Distribuzione degli elettroni negli orbitali atomici Aufbau

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Rosangela Tommasi
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1 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 6s 6p 6d 7s 7p 8s Distribuzione degli elettroni negli orbitali atomici Aufbau Principio di esclusione di Pauli (1925): Due elettroni in un atomo non possono essere caratterizzati dagli stessi numeri quantici gni orbitale è definito da tre numeri quantici (n,l,m) L orbitale può contenere al massimo 2 elettroni con un diverso valore del numero quantico di spin ( +½ ; -½). Rappresentazione schematica degli orbitali e configurazione elettronica n. elettroni a) 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f... Simbolo orbitale 1s 1 e 1s 2 Li 1s 2 2s 1, oppure [e] 2s 1 ; Be 1s 2 2s 2, oppure [e] 2s 2 B 1s 2 2s 2 2p 1, oppure [e] 2s 2 2p 1. = 1s 2 2s 2 2p 4, ovvero [e] 2s 2 2p 4 F = 1s 2 2s 2 2p 5, ovvero [e] 2s 2 2p 5 Ne = 1s 2 2s 2 2p 6, Na = 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1, ovvero [Ne] 3s 1 Principio della massima molteplicità (regola di und): gli elettroni di un medesimo sottolivello energetico tendono a disporsi con spin paralleli, occupando così il numero massimo di orbitali disponibili. b) E 2p 2s 1s Esempio C: Z=6 1s 2s 2p 3s Na 16

2 1 PERID Guscio esterno: K (n = 1) rbitali esterni: s (2 elementi) 2 PERID Guscio esterno: L (n = 2) (8 elementi) Li (e) 2s 1 B (e) 2s 2 2p 1 N (e) 2s 2 2p 3 F (e) 2s 2 2p 5 1s 1 e 1s 2 Be (e) 2s 2 rbitali esterni: s,p C (e) 2s 2 2p 2 (e) 2s 2 2p 4 Ne (e) 2s 2 2p 6 3 PERID Guscio Esterno: M (n = 3) rbitali esterni s,p Na (Ne) 3s 1 Mg (Ne) 3s 2 Al (Ne) 3s 2 3p 1 Si (Ne) 3s 2 3p 2 P (Ne) 3s 2 3p 3 S (Ne) 3s 2 3p 4 Cl (Ne) 3s 2 3p 5 2s 2p blocco s blocco p gas nobile Ar (Ne) 3s 2 3p 6 8 elementi 4 PERID Guscio Esterno: N (n = 4) 18 elementi rbitali esterni s,p K (Ar) 4s 1 Ca (Ar)4s 2 5 PERID Guscio esterno: (n = 5) (18 elementi) Rb (Kr) 5s 1 Sr (Kr)5s 2 Metalli della I serie di Transizione Sc (Ar) 3d 1 s 2 Ti (Ar) 3d 2 4s 2 V (Ar) 3d 3 4s 2 Cr (Ar)3d 5 4s 1 Mn (Ar) 3d 5 4s 2 Fe (Ar) 3d 6 4s 2 Co (Ar) 3d 7 4s 2 Ni (Ar)3d 8 4s 2 Cu (Ar) 3d 10 4s 1 Zn (Ar) 3d 10 4s 2 Metalli della II serie di Transizione Y (Kr) 4d 1 5s 2 Zr (Kr) 4d 1 5s 2 Nb (Kr) 4d 4 5s 1 Mo (Kr) 4d 5 5s 1 Tc (Kr) 4d 5 5s 2 Ru (Kr) 4d 7 5s 1 Rh (Kr) 4d 8 5s 1 Pd (Kr) 4d 10 Ag (Kr) 4d 10 5s 1 Cd (Kr) 4d 10 5s 2 Ga (Ar) 3d 10 4s 2 4p 1 Ge (Ar)3d 10 4s 2 4p 2 As (Ar)3d 10 4s 2 4p 3 Se (Ar)3d 10 4s 2 4p 4 Br (Ar) 3d 10 4s 2 4p 5 Kr (Ar)3d 10 4s 2 4p 6 In (Kr) 4d 10 5s 2 5p 1 Sn (Kr) 4d 10 5s 2 5p 2 Sb (Kr) 4d 10 5s 2 5p 3 Te (Kr) 4d 10 5s 2 5p 4 I (Kr) 4d 10 5s 2 5p 5 Xe (Kr) 4d 10 5s 2 5p 6 17

3 6 PERID Guscio esterno: P (n = 6) (32 elementi) Cs (Xe) 6s 1 Ba (Xe) 6s 2 La (Xe) 5d 1 6s 2 Lantanidi: Ce, Pr, Nd, Pm, Eu, Gd, Tb, Dy, o, Er, Tm, Yb, Lu 14 elementi in cui, ferma restando la configurazione esterna del La, cioè 5d 1 6s 2, si riempiono i 7 orbitali 4f. Ce (Xe) 4f 1 5d 1 6s 2 ; Pr (Xe) 4f 2 5d 1 6s 2,. Lu (Xe) 4f 14 5d 1 6s 2 f (Xe)4f 14 5d 2 6s 2 ; Ta (Xe)4f 14 5d 3 6s 2 ; W (Xe)4f 14 5d 4 6s 2 Re (Xe)4f 14 5d 5 6s 2 ; s (Xe)4f 14 5d 6 6s 2 ; Ir (Xe)4f 14 5d 7 6s 2 Pt (Xe)4f 14 5d 9 6s 2 ; Au (Xe)4f 14 5d 10 6s 1 ; g (Xe)4f 14 d 10 6s 2 ; Tl (Xe)4f 14 5d 10 6s 2 6p 1 ; Pb (Xe)4f 14 5d 10 6s 2 6p 2 ; Bi (Xe)4f 14 5d 10 6s 2 6p 3 ; Po (Xe)4f 14 5d 10 6s 2 6p 4 ; At (Xe)4f 14 5d 10 6s 2 6p 5 ; Rn (Xe)4f 14 5d 10 6s 2 6p 6 7 PERID: Guscio esterno Q (n = 7) Fr (Rn)7s 1 ; Ra (Rn)7s 2 ; Seguono gli ATTINIDI, in cui, ferma restando la configurazione elettronica esterna 6d 1 7s 2 dell Attinio, si riempiono i 7 orbitali 5f. Ac (Rn)6d 1 7s 2 Sono 90 Th, 91 Pa e 92 U (reattivi, ma presenti in natura) ed i TRANSURANICI preparati mediante reazioni nucleari artificiali: 93NP, 94 Pu, 95 Am, 96 Cm, 97 Bk, 98 Cf, 99 Es, 100 Fm, 101 Md, 102 No, 103 Lw, 104 X. Le proprietà chimiche degli atomi dipendono dalla loro configurazione elettronica esterna Be 1s 2 2s 2 9,32 ev per rimuovere un elettrone 2s 18,21 ev per rimuovere il 2 elettrone 2s 153,85 ev per rimuovere un elettrone 1s Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 5,14 ev per rimuovere un elettrone 3s 47,29 ev per rimuovere un elettrone 2p Poiché la configurazione elettronica esterna varia con una determinata periodicità, anche le proprietà chimiche variano con la stessa periodicità 18

4 Potenziale di ionizzazione: La minima energia necessaria a rimuovere l elettrone più esterno da un atomo isolato, portandolo a distanza infinita. IE 1 ev e A A + + e - (ev) N F Be C Mg Si Li B Al Na Carattere metallico Ne P Ar Cl S z K Be 1s 2 2s 2 B 1s 2 2s 2 2p 1 N 1s 2 2s 2 2p 3 1s 2 2s 2 2p 4 Affinità per l elettrone: F (g) + e Elemento F - (g) 0,80 1,47 S 2,07 F 3,45 Cl 3,61 Br 3,36 I 3,06 (Energia liberata) Affinità elettronica (ev) 19

5 Li Li + Na Na + r = 1,52Å 0,60Å r = 1,86Å 0,95Å 1s 2 2s 1 1s 2 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 1s 2 2s 2 2p 6 Z = 9 Z = 17 F F - Cl Cl - r = 0,64Å 1,36Å r = 0,99Å 1,81Å 2s 2 2p 5 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 3s 2 3p 6 N 3-2- F - Na + Mg 2+ Al 3+ Raggio ionico (Å) 1,71 1,40 1,36 0,95 0,65 0,50 Numero di elettroni Carica nucleare Legame Chimico: forze attrattive tra atomi che sono sufficientemente intense da consentire la formazione di un aggregato stabile tale da potere essere considerato come una specie a se stante, sia essa ionica che molecolare. FRMULE CI MI CE 1. Formule molecolari C 2 4 Formule minime NaCl Valenza è il numero di legami che un dato atomo forma con gli altri atomi di una molecola. 2. Formule di struttura 20

6 Ne = (e) s 2 p 6 Kr = (Ar) s 2 p 6 KSSEL & Ar = (Ne) s 2 p 6 Xe = (Kr) s 2 p 6 LEWIS (1916) n e - A LEGAME INIC B A B Gas nobile che segue Gas nobile che precede LEGAME CVALENTE A B Mettono in comune elettroni fino a raggiungere l ottetto LEGAME DATIV A B A mette in comune con B due elettroni Estensione della regola dell ottetto SF 6 (lo S si circonda di 12 elettroni - Espansione dell ottetto) Mn 2+ (Configurazione esternda d 5 ) FRMULE CI MI CE 3. Isomeria Acetaldeide C 2 4 ssido di etilene N N N N N Nitramide Acido iponitroso LEGAME SSTANZA DISTANZA (Å) 2 0, ,960 C 3 0,956 C C 4 1,091 C 2 6 1,107 C 6 6 1,084 C 2 6 1,536 C 3 C 1,500 diamante 1,544 LEGAME SSTANZA DISTANZA ENERGIA (Å) kcal/mole di legame C 2 6 (Etano) C 2 4 (Etilene) C 2 2 (Acetilene) C 6 6 (Benzene) 1,536 1,337 1,204 1,392 83,2 146,8 200,6 140,2 21

III FASE - Avvicinamento di Na + e Cl - Legame elettrostatico, non direzionale, che si forma tra un elemento a carattere METALLIC ed uno a carattere NN METALLIC Si consideri 1 atomo di Na = (1s 2 2s

7 III FASE - Avvicinamento di Na + e Cl - Legame elettrostatico, non direzionale, che si forma tra un elemento a carattere METALLIC ed uno a carattere NN METALLIC Si consideri 1 atomo di Na = (1s 2 2s 2 2p 6 )3s 1 ed uno di Cl = (1s 2 2s 2 2p 6 )3s 2 3p 5 isolati e allo stato gassoso I FASE - Ionizzazione del metallo + Na (gas) Na (gas) + e Energia richiesta = 5,134 ev II FASE - Ionizzazione del non metallo - Cl (gas) + e Cl (gas) Energia liberata = 3,707 ev Na (gas) + Cl (gas) + - Na (gas) + Cl (gas) E = 5,134-3,707 = 1,427 ev U = F = Q 1 Q 2 Q 1 Q 2 4 r 2 4 r = permettività elettrostatica -Z 1 e Z 2 e - Z 1 Z 2 e 2 = = 4 r 4 r U = -14,45 Z 1 Z 2-14,45 ev = r r Å Å Energia potenziale elettrostatica I due ioni si avvicinano fino all distanza di equilibrio tra FRZE ATTRATTIVE e REPULSIVE. Infatti a breve distanza esistono forze repulsive dovute alla sovrapposizione delle nuvole elettroniche dei due ioni (repulsione tra cariche di segno uguale) U + 0 r - - r U Potenziale repulsivo Per NaCl, r 0 = 2,36 Å Potenziale attrattivo Quindi il processo totale che, partendo da 1 atomo di Na e 1 di Cl a distanza infinita porta a Na + Cl - a distanza r 0 = 2,36 Å (coppia ionica Na + Cl - ) ha il seguente andamento: Energia (lontani) Na+ (g) (ev) Na (g) (lontani) Cl (g) +1,427 0 (Fase a) 4,696-4, Z 1 Z 2 e 2-14,45 U = r 0 = 2,36 = -6,123 ev Cl - (g) 6,123 Perciò la coppia ionica Na + Cl - è stabile: per dissociarla in Na e Cl occorrono 4,696 ev Na + Cl - (g) A distanza r 0 = 2,36 Å 22

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Determinazione dell elettronegatività in base al principio dell addittività delle energie di legame - Linus Pauling Energia di Legame 4,51 ev F F Energia di Legame 1,60 ev Energia di legame di F 1)

9 Determinazione dell elettronegatività in base al principio dell addittività delle energie di legame - Linus Pauling Energia di Legame 4,51 ev F F Energia di Legame 1,60 ev Energia di legame di F 1) Calcolata dalla media di 2 e F 2 : 2) Misurata sperimentalmente = 5,85 ev Differenza in più: 4,51 + 1,60 2 = 5,85-3,06 = 2,79 ev = 3,06 ev - + Differenza di elettronegatività: 0,21 = X A - X B A B Valore dell elettronegatività del Fluoro = 4 1) Elettronegatività decresce in ogni gruppo del sistema periodico all aumentare del numero atomico. 2) Elettronegatività cresce in ogni periodo passando dal I al VII gruppo + - F % Carattere ionico del legame = cost (X A - X B ) F Es. 0,50 (50%) se X A - X B = 1,7 24

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Esperto prof. C. Formica Immagini e testi tratti dai website di: genome.wellcome.ac.uk, dnaftb.org, unipv.it, unimi.it, wikipedia.it, unibs.it, unina.it, uniroma.it, nih.gov, zanichelli.it, sciencemag.org,