La disposizione degli elettroni dentro l’atomo viene detta configurazione elettronica.
Livelli e sottolivelli
Gli elettroni si aggregano nell’atomo, non casualmente, ma con un ordine energetico preciso. Gli elettroni si distribuiscono in modo concentrico in orbitali concentrici.
Gli orbitali concentrici costituiscono i livelli, si contano fino a 8 livelli, immaginiamo l’atomo più grande come un condominio di 8 piani, dove al piano terreno c’è il nucleo e all’ultimo piano gli elettroni più esterni.
Ogni piano accoglie più piani, cioè ad ogni livello ci sono più sottolivelli. La posizione del singolo elettrone nei livelli e sottolivelli è definita dai quattro numeri quantici: n, l, m, s: ad ogni elettrone si può definire con certezza la posizione che occupa nell’atomo.
Il primo numero quantico “n”
Il numero quantico “n” indica la distanza del livello energetico e quindi dei suoi orbitali dal nucleo: i livelli energetici sono 8.
La disposizione degli elettroni dentro l’atomo più piccolo, l’idrogeno, si ferma al 1° livello, così gli elettroni più esterni del francio occupano l’ 8° livello.
Ogni livello energetico può ospitare fino a quattro differenti orbitali s, p, d, f.
Il secondo numero quantico ” l “
Il secondo numero quantico ” l ” indica i sottolivelli, cioè i 4 tipi di orbitali: s, p, d, f. Gli orbitali possono assumere forma sferica, bilobata, polilobata e ad anello, il punto centrale di questi disegni è sempre il nucleo.
L’orbitale “s”
L’orbitale “s” è sferico, gli elettroni dell’orbitale “s” si trovano all’interno di una nuvola sferica. L’orbitale “s” è presente fin dall’inizio nel 1° livello e per tutti gli 8 livelli.
Gli orbitali “p”
Gli orbitali “p” sono bilobati, gli elettroni si muovono all’interno di nuvole bilobate. Il sottolivello “p” contiene fino a 3 orbite bilobate. Il sottolivello “p” è presente dal 2° livello, dal litio in poi.
Gli orbitali “d”
Il sottolivello “d” contiene fino a 5 orbite: bilobate o ad anello. Il sottolivello “d” è presente dal 3° livello.
L’orbitale “f”
L’orbitale “f” contiene fino a 7 orbite: bilobate, ad anello, polilobate. Il sottolivello “f” è presente dal 4° livello.
Il terzo numero quantico magnetico ” m “
Il terzo numero quantico “m” è detto numero magnetico.
Il terzo numero quantico descrive l’orientamento o l’inclinazione dei sottolivelli ” p, d, f “.
Le 3 orbite del sottolivello “p” si orientano in 3 modi diversi, lungo i 3 possibili assi: x, y, z. Il sottolivello “p” può allora avere valore: -1, 0, +1.
Le 5 orbite del sottolivello “d” si orientano in 5 modi diversi. Il sottolivello “d” può allor avere valore: -2, -1, 0, +1, +2.
Le 7 orbite del sottolivello “f” si orientano in 7 modi diversi. Il sottolivello “f” può allora avere valore: -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3.
Il quarto numero quantico spin ” s “
Il quarto numero quantico spin ” s ” descrive in che direzione viaggiano gli elettroni di ciascuna orbita.
In ogni orbita possono coesistere solo 2 elettroni.
I due elettroni di ogni orbita possono andare solo in direzione opposta: uno va in senso orario (+1/2 o freccia in sù) e l’altro va in senso antiorario (-1/2 o freccia in giù).
Ordine di riempimento degli orbitali
Gli orbitali così definiti vengono riempiti dagli elettroni con un ordine preciso. L’ordine di riempimento: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.
L’Idrogeno (Z1) ha un elettrone posizionato nell’orbitale 1s.
L’Elio (Z2) ha due elettroni posizionati nell’orbitale 1s: uno è orario e l’altro antiorario.
Adesso è stato riempito il 1° livello, si può passare al 2° livello.
Il Litio (Z3) ha tre elettroni: 2 sono posizionati nell’orbitale 1s, il 3° elettrone si posiziona nel secondo livello e nel primo orbitale (s) cioè il 2s.
Nella tavola periodica degli elementi di Mendeleev è descritta con precisione la configurazione elettronica di ogni elemento.
Esempi
Nella tavola periodica degli elementi di Mendeleev leggiamo che la configurazione elettronica dell’idrogeno è 1s1, significa che l’unico elettrone dell’idrogeno si trova nel primo livello in un orbitale sferico.
Nella tavola di Mendeleev leggiamo che la configurazione elettronica dell’elio è 1s2, significa che i due elettroni dell’elio si trovano nel primo livello in un unico orbitale sferico.
Nella tavola leggiamo che la configurazione elettronica del carbonio è [He] 2s2 2p2, significa che il primo livello è identico a quello dell’elio cioè 1s2, e che il secondo livello è occupato solo parzialmente con 2 elettroni nell’orbitale sferico e 2 elettroni in 2 orbitali p, ogni singolo orbitale p è quì occupato da un solo elettrone.
Leggiamo che la configurazione elettronica del neon è [He] 2s2 2p6, significa che il primo livello è identico a quello dell’elio cioè 1s2, e che il secondo livello è occupato integralmente con 2 elettroni nell’orbitale sferico e 6 elettroni nei 3 orbitali p.
Infine leggiamo che la configurazione elettronica del cloro è [Ne] 3s2 3p5, significa che il primo e il secondo livello sono identici a quelli del neon, in più nel terzo livello c’è un orbitale sferico con 2 elettroni, e 3 orbitali p con 5 elettroni, quì 2 orbitali p sono al completo e un orbitale p ha 1 solo elettrone.