Metalli alcalinoterrosi calcogeni. Metalli di transizione

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1 La configurazione elettronica dei primi 20 elementi E ora possibile costruire la configurazione elettronica di tutti gli elementi della tavola periodica: distribuire cioè gli elettroni di un certo atomo secondo la successione degli orbitali dallo stato fondamentale a quello a massima energia. E bene seguire le seguenti semplice regole: 1) si prende in considerazione il numero atomico Z dell elemento che si vuole raffigurare; 2) secondo il principio della minima energia gli elettroni tendono ad occupare gli stati quantici a minore energia e corrispondente massima stabilità; 3) secondo il principio di esclusione di Pauli in ciascun orbitale non possono essere presenti più di due elettroni che si dispongono con spin opposto; 4) la regola di Hund afferma che, se due o più elettroni hanno uguale valore di energia (appartengono cioè ad uno stesso sottolivello s, p, d o f), ciascuno tende ad occupare di preferenza un singolo orbitale, disponendosi nel massimo numero possibile di questi. Come abbiamo già detto le proprietà chimiche degli elementi dipendono essenzialmente dal numero e dalla collocazione degli elettroni periferici, cioè dalla cosiddetta configurazione elettronica esterna. Nelle figure che seguono gli elementi vengono distribuiti in relazione agli orbitali più esterni che vengono ad essere occupati. Si osserva che: a) tutti gli elementi della prima e seconda colonna (primo e secondo gruppo) vedono il loro ultimo elettrone collocato in un orbitale di tipo s; si tratta dei metalli alcalini e alcalinoterrosi rispettivamente; b) tutti gli elementi in rosa vedono i loro ultimi elettroni sistemati in orbitali di tipo d: sono i metalli di transizione; c) tutti gli elementi i cui ultimi elettroni vengono collocati in orbitali azzurri si trovano nel blocco p, a destra della TP. L ultima colonna raccoglie la famiglia dei gas nobili; la penultima quella degli alogeni mentre alcuni degli elementi della sesta colonna vengono detti calcogeni; d) le ultime due righe in basso raccolgono invece i lantanidi e gli attinidi, la cui configurazione elettronica coinvolge orbitali di tipo f. 1s 1 1s 2 2s 1 2s 2 2p 1 2p 2 2p 3 2p 4 2p 5 2p 6 3s 1 3s 1 3p 1 3p 2 3p 3 3p 4 3p 5 3p 6 4s 1 4s 2 3d 1 3d 2 3d 3 3d 4 3d 5 3d 6 3d 7 3d 8 3d 9 3d 10 4p 1 2p 4p 12 4p 3 4p 4 4p 5 4p 6 5s 1 5s 2 4d 1 4d 2 4d 3 4d 4 4d 5 4d 6 4d 7 4d 8 4d 9 4d 10 5p 1 5p 2 5p 3 5p 4 5p 5 5p 6 6s 1 6s 2 5d 1 5d 2 5d 3 5d 4 5d 5 5d 6 5d 7 5d 8 5d 9 5d 10 6p 1 6p 2 6p 3 6p 4 6p 5 6p 6 7s 1 7s 2 6d 1 6d 2 6d 3 4f 1 4f 2 4f 3 4f 4 4f 5 4f 6 4f 7 4f 8 4f 9 4f 10 4f 11 4f 12 4f 13 4f 14 5f 1 5f 2 5f 3 5f 4 5f 5 5f 6 5f 7 5f 8 5f 9 5f 10 5f 11 5f 12 5f 13 5f 14 1

2 Metalli alcalini Gas nobili Metalli alcalinoterrosi calcogeni alogeni Metalli di transizione lantanidi attinidi Proviamo ora a costruire la configurazione elettronica dei primi 20 elementi della TPE. L idrogeno ha un solo protone e un solo elettrone che si colloca nell orbitale a più bassa energia che è l 1s. Nello stesso orbitale si colloca però anche il secondo elettrone dell elio chiudendo così la prima riga della TP. L unico orbitale coinvolto è l 1s che risulta a questo punto doppiamente He occupato. Mentre l idrogeno ha un solo elettrone esterno e quindi un solo elettrone di valenza con cui legare gli +2 altri atomi, l elio ha il primo guscio completo 1s 2 : ciò conferisce all elemento una notevole stabilità energetica e conseguentemente una notevole inerzia chimica. L He non viene collocato sopra il berillio Be per le sue caratteristiche chimiche di elemento di chiusura che lo rendono gas nobile, appartenente al VII gruppo della TPE. Li H +1 Il litio vede la seguente distribuzione elettronica: 1s 2 / 2s 1 : l unico elettrone esterno di valenza si Secondo livello viene ancora una volta a trovare in un orbitale di tipo s, ma ad una distanza maggiore dal nucleo +3 rispetto all atomo di idrogeno, collocandosi nel secondo livello anziché nel primo. Be Secondo livello +4 Il berillio sistema i suoi 4 elettroni nei due orbitali s già incontrati e ha pertanto configurazione 1s 2 / 2s 2 : le sue dimensioni sono inferiori a quelle del litio in quanto il nucleo è più carico per il nuovo protone presente nel nucleo mentre l elettrone aggiunto si trova nello stesso livello dell elettrone più esterno del litio. Il boro ha numero atomico 5 per cui sono 5 i protoni da sistemare nel nucleo mentre i 5 elettroni trovano la seguente collocazione: 1s 2 / 2s 2 2p 1 : il quinto elettrone, pur rimanendo nel secondo livello, va ad occupare un orbitale di tipo p, non importa se orientato lungo l asse x, y o z. Le dimensioni saranno inferiori a quelle del berillio per lo stesso motivo visto sopra. Secondo livello +5 B 2

3 Si prosegue in modo analogo per tutti gli altri elementi del secondo periodo, che avranno le seguenti configurazioni: C carbonio Z=6 1s 2 / 2s 2 2p 2 N azoto Z=7 1s 2 / 2s 2 2p 3 O ossigeno Z=8 1s 2 / 2s 2 2p 4 F fluoro Z=9 1s 2 / 2s 2 2p 5 Ne neon Z=10 1s 2 / 2s 2 2p 6 Con il neon si chiude anche il secondo periodo della TP: gli elettroni coinvolti sono 10, di cui 2 nel primo livello e 8 nel secondo. Come l elio il neon non reagisce se non in condizioni drastiche di pressione e di temperatura. Le dimensioni diminuiscono lungo il periodo ad eccezione dei gas nobili per i quali le repulsioni interelettroniche sono più significative. Na Ne Il sodio sistema il suo ultimo elettrone in un nuovo livello, il terzo, e in +10 un nuovo orbitale di tipo s, il 3s, per cui la sua configurazione esterna vede un unico +11 elettrone come H e Li. La configurazione totale è: 1s 2 / 2s 2 2p 6 / 3s 1. L energia necessaria per allontanare l elettrone più esterno è sicuramente inferiore a quella del litio, trovandosi ad una distanza maggiore e per tale motivo sarà anche più reattivo (si dice che è più spiccato il suo carattere metallico). Procedendo lungo il periodo si tratterà di aggiungere di volta in volta un protone nel nucleo e un elettrone nel terzo livello energetico: le dimensioni in generale tenderanno a diminuire così come pure il carattere metallico dal momento che più gli elettroni si trovano vicini al nucleo più fortemente risultano ad esso legati. Le configurazioni saranno pertanto: Mg magnesio Z=12 1s 2 / 2s 2 2p 6 / 3s 2 Al alluminio Z=13 1s 2 / 2s 2 2p 6 / 3s 2 3p 1 Si silicio Z=14 1s 2 / 2s 2 2p 6 / 3s 2 3p 2 P fosforo Z=15 1s 2 / 2s 2 2p 6 / 3s 2 3p 3 S zolfo Z=16 1s 2 / 2s 2 2p 6 / 3s 2 3p 4 Cl cloro Z=17 1s 2 / 2s 2 2p 6 / 3s 2 3p 5 Ar argon Z=18 1s 2 / 2s 2 2p 6 / 3s 2 3p 6 Cl Il cloro, che presenta numero atomico 17, vedrà nel terzo guscio 7 elettroni esterni che rendono la sua reattività chimica molto simile a quella del fluoro. Entrambi appartengono infatti al gruppo +17 degli alogeni e, poiché le dimensioni aumentano scendendo lungo la colonna, aumentano anche le interazioni interatomiche e quindi la forza dei legami. Lo stato di aggregazione passa da gassoso per i prime due elementi a liquido per il bromo e a solido per lo iodio. Con l argon si chiude il 3 periodo e, con l aggiunta di un nuovo protone e di un nuovo elettrone, si passa all elemento successivo che è il potassio K il cui numero atomico è 19. L orbitale che ospita l unico elettrone esterno del K appartiene al 4 livello e ha forma sferica (4s 1 ), analogamente al sodio Na (3s 1 ), al litio Li (2s 1 ) e 3

4 all idrogeno H (1s 1 ) che appartengono ai livelli precedenti. Le dimensioni aumentano così come pure il carattere metallico e la reattività. K +19 La configurazione elettronica del calcio Ca, l ultimo elemento che consideriamo in questa sede, ha la seguente configurazione: 1s 2 / 2s 2 2p 6 / 3s 2 3p 6 / 4s 2. Esercizi 1) In relazione al modello di configurazione elettronica, indica per ogni affermazione se è vera o falsa. a) i livelli di energia sono posti a una distanza che dipende dal numero di massa del nucleo V F b) gli elettroni ruotano intorno al nucleo disponendosi su determinati livelli di energia V F c) l energia di un livello aumenta al crescere della sua distanza dal nucleo V F d) i livelli sono sette per tutti gli atomi indipendentemente dal numero di elettroni V F e) per ridurre le forze di repulsione gli elettroni si distribuiscono in tutti e 7 i livelli V F f) ogni livello energetico può contenere un numero massimo di elettroni V F 2) In relazione alla tavola periodica indica le due affermazioni sbagliate: a) ogni riga viene detta periodo; ogni colonna prende h) ogni periodo può contenere fino a 18 elementi il nome di gruppo i) ogni riga inizia con un elemento i cui atomi hanno b) i gruppi sono diciotto un solo elettrone nel livello più esterno utilizzato c) gli elementi sono ordinati secondo il peso atomico l) ogni riga termina con un elemento i cui atomi crescente hanno tanti elettroni da completare il livello che d) i periodi sono tanti quanti i livelli energetici corrisponde alla riga e) gli elementi sono 111 e sono distribuiti in 7 righe m) le righe di elementi sono indicate con un numero f) gli elementi nella stessa colonna formano un ordinale cha varia dal 1 al 7 gruppo n) le colonne di elementi sono indicate in alto da un g) i gruppi sono numerati da 1 a 18 numero che varia da 1 a 18 3) Associa ad ogni famiglia il numero corrispondente a) metalli alcalini 1) gruppo 1 b) metalli alcalinoterrosi 2) gruppo 18 c) alogeni 3) gruppo 2 d) gas nobili 4) gruppo VII 4) Completa correttamente la tabella sottostante come da esempio riportato in prima riga. orbitale numero massimo si trovano teoricamente di tipo per tipo numero elettroni a partire dal 4

5 s guscio p d f 5) Completa correttamente la tabella che segue relativa ai vari gusci elettronici così come si presentano nellla TPE nel... si trovano per un massimo gli elementi guscio orbitali di tipo di... elettroni vanno da primo s 2 H a He. secondo terzo quarto quinto sesto. a Ne Na a... a. a Xe Cs a.. settimo Fr a... 6) Completa la seguente tabella a partire dalle informazioni che ottieni leggendo correttamente la TPE e come suggerito dal primo esempio. elemento simbolo configurazione esterna blocco famiglia gruppo periodo carbonio C 2s 2 2p 2 p IVA 2 Ne ossigeno 1s 2 3s 2 3p 5 p 4s 1 iodio 5 alogeni 2 stronzio 7) Scrivi le configurazioni elettroniche dei seguenti elementi C Cl Al Na Fe Li Mg Br 5

6 Soluzioni: 1) F V V V F V 2) c,h 3) 1,3,4,18 4) 3,6, 2 guscio; 5,10, 3 guscio; 7,14, 4 guscio 5) s,p; 8; Li a Ne; s,p; 8, Na a Ar; s,p,d; 18; K a Kr; s,p,d; 18; Rb a Xe; s,p,d,f; 32; Cs a Ru; s,p,d,f; 32; Fr a Uuo 6) neon, 2s 2 2p 6, p,gas nobili, VIIIA,2; O, 2s 2 2p 4,p,VIA,2; elio, He,s,gas nobili,viiia,1; cloro, Cl, p, alogeni,viia,3; potasio,k,s,metalli alcalini, IA,1; I, 5s 2 5p 5,p,alogeni,VIIA; fluoro,f, 2s 2 2p 5,p,VIIA; Sr, 5s 2 ;s alcalino terrosi,iia,5 7) C=1s 2 2s 2 2p 2 ; Fe=[Ar]4s 2 3d 6 ; Cl=[Ne]3s 2 3p 5 ; Li=1s 2 2s 1 ; Al=[Ne]3s 2 3p 1 ; Mg=[Ne]4s 2 3s 2 ; Na=[Ne]3s 1 ; Br=[Ar]4s 2 3d 10 4p 5 6

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