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LA CONFIGURAZIONE ELETTRONICA

La configurazione elettronica di un atomo esprime il modo con cui i suoi elettroni si distribuiscono negli orbitali atomici.

Nel diagramma energetico riportato in Figura 1, gli orbitali atomici sono elencati in ordine di energia crescente. Il riempimento avviene in accordo con il principio di Aufbau, partendo dagli orbitali a più bassa energia e progressivamente salendo verso quelli a più alta energia. L’ordine di riempimento è il seguente:

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

Figura 1 – Diagramma d’energia degli orbitali atomici

Il primo periodo della Tavola Periodica: H, He

Il primo elemento della Tavola Periodica è l’Idrogeno che possiede un solo elettrone. Questo andrà a occupare l’orbitale a più bassa energia, ovvero l’orbitale 1s. Nel disegnare questa configurazione elettronica si utilizza la rappresentazione riportata in Figura 2, in cui l’orbitale viene raffigurato con un cerchio o un quadrato, e l’elettrone al suo interno con una freccia. Questo modo di disegnare la configurazione elettronica viene talvolta descritto con il termine di configurazione elettronica casellare.

Quando l’elettrone ha numero quantico di spin +1/2 la freccia è rivolta verso l’alto, quando invece è uguale -1/2 è rivolta verso il basso.

Figura 2 – Rappresentazione schematica della configurazione dell’atomo di idrogeno

La configurazione elettronica può essere scritta per esteso seguendo delle specifiche notazioni. Si scrive in maniera estesa l’elenco degli orbitali riempiti in ordine di energia crescente, e porre come apice il numero di elettroni presenti (Figura 3).

Nel caso dell’idrogeno la configurazione elettronica è 1s¹. Questo secondo modo di scrivere la configurazione elettronica viene definito configurazione elettronica lineare.

Figura 3 – Notazione utilizzata per scrivere la configurazione elettronica di un atomo

Il secondo elemento della Tavola Periodica è l’Elio che possiede due elettroni. Questi vanno a occupare l’orbitale a più bassa energia che è ancora l’orbitale 1s. In accordo con il Principio di esclusione di Pauli, l’addizione del secondo elettrone va a completare il riempimento dell’orbitale.

Il secondo elettrone ha numero quantico di spin uguale -1/2 ed è rappresentato con una freccia rivolta verso il basso (Figura 4). La sua configurazione elettronica è 1s². Con l’elemento Elio si conclude il primo periodo della Tavola Periodica.

Figura 4 – Rappresentazione schematica della configurazione dell’atomo di elio

Il secondo periodo: Li, Be, B, C, N, O, F, Ne

Il terzo elemento della Tavola Periodica è il Litio che possiede tre elettroni. Con esso si entra nel secondo periodo. Seguendo il Principio di Aufbau, i primi due occupano l’orbitale 1s mentre il terzo occupa l’orbitale 2s. La configurazione elettronica lineare può essere scritta come 1s²2s¹.

Se si esamina con attenzione la struttura atomica di questo elemento, si denota come due elettroni appartengano a un guscio più interno (n=1), avente minore energia, mentre il terzo elettrone appartiene al livello più esterno (n=2) a maggiore energia. I primi due elettroni prendono il nome di elettroni di core, mentre il terzo elettrone di valenza.

Gli elettroni di valenza, appartenenti all’ultimo livello energetico, hanno un ruolo fondamentale, essendo protagonisti delle reazioni chimiche e dei legami che l’atomo può formare. È possibile scrivere una configurazione elettronica esterna o di valenza riportando solo questi elettroni. Nel caso specifico dell’elemento Litio, la prima parte della configurazione elettronica (quella che descrive gli elettroni del core ovvero 1s²) coincide con quella dell’Elio mentre il terzo elettrone di valenza è nell’orbitale 2s. Alla luce di tali considerazioni la configurazione di valenza può essere scritta [He]2s¹.

Il quarto elemento della Tavola Periodica è il Berillio che possiede quattro elettroni. I primi due occupano l’orbitale 1s mentre gli altri due l’orbitale 2s. La configurazione elettronica lineare può essere scritta come 1s²2s²o [He]2s²

Il quinto elemento della Tavola Periodica è il Boro che possiede cinque elettroni. Due di questi sono elettroni del core mentre gli altri tre sono elettroni di valenza. La sua configurazione elettronica è 1s²2s²2p¹o [He]2s²2p¹

Il sesto elemento della Tavola Periodica è il Carbonio che possiede sei elettroni. Due di questi sono elettroni del core mentre gli altri quattro sono elettroni di valenza. La configurazione elettronica lineare può essere scritta come 1s²2s²2p²o [He]2s²2p². Nel valutare la disposizione degli elettroni di valenza nel sottolivello 2p vi sono due possibilità (una corretta e l’altra errata) riportate in Figura 5.

Figura 5 – Le due possibili distribuzioni degli elettroni negli orbitali 2p per il Carbonio

La prima configurazione, con i due elettroni distribuiti in due differenti orbitali nel sottolivello 2p, risulta essere corretta. La regola di Hund detta anche principio della massima molteplicità afferma che nel riempire una serie di orbitali degeneri, gli elettroni si dispongono in modo tale da riempire il maggior numero di orbitali. La prima configurazione, con i due elettroni p occupanti due diversi orbitali con spin uguale o parallelo, è quella a più bassa energia. La seconda configurazione, con gli elettroni distribuiti nello stesso orbitale, risulta meno stabile a causa delle forze di natura repulsiva tra i due elettroni nel medesimo orbitale.

Il settimo elemento della Tavola Periodica è l’Azoto che possiede sette elettroni. Due di questi sono elettroni del core mentre gli altri cinque sono elettroni di valenza. La configurazione elettronica può essere scritta come 1s²2s²2p³o [He]2s²2p³. Il riempimento avviene seguendo la regola di Hund con il sottolivello 2p semipieno (Figura 6).

Figura 6 – Riempimento degli orbitali di valenza per l’elemento Azoto.

Il secondo periodo della Tavola Periodica si completa con gli elementi Ossigeno, Fluoro, Neon aventi rispettivamente le seguenti configurazioni:

Il terzo periodo: Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar

Il terzo periodo si apre con l’elemento Sodio (Na) avente la seguente configurazione elettronica:

Na: 1s²2s²2p⁶3s¹ o [Ne]3s¹

In questo caso tutti gli elettroni del primo e secondo livello (n=1 e n=2) sono considerati elettroni di core, mentre quelli del terzo livello sono elettroni di valenza.

Il riempimento del terzo livello energetico prosegue con gli elementi Magnesio, Alluminio, Silicio, Fosforo, Zolfo, Cloro, Argon aventi rispettivamente le seguenti configurazioni di valenza:

Mg: [Ne]3s²

Al: [Ne]3s²3p¹

Si: [Ne]3s²3p²

P: [Ne]3s²3p³

S: [Ne]3s²3p⁴

Cl: [Ne]3s²3p⁵

Ar: [Ne]3s²3p⁶

Il quarto periodo: il guscio 3d

Riprendendo il diagramma già mostrato in Figura 1, si osserva come l’energia dell’orbitale 4s sia inferiore rispetto a quella degli orbitali 3d. In accordo con il principio dell’Aufbau il riempimento dell’orbitale 4s avviene prima di quello degli orbitali 3d.

Figura 7 – Diagramma d’energia degli orbitali atomici

Il quarto periodo della Tavola Periodica si apre con gli elementi Potassio e Calcio (19esimo e 20esimo elemento) aventi rispettivamente le seguenti configurazioni elettroniche:

K: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹ o [Ar]4s¹

Ca: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s² o [Ar]4s²

Con il successivo elemento inizia il riempimento degli orbitali 3d.

Analogamente a quanto visto in precedenza, il riempimento degli orbitali 3d avviene rispettando la regola di Hund o il principio della massima molteplicità.

Le configurazioni elettroniche degli elementi Cromo (Cr) e Rame (Cu) sembrano avere qualcosa di anomalo. Nella realtà, ciò che avviene, è una promozione di un elettrone dall’orbitale 4s all’orbitale 3d che permette al Cromo di avere un semi-riempimento completo del guscio 3d, e al Rame un riempimento completo, aspetto che conferisce ai due elementi una maggiore stabilità.

Il quarto periodo si conclude con il riempimento del guscio 4p con gli elementi Gallio (Ga), Germanio (Ge), Arsenico (As), Selenio (Se), Bromo (Br), Kripton (Kr).

Ga: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p¹o [Ar]4s²3d¹⁰4p¹

Ge: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p²o [Ar]4s²3d¹⁰4p²

As: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p³o [Ar]4s²3d¹⁰4p³

Se: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁴o [Ar]4s²3d¹⁰4p⁴

Br: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁵o [Ar]4s²3d¹⁰4p⁵

Kr: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶o [Ar]4s²3d¹⁰4p⁶

Il quinto periodo: dal Rubidio allo Xenon

L’andamento del quinto periodo risulta essere quasi speculare a quello già visto per il quarto periodo.

Il riempimento degli orbitali 4d non segue tuttavia un andamento così regolare come invece era stato illustrato per il quarto periodo. Nel caso dell’elemento Palladio, la grande stabilità ottenuta dal riempimento completo del guscio 4d, fa sì che vi sia una promozione dei due elettroni dall’orbitale 5s.

Rb: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s¹ o [Kr]5s¹

Sr: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s² o [Kr]5s²

Y: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹ o [Kr]5s²4d¹

Zr: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d² o [Kr]5s²4d²

Nb: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s¹4d⁴o [Kr]5s¹4d⁴

Mo: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s¹4d⁵ o [Kr]5s¹4d⁵

Tc: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s¹4d⁶ o [Kr]5s¹4d⁶

Ru: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s¹4d⁷ o [Kr]5s¹4d⁷

Rh: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s¹4d⁸ o [Kr]5s¹4d⁸

Pd: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶4d¹⁰ o [Kr]4d¹⁰

Ag: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s¹4d¹⁰ o [Kr]5s¹4d¹⁰

Cd: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰ o [Kr]5s²4d¹⁰

In: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p¹ o [Kr]5s²4d¹⁰5p¹

Sn: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p² o [Kr]5s²4d¹⁰5p²

Sb: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p³ o [Kr]5s²4d¹⁰5p³

Te: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁴ o [Kr]5s²4d¹⁰5p⁴

I: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁵ o [Kr]5s²4d¹⁰5p⁵

Xe: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶ o [Kr]5s²4d¹⁰5p⁶

Analogamente a quanto visto per il quarto periodo, negli elementi Molibdeno e Argento vi è una promozione di un elettrone dall’orbitale 5s all’orbitale 4d che permette al primo di avere un semi-riempimento completo del guscio 4d mentre al secondo un riempimento completo, cosa che conferisce a entrambi una maggiore stabilità. Ulteriori eccezioni si osservano per gli elementi Niobio (Nb), Tecnezio (Tc), Rutenio (Ru) e Rodio (Rh) con un solo elettrone nell’orbitale 5s.

Il sesto periodo: il guscio 4f

Il sesto periodo si apre con gli elementi Cesio, Bario e Lantanio (55°, 56° e 57° elemento della Tavola Periodica) aventi rispettivamente le seguenti configurazioni:

Cs: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s¹ o [Xe]6s¹

Ba: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s² o [Xe]6s²

La: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²5d¹ o [Xe]6s²5d¹ *

Dopo il Lantanio inizia il riempimento dei sette orbitali 4f. Gli elementi che possiedono elettroni negli orbitali 4f appartengono alla famiglia dei Lantanoidi (in passato chiamati Lantanidi) il cui nome deriva dal capostipite Lantanio.

Questi elementi, nella Tavola Periodica, sono collocati in fondo (Figura 8). L’ordine di riempimento di questi orbitali è irregolare e non segue le regole descritte in precedenza.

Figura 8 – Raffigurazione dei Lantanoidi e Attinoidi nella Tavola Periodica

Ce: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹5d¹ o [Xe]6s²4f¹5d¹ *

Pr: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f³ o [Xe]6s²4f³

Nd: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f⁴ o [Xe]6s²4f⁴

Pm: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f⁵ o [Xe]6s²4f⁵

Sm: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f⁶ o [Xe]6s²4f⁶

Eu: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f⁷ o [Xe]6s²4f⁷

Gd: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f⁷5d¹o [Xe] 6s²4f⁷5d¹ *

Tb: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f⁹ o [Xe]6s²4f⁹

Dy: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁰ o [Xe]6s²4f¹⁰

Ho: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹¹ o [Xe]6s²4f¹¹

Er: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹² o [Xe]6s²4f¹²

Tm: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹³ o [Xe]6s²4f¹³

Yb: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴ o [Xe]6s²4f¹⁴

Lu: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹ o [Xe] 6s²4f¹⁴5d¹

Da notare che per gli elementi Lantanio (La), Cerio (Ce) e Gadolinio (Gd) il riempimento degli orbitali 5d avviene quando ancora il guscio 4f non è completamente riempito. Il principio di Aufbau prevede che il riempimento del guscio 4f debba avvenire prima del 5d.

Completato il riempimento del guscio 4f inizia il riempimento degli orbitali 5d. Anche in questo caso si trovano delle eccezioni come il Platino (Pt) con un solo elettrone nell’orbitale 6s. Nell’elemento Oro (Au) si osserva ancora una volta la promozione di un elettrone dall’orbitale 6s per ottenere un riempimento completo del guscio 5d, mentre per l’elemento Wolframio non si osserva ciò che era stato riscontrato nel Cromo (quarto periodo) e Molibdeno (quinto periodo).

Hf: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d² o [Xe] 6s²4f¹⁴5d²

Ta: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d³ o [Xe] 6s²4f¹⁴5d³

W: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d⁴ o [Xe] 6s²4f¹⁴5d⁴

Re: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d⁵ o [Xe] 6s²4f¹⁴5d⁵

Os: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d⁶ o [Xe] 6s²4f¹⁴5d⁶

Ir: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d⁷ o [Xe] 6s²4f¹⁴5d⁷

Pt: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s¹4f¹⁴5d⁹ o [Xe] 6s¹4f¹⁴5d⁹

Au: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s¹4f¹⁴5d¹⁰ o [Xe] 6s¹4f¹⁴5d¹⁰

Hg: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰ o [Xe] 6s²4f¹⁴5d¹⁰

Il sesto periodo si completa con il riempimento degli orbitali 6p.

Tl: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰6p¹ o [Xe] 6s²4f¹⁴5d¹⁰6p¹

Pb: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰6p² o [Xe] 6s²4f¹⁴5d¹⁰6p²

Bi: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰6p³ o [Xe] 6s²4f¹⁴5d¹⁰6p³

Po: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁴ o [Xe] 6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁴

At: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁵ o [Xe] 6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁵

Ra: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁶ o [Xe] 6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁶

Concetti chiave:

Gli orbitali vengono riempiti in accordo con il principio di Aufbau partendo dagli orbitali a più bassa energia e poi salendo verso quelli a più alta energia;
Il principio di esclusione di Pauli afferma che in un singolo orbitale possono essere presenti al massimo 2 elettroni aventi spin opposto;
L’ordine di riempimento è il seguente: 1s; 2s; 2p; 3s; 3p; 4s; 3d; 4p; 5s; 4d; 5p; 6s; 4f; 5d; 6p; 7s; 5f; 6d; 7p;
Nella configurazione elettronica casellare occorre rispettare la regola di Hund o principio della massima molteplicità.
Tutti gli elettroni appartenenti ai livelli energetici più interni si definiscono elettroni di core. Solo gli elettroni del livello energetico più esterno si definiscono elettroni di valenza.

Esercizio svolto:

Scrivere la configurazione elettronica lineare e casellare del Fosforo.

Il Fosforo è il 15° elemento della tavola periodica e come elemento neutro possiede 15 protoni e 15 elettroni.

Questi 15 elettroni saranno collocati nei seguenti orbitali:

1s (2 elettroni);
2s (2 elettroni);
2p (6 elettroni);
3s (2 elettroni);
3p (3 elettroni);

Pertanto la configurazione elettronica lineare può essere scritta come: 1s²2s²2p⁶3s²3p³ o [Ne]3s²3p³

Per la configurazione elettronica casellare occorre tenere a mente la regola di Hund per la collocazione dei 3 elettroni negli orbitali 3p.

Tavola Periodica e configurazione elettronica

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: 1s²2s²2p²o [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