Configurazione elettronica

Un elettrone che si trova in un livello n risente dell’attrazione esercitata dal nucleo dell’atomo carico positivamente.

Questa forza di attrazione è tanto più attenuata quanto maggiore è l’effetto di schermo esercitato dagli elettroni dei livelli più interni chiamati anche elettroni di core. La carica nucleare “reale” di cui risente un elettrone prende il nome di carica nucleare efficace.

La carica nucleare efficace Z* può essere calcolata come:

Z* = Z – S

Z* = carica nucleare efficace

Z = numero atomico dell’elemento

S = effetto di schermo

REGOLE DI SLATER

Per calcolale l’effetto di schermo si possono utilizzare le regole di Slater.

Per prima cosa occorre scrivere la configurazione elettronica dell’elemento riportando gli orbitali all’interno di orbitali in questo ordine di raggruppamento:

(1s),(2s,2p),(3s,3p),(3d),(4s,4p),(4d),(4f),(5s,5p) ecc.

Occorre successivamente applicare le seguenti regole per il calcolo di S:

Elettroni che appartengono a gruppi superiori rispetto a quello occupato dall’elettrone in esame non danno alcun contributo allo schermaggio;
ogni altro elettrone del gruppo (ns,np) dà un contributo di valore 0,35 allo schermaggio, tranne per il gruppo (1s) che contribuisce per un valore pari a 0,30;
ogni elettrone del guscio (n − 1) dà un contributo di schermaggio uguale a 0,85;
ogni elettrone appartenente al guscio (n − 2) o inferiori dà un contributo di schermaggio pari a 1,00;

Se l’elettrone in esame è in un orbitale nd o nf, valgono le presenti considerazioni:

gli altri elettroni del gruppo (nd) o (nf) danno contributo pari a 0,35;
gli elettroni di tutti i gruppi sottostanti danno un di schermaggio pari a 1,00.

ESERCIZIO SVOLTO N.1

Calcolare la calcolare nucleare efficace Z* sperimentate da un elettrone di valenza dell’elemento fosforo.

Il fosforo P è il quindicesimo elemento della tavola periodica e pertanto ha numero atomico Z=15.

La sua configurazione elettronica può essere scritta come (1s²)(2s²2p⁶)(3s²3p³).

5 elettroni sono di valenza
10 elettroni di core

Un elettrone di valenza risente dell’effetto schermante esercitato da

4 elettroni del suo stesso livello,

8 elettroni del livello n-1,

2 elettroni del livello n-2.

S = 4 · 0,35 + 8 · 0,85 + 2 · 1,00 = 10,20

Pertanto:

Z* = 15 – 10,20 = 4,80

ESERCIZIO SVOLTO N.2

Calcolare la calcolare nucleare efficace Z* sperimentate da un elettrone nell’orbitale 3d dell’elemento zinco.

Lo zinco Zn è il trentesimo elemento della tavola periodica e pertanto ha numero atomico Z=30.

La sua configurazione elettronica può essere scritta come (1s²)(2s²2p⁶)(3s²3p⁶)(3d¹⁰)(4s²).

Gli elettroni del gruppo 4s non danno alcun contributo all’effetto schermante.

Un elettrone del gruppo 3d risente dell’effetto schermante esercitato da:

9 elettroni del suo stesso gruppo,

18 elettroni dei livelli inferiori

S = 9 · 0,35 + 18 · 1,00 = 21,15

Pertanto:

Z* = 30 – 21,15 = 8,85

L’energia di ionizzazione rappresenta il lavoro necessario per allontanare un elettrone da un atomo o da uno ione gassoso.

X_(g) → X⁺_(g)+ e^–

L’energia di prima ionizzazione rappresenta l’energia necessaria per rimuovere il primo elettrone da un atomo neutro. I primi elettroni a essere allontanati sono sempre quelli più esterni al nucleo.

Seppure con qualche eccezione, l’energia di prima ionizzazione aumenta dal basso all’alto e da sinistra a destra (Figura 1).

Figura 1 – Andamento dell’energia di ionizzazione nella tavola periodica

FATTORI CHE INFLUENZANO L’ENERGIA DI IONIZZAZIONE

I fattori che influenzano l’energia di ionizzazione sono:

La carica nucleare efficace.
La configurazione elettronica.
La carica dello ione.

CARICA NUCLEARE EFFICACE

Se ci si sposta lungo un periodo da sinistra a destra, si assiste a un aumento della carica nucleare efficace di cui risente un elettrone. Questa maggiore carica nucleare efficace aumenta l’attrazione esercitata dal nucleo verso l’elettrone rendendone più difficile l’allontanamento.

Man mano che si scende lungo un gruppo si assiste a una diminuzione dell’energia di ionizzazione. Questo è dovuto al fatto che gli orbitali diventano più grandi e gli elettroni sono maggiormente distanti dal nucleo. Questi elettroni meno trattenuti sono più facilmente allontanabili.

CONFIGURAZIONE ELETTRONICA

Se si guarda con attenzione l’andamento dell’energia di prima ionizzazione degli elementi del secondo periodo, non si può non fare a caso alle eccezioni rappresentate dal berillio e dall’azoto (Figura 2).

Figura 2 – Andamento dell’energia di prima ionizzazione per gli elementi del secondo periodo

Questa maggiore energia di prima ionizzazione per gli elementi berillio e azoto, è attribuibile alla loro configurazione elettronica in cui si hanno nel primo caso l’orbitale 2s pieno, e nel secondo caso l’orbitale 2p semiriempito:

Boro

Azoto

Entrambe le configurazioni conferiscono grande stabilità agli elementi rendendo più difficoltoso l’allontanamento dell’elettrone.

CARICA DELLO IONE

Una volta allontanato il primo elettrone da un atomo neutro, si genera uno ione carico positivamente. La carica positiva dello ione rende più difficoltoso l’allontanamento dell’elettrone.

L’energia necessaria per rimuovere il secondo elettrone, si chiama energia di seconda ionizzazione, per rimuovere il terzo elettrone, energia di terza ionizzazione e così via.

	I	II	III	IV	V	VI
Li	520	7296	11810
Be	899	1760	14845	21000
B	800	2425	3659	25020	32820
C	1086	2352	4619	6221	37820	47258
N	1402	2855	4576	7473	9442	53246
O	1314	3388	5296	7467	10987	13320
F	1681	3375	6045	8408	11020	15160
Ne	2080	3963	6130	9361	12180	15250

Tabella 1 – Energia di prima, seconda, terza, quarta, quinta e sesta ionizzazione per gli elementi del secondo periodo

CONCETTI CHIAVE:

L’energia di ionizzazione rappresenta il lavoro necessario per allontanare un elettrone.
L’energia di prima ionizzazione aumenta da sinistra a destra e dal basso all’alto.
Ci sono delle eccezioni dovute alle configurazioni elettroniche stabili come azoto e berillio.
Le energie di ionizzazione successive (seconda, terza, quarta, ecc.) sono via via maggiori a causa della maggiore carica positiva dello ione che si genera.

ESERCIZIO SVOLTO:

Ordinare i seguenti elementi per energia di prima ionizzazione decrescente, tenendo conto solo della loro posizione nella tavola periodica:

Si, S, Al, Ca, Cl

Ordinare gli elementi per energia di prima ionizzazione decrescente, significa partire dall’elemento con maggiore energia di prima ionizzazione e via via arrivare a quello avente minore energia di prima ionizzazione.

Nella tavola periodica, l’energia di prima ionizzazione cresce dal basso all’alto in un gruppo, e da sinistra a destra in un periodo.

Pertanto l’ordine risulta essere il seguente:

Cl > S > Si > Al > Ca