Configurazione elettronica, elettronegatività, radioattività - Chimica

Chimica: configurazione elettronica degli elementi

Energia e configurazione

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p

Periodi

• I periodo: n=1
• II periodo: n=2
• III periodo: n=3
• IV periodo: n=4
• V periodo: n=5
• VI periodo: n=6
• VII periodo: n=7

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f < 6d < 7p

(1s) < (2s < 2p) < (3s < 3p) < (4s < 3d < 4p) < (5s < 4d < 5p) < (6s < 4f < 5d < 6p) < (7s < 5f < 6d < 7p)

Regola della diagonale

n=1 n+l=1 1s
n=2 n+l=2 2s
n+l=3 2p
n=3 n+l=3 3s 3p
n+l=4 3d
n=4 n+l=4 4s 4p
n+l=5 4d
n=5 n+l=5 5s 5p
n+l=6 5d
n=6 n+l=6 6s 6p
n+l=7 n=7 n+l=7 7s
n+l=8 7p

Tavola periodica degli elementi

• Non metalli
• Metalli alcalini
• Altri metalli
• Semi metalli
• Alogeni
• Gas nobili
• Metalli alcalino terrosi

Linea che divide metalli (in basso) dai non metalli (in alto)

Raggio atomico

Se consideriamo gli elementi di un periodo, il raggio atomico diminuisce passando da un elemento a quello successivo e aumenta nel gas nobile. Perché? Tenendo presente dell'azione attrattiva della carica nucleare, che aumenta passando da sinistra a destra muovendosi nel periodo rispetto alla repulsione del numero crescente di elettroni. Negli elementi di transizione, il raggio continua a diminuire.

Se consideriamo gli elementi di un gruppo, il raggio atomico aumenta passando da un elemento a quello successivo.

Quindi, il raggio atomico è uguale alla metà della distanza minima di avvicinamento tra due atomi della stessa specie in una molecola.

1. Raggi atomici aumentano passando dal 1° periodo al 6° (questo perché gli elettroni sono descritti da funzioni d'onda con numero quantico principale [n] maggiore e quindi più lontani dal nucleo).
2. All'interno dello stesso periodo, si ha una diminuzione del raggio atomico man mano che si riempiono gli orbitali s, p. (Quando si sposta verso destra aumenta il numero atomico quindi cresce la carica nucleare e quindi maggiore attrazione degli elettroni verso il nucleo e dunque riduzione del volume dell'atomo).

Nel passare degli elementi del VII gruppo a quelli dell'VIII si ha un aumento del raggio atomico (dal VII = ai gas nobili): x v eliminazione della configurazione elettronica stabile per: (stanno ad avere minor contenuto di energia).

Calcolo della carica nucleare effettiva Zeff

• Regole di Slater
  1. Elettroni che appartengono a livelli superiori rispetto a quello dell'elettrone in esame non danno nessun contributo alla schermatura.
  2. Se l'elettrone in esame è in un orbitale ns, np allora valgono le seguenti considerazioni.
     1. Ogni elettrone del livello ns, np dà un contributo pari a 0.35 alla schermatura, tranne per il livello 1s che dà contributo pari a 0.3
     2. Ogni elettrone del guscio (n-1) dà un contributo pari a 0.85
     3. Ogni elettrone del guscio (n-2) o inferiori dà un contributo pari a 1.00
     4. Se il livello esterno è completo per ciascun elettrone appartenente allo stesso livello il coefficiente è uguale a 0.85 mentre per tutti quelli più interni è pari a 1
  3. Se l'elettrone in esame è in un orbitale nd, nf valgono le seguenti considerazioni.
     1. Gli elettroni del gruppo nd, nf danno un contributo pari a 0.35
     2. Tutti gli altri elettroni del livello e sottostanti contribuiscono con coefficiente pari a 1.00

Esempi di calcolo

Calcolo della costante di schermo S per Ca
Z(Ca) = 20 quindi
Conf. elettronica 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²
S = (1·0,35) + (8·0,85) + (10·1,00) = 17,15
Z_eff = 20 - 17,15 = 2,85

Calcolare la carica nucleare effettiva dell’elettrone 2p dell’azoto (N)
Z(N) = 7
Configurazione elettronica: 1s² 2s² 2p³
Costante di Schermo S = (0,35·4) + (0,85·2) = 3,10
Carica nuc. effettiva Z_eff = Z - S = 7 - 3,10 = 3,90

Calcolare Z_eff e costante di schermo (S) relativa nell’elettrone 3p del silicio
Z(Si) = 14
Configurazione el.: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p²
Costante S = (0,35·3) + (0,85·8) + (1,00·2) = 9,85
Z_eff = Z - S = 14 - 9,85 = 4,15

Quindi, la carica nucleare effettiva Z_eff: per un dato elettrone, è quel valore di carica nucleare che eserciterebbe uguale forza attrattiva sullo stesso elettrone, in assenza degli elettroni di schermo.

Calcolare la carica nucleare effettiva degli elettroni 4s e 3d dello ZINCO
Z(Zn) = 30
Configurazione elettronica: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰
→ per elettrone 4s
Costante S = (0.35.1) + (0.85.18) + (1.00.10) = 25.65
Z_eff = 30 - 25.65 = 4.35
→ per elettrone 3d
Costante S = (0.35.9) + (1.00.18) = 21.15
Z_eff = 30 - 21.15 = 8.85

Calcolare la carica nucleare effettiva di uno degli elettroni 6s del TUNGSTENO
Z(W) = 74
Configurazione 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f¹⁴ 5d⁴
Costante S = (1.0.35) + (12.0.85) + (60.1.00) = 70.55
Z_eff = Z - S = 74 - 70.55 = 3.45

Calcolo dell'elettronegatività

Avendo due atomi A e B, si può affermare qualitativamente che è più elettronegativo quello che ha maggiore densità elettronica (Ω/cm³)

Elettronegatività: è quella tendenza di un atomo ad attirare verso di sé l'altro atomo durante la formazione di legami, dovuta alla sua densità di carica elettronica.

X = 0.359 _Zeff/_r² + 0.744 dove r è in Ångstrom

Proprietà generali degli elementi

• Elettronegatività: aumenta
• Energia di ionizzazione: aumenta
• Carattere metallico: diminuisce
• Raggio atomico: diminuisce
• Affinità elettronica: aumenta

Energia di ionizzazione: diminuisce
Elettronegatività: diminuisce
Carattere metallico: aumenta
Raggio atomico: aumenta

Radioattività

Gli isotopi presenti in natura sono quasi tutti stabili. Ma: alcuni naturali e quelli artificiali sono instabili, a causa di un eccesso di protoni e/o neutroni. Tale instabilità provoca la loro trasformazione spontanea in altri isotopi accompagnata dall'emissione di particelle [rilascio di energia].

Tali isotopi = Isotopi Radioattivi

Decadimento

Decadimento Beta^- - [produzione di particelle Beta]

A_ZX → A_Z+1Y + e^- + ν neutrino elettrone → Un altro elemento detto isotono perché un neutrone è diventato un protone

Decadimento Beta⁺

A_ZY → A_Z-1X + e⁺ + ν neutrino un positrone Un protone è diventato un neutrone e tale elemento si trova a sinistra della tavola periodica rispetto a A_ZY

Cattura Elettronica

^A_ZX + e^- → ^A_Z-1X + ν

Affinità elettronica stabile e con alta energia di legame nel Decadimento Beta l'elettrone emesso non è elettrone orbitale l'elettrone emesso non è un elettrone già presente nel nucleo l'elettrone è prodotto durante il processo dell'energia disponibile

Decadimento Alfa

Per z>83 e A>220 il decadimento alfa è favorito è molto stabile e con alta energia di legame

^A_ZX → ^A-4_Z-2X' + α

Decadimento Gamma

Dopo i decadimenti α e β questi lasciano il nucleo in uno stato eccitato. Questi stati decadono tramite emissione di fotoni (con energia tipica di 0.1 - 10 MeV) [lunghezze d'onda tra 10 e 100 fm]