È possibile determinare la configurazione elettronica di un elemento conoscendo la sua posizione nella tavola periodica?

La risposta è affermativa a patto di conoscere davvero la tavola periodica.

In questo articolo vedremo come la tavola periodica sia stata disegnata secondo specifiche regole e suddividendo tutti i suoi elementi in blocchi. Una volta appreso come sono disposti questi blocchi, determinare la configurazione elettronica diventerà un gioco da ragazzi.

La tavola periodica: gruppi e periodi

La tavola periodica è costituita da una serie di elementi raggruppati in colonne verticali chiamate gruppi. Dalla Figura 1 si può osservare come questa sia divisa in quattro regioni contenenti rispettivamente 2, 6, 10 e 14 colonne.

Figura 1 – Rappresentazione della Tavola Periodica con la suddivisione di questa in gruppi

I gruppi vengono numerati in ordine sequenziale utilizzando sia numeri arabi che numeri romani come mostrato in Figura 2.

Figura 2 – Rappresentazione della Tavola Periodica con la numerazione dei gruppi

Come mostrato in Figura 3 sotto, le quattro regioni della tavola periodica hanno nomi che possono essere ricondotti agli orbitali atomici.

a)      Il blocco azzurro costituito da 2 colonne viene chiamato anche blocco s;

b)     Il blocco rosso costituito da 6 colonne viene chiamato anche blocco p;

c)      Il blocco arancio costituito da 10 colonne viene chiamato anche blocco d;

d)     Il blocco verde costituito da 14 colonne viene chiamato anche blocco f;

 Figura 3 – Rappresentazione della Tavola Periodica con la suddivisione di questa in blocchi

Le righe orizzontali che dividono una tavola periodica si chiamano periodi. La prima riga, contenente gli elementi Idrogeno ed Elio, corrisponde al Periodo n.1, la seconda riga al Periodo n.2 e così via.

La tavola periodica può essere ridisegnata secondo il modello illustrato in Figura 4.

Figura 4 – Rappresentazione della Tavola Periodica con la suddivisione di questa in periodi

• Il primo periodo ha un orbitale 1s;
• Il secondo periodo ha un orbitale 2s e tre orbitali 2p;
• Il terzo periodo ha un orbitale 3s, tre orbitali 3p;
• Il quarto periodo ha un orbitale 4s, cinque orbitali 3d, tre orbitali 4p;
• Il quinto periodo ha un orbitale 5s, cinque orbitali 4d, tre orbitali 5p;
• Il sesto periodo ha un orbitale 6s, sette orbitali 4f, cinque orbitali 5d, tre orbitali 6p;
• Il settimo periodo ha un orbitale 7s, sette orbitali 5f, cinque orbitali 6d, tre orbitali 7p.

La configurazione elettronica

PRIMO PERIODO

I primi due elementi della tavola periodica sono idrogeno ed elio appartenenti al primo periodo. Come illustrato sopra, nel primo periodo è presente solo l’orbitale 1s. Pertanto, gli elettroni di questi elementi sono collocati all’interno di questo unico orbitale.

Le configurazioni elettroniche dell’Idrogeno con un solo elettrone e dell’Elio con due elettroni possono essere scritte come:

H: 1s¹

He: 1s²

SECONDO PERIODO

Il terzo elemento della tavola periodica è il litio avente tre elettroni. La sua posizione nella tavola Periodica è al di sotto dell’idrogeno, più precisamente nel Gruppo IA. (Figura 5).

Figura 5 – Rappresentazione della Tavola Periodica con la collocazione dell’elemento Litio

Il suo posizionamento nella prima colonna del blocco s indica che questo elemento possiede un solo elettrone di valenza collocato nell’orbitale 2s. Il numero romano che descrive il gruppo indica il numero di elettroni di valenza di quell’elemento. Tutti gli elementi del Gruppo IA hanno un solo elettrone di valenza.

Gli altri due elettroni del litio sono pertanto elettroni di core appartenenti al periodo precedente. Per scrivere la sua configurazione elettronica è sufficiente riempire dapprima l’orbitale del primo periodo (1s) con due elettroni, e poi aggiungere il terzo elettrone del secondo periodo. Pertanto la configurazione elettronica può essere scritta come:

Li: 1s²2s¹

Per scrivere la configurazione elettronica di valenza è sufficiente indicare all’interno di due parentesi l’ultimo elemento del primo periodo e infine riportare la configurazione del secondo periodo.

Li: [He]2s¹

L’elemento carbonio rappresenta il sesto elemento della tavola periodica. La sua posizione è nel Gruppo IVA e nella seconda colonna del blocco p (Figura 6).

Figura 6 – Rappresentazione della tavola periodica con la collocazione dell’elemento carbonio

Come visto in precedenza, l’appartenenza al Gruppo IVA fa sì che il carbonio possieda quattro elettroni di valenza. Gli altri due elettroni sono elettroni di core.

Il suo collocamento nella seconda colonna del blocco p denota anche che questo elemento possiede due elettroni negli orbitali 2p. Per scrivere la sua configurazione elettronica occorre dapprima collocare i due elettroni di core nell’orbitale 1s del primo periodo e poi aggiungere i quattro elettroni di valenza riempendo il sottolivello 2s e infine aggiungendo i due elettroni rimanenti nel sottolivello 2p. La sua configurazione elettronica di valenza è scritta all’interno di due parentesi l’ultimo elemento del primo periodo e infine riportando la configurazione del secondo periodo.

C:  1s²2s²2p² o [He]2s²2p²

QUARTO PERIODO

L’elemento calcio è il ventesimo della tavola periodica. La sua posizione è nel quarto periodo e nel Gruppo IIA (Figura 7).

Figura 7 – Rappresentazione della Tavola Periodica con la collocazione dell’elemento Calcio

Il collocamento all’interno del Gruppo IIA indica che questo elemento possiede 2 elettroni di valenza mentre gli altri 18 sono elettroni di core. Il suo posizionamento nella seconda colonna del blocco s denota anche che questo elemento possiede due elettroni nell’orbitale 4s.

Per scrivere la sua configurazione di valenza è sufficiente prendere l’ultimo elemento del terzo periodo (Argon) e poi aggiungere i due elettroni di valenza.

Ca: [Ar]4s²

Per la configurazione elettronica completa, si attraversa la tavola periodica riempendo progressivamente gli orbitali del primo periodo (1s), secondo periodo (2s e 2p) e terzo periodo (3s e 3p), e infine aggiungere i due elettroni di valenza del quarto periodo.

Ca: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²

Come visto in questo articolo, nel quarto periodo il riempimento del sottolivello 4s avviene prima del 3d.  

Il titanio è il ventiduesimo elemento della tavola periodica. Esso appartiene al Gruppo 4 e pertanto possiede altrettanti elettroni di valenza. Gli altri 18 elettroni sono elettroni di core.

Per identificare il numero di elettroni di valenza degli elementi del quarto e quinto periodo è più opportuno utilizzare i numeri arabi. Come mostrato in Figura 8, il suo collocamento è nella seconda colonna del blocco d denotando come questi possieda due elettroni all’interno degli orbitali 3d.

Figura 8 – Rappresentazione della tavola periodica con la collocazione dell’elemento titanio

La sua configurazione di valenza può essere scritta indicando l’ultimo elemento del terzo periodo (Argon) e poi aggiungendo i 4 elettroni del quarto periodo. Per la sua configurazione completa occorre dapprima riempire l’orbitale del primo periodo (1s), gli orbitali del secondo periodo (2s e 2p), gli orbitali del terzo periodo (3s e 3p) e infine addizionare i quattro elettroni del quarto periodo.

Ti: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d² o [Ar]4s²3d²

Seguendo queste regole appena descritte è possibile prevedere la configurazione elettronica di ogni elemento della tavola periodica. Esistono tuttavia numerose eccezioni, come quelle già viste in questo articolo, del cromo e del rame. Questi due elementi sono rispettivamente il ventiquattresimo e il ventinovesimo della tavola periodica. La loro posizione è nel quarto periodo e più precisamente nel quarto e nono gruppo del blocco d. Ci si aspetterebbe che la loro configurazione fosse:

La loro configurazione corretta è tuttavia:

Il semiriempimento del sottolivello 3d per il Cromo (Cr) e il riempimento completo per il Rame (Cu) conferiscono all’elemento una maggiore stabilità tanto da giustificare questo trasferimento di elettrone dall’orbitale 4s.

CONCETTI CHIAVE:

• La tavola periodica è suddivisa in periodi, gruppi e blocchi;
• Il nome dei blocchi richiama il nome degli orbitali (s, p, d, f);
• I gruppi possono essere numerati secondo numeri arabi e romani.
• Il numero romano può essere utilizzato per determinare gli elettroni di valenza degli elementi dei primi tre periodi, il numero arabo per gli elementi del quarto e quinto periodo.
• Per scrivere la configurazione elettronica è fondamentale individuare con esattezza il periodo e il blocco di appartenenza dell’elemento.

Esercizio svolto:

Guardando solo la Tavola Periodica determinare la configurazione elettronica completa e di valenza dell’elemento Tellurio (Te).

Il tellurio è il 52° elemento della Tavola Periodica e appartiene al quinto periodo. Inoltre esso fa parte del quarto gruppo del blocco p.

Essendo un elemento del quinto periodo il suo numero di elettroni di valenza viene determinato dal numero arabo del gruppo di appartenenza che è il 16. Pertanto il Tellurio ha 16 elettroni di valenza e 36 elettroni di core.

Per determinare la sua configurazione elettronica di valenza occorre scrivere tra parentesi l’ultimo elemento del quarto periodo e poi aggiungere i 16 elettroni di valenza del quinto periodo che occupano in ordine di energia gli orbitali 5s, 4d e 5p.

Configurazione elettronica di valenza:

Te: [Kr]5s²4d¹⁰5p⁴

Per determinare la sua configurazione elettronica completa occorre riempire gli orbitali del primo (1s), secondo (2s e 2p), terzo (3s e 3p) e quarto periodo (4s, 3d e 4p) in ordine di energia crescente e aggiungere infine gli elettroni di valenza.

Configurazione elettronica completa:

Te: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁴

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