitale 4s con n (= 4) + l (= 0) = 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s …

4, ha energia inferiore rispetto agli orbitali 3d

con n (= 3) + l (= 2) = 5.