1.3 : Configurazioni elettroniche

Configurazioni elettroniche

Le configurazioni elettroniche e i diagrammi orbitali possono essere determinati applicando il principio di Aufbau (ogni elettrone aggiunto occupa il sottolivello di energia più bassa disponibile), il principio di esclusione di Pauli (non possono esserci due elettroni con lo stesso insieme di quattro numeri quantici) e la regola di Hund della massima molteplicità (quando possibile, gli elettroni mantengono spin spaiati negli orbitali degeneri).

Le energie relative dei sottolivelli determinano l'ordine in cui vengono riempiti gli orbitali atomici (1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p e così via). Per vari gusci e sottolivelli, l’andamento del potere di penetrazione di un elettrone può essere rappresentato come segue:

1s > 2s > 2p > 3s > 3p > 4s > 3d > 4p > 5s > 4d > 5p > 6s > 4f....

L'effetto di schermo e di penetrazione orbitale è ampio e un elettrone 4s può avere un'energia inferiore rispetto a un elettrone 3d.

Gli elettroni negli orbitali più esterni, chiamati elettroni di valenza, sono responsabili della maggior parte del comportamento chimico degli elementi. Nella tavola periodica, gli elementi con configurazioni elettroniche di valenza analoghe solitamente si trovano all'interno dello stesso gruppo.

Esistono alcune eccezioni all'ordine di riempimento previsto, in particolare quando si possono formare orbitali riempiti a metà o completamente riempiti. Nel caso di Cr e Cu, i sottolivelli riempiti per metà e completamente riempiti rappresentano apparentemente condizioni di stabilità preferita. Questa stabilità è tale che l'elettrone si sposta dall’orbitale 4s all’orbitale 3d per ottenere la stabilità extra di un sottolivello 3d riempito a metà (in Cr) o di un sottolivello 3d pieno (in Cu). Si verificano anche altre eccezioni. Ad esempio, si prevede che il niobio (Nb, numero atomico 41) abbia la configurazione elettronica [Kr]5s²4d³. Tuttavia, sperimentalmente, la sua configurazione elettronica allo stato fondamentale è in realtà [Kr]5s¹4d⁴. Possiamo razionalizzare questa osservazione affermando che le repulsioni elettrone-elettrone sperimentate dall'accoppiamento degli elettroni nell'orbitale 5s sono maggiori del divario di energia tra gli orbitali 5s e 4d.

Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 6.4: Electronic Structure of Atoms