I 4 NUMERI QUANTICI. I numeri quantici consentono di definire forma, dimensioni ed energia degli orbitali.

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1 I 4 NUMERI QUANTICI I numeri quantici consentono di definire forma, dimensioni ed energia degli orbitali. n, numero quantico principale, indica il livello energetico e le dimensioni degli orbitali. Può assumere valori interi, in genere, compresi tra 1 e 7. L energia e la dimensione aumentano all aumentare del valore del numero.

2 NUCLEO n

3 n Numero quantico principale Un livello principale di numero quantico n può ospitare un numero di elettroni pari a 2n 2 Es: per n=1 si ha 2x1 2 =2 elettroni per n=2 si ha 2x2 2 =8 elettroni

4 NUCLEO n 1 Numero di elettroni Ogni livello energetico (indicato da n) dell atomo è formato da uno o più sottolivelli. 32

5 I 4 NUMERI QUANTICI I numeri quantici consentono di definire forma, dimensioni ed energia degli orbitali. n, numero quantico principale, indica il livello energetico e le dimensioni degli orbitali. Può assumere valori interi, in genere, compresi tra 1 e 7. L energia aumenta all aumentare del valore del numero. l, numero quantico secondario o angolare, indica il sottolivello energetico e la forma degli orbitali. Dipende dal valore di n. Può assumere tutti i valori compresi tra 0 e n-1. Insieme n e l determinano l energia dell orbitale.

6 l Numero quantico secondario Sottolivelli energetici Ad ogni valore di l corrisponde un tipo di orbitale, cioè un orbitale con una forma caratteristica. Il valore di l è di solito sostituito da una lettera minuscola dell alfabeto: Valore di l Simbolo (che fa riferimento alla forma dell orbitale) 0 s

7 Orbitali di tipo s Tutti gli orbitali s hanno simmetria sferica La differenza tra gli orbitali s con valore diverso di n èche Le dimensioni dell orbitale s aumentano al crescere di n

8 l Numero quantico secondario Sottolivelli energetici Ad ogni valore di l corrisponde un tipo di orbitale, cioè un orbitale con una forma caratteristica. Il valore di l è di solito sostituito da una lettera minuscola dell alfabeto: Valore di l Simbolo (che fa riferimento alla forma dell orbitale) 0 s 1 p

9 Orbitali di tipo p La nuvola elettronica per ciascuno di tali orbitali ha forma bilobata, con un piano immaginario (superficie nodale) che passa attraverso il nucleo e divide la regione di densità elettronica in due metà.

10 l Numero quantico secondario Sottolivelli energetici Ad ogni valore di l corrisponde un tipo di orbitale, cioè un orbitale con una forma caratteristica. Il valore di l è di solito sostituito da una lettera minuscola dell alfabeto: Valore di l Simbolo (che fa riferimento alla forma dell orbitale) 0 s 1 p 2 d 3 f

11 Orbitali di tipo d ed f Dal terzo livello orbitali d (l = 2) Dal quarto livello Orbitali f

12 n Numero di elettroni 1 2 l=0; s 2 l=0; s l=1; p 8 3 l=0; s l=1; p l=2; d 18 4 l=0; s l=1; p l=2; d l=3; f 32

13 I 4 NUMERI QUANTICI I numeri quantici consentono di definire forma, dimensioni ed energia degli orbitali. n, numero quantico principale, indica il livello energetico e le dimensioni degli orbitali. Può assumere valori interi, in genere, compresi tra 1 e 7. L energia aumenta all aumentare del valore del numero. l, numero quantico secondario o angolare, indica il sottolivello energetico e la forma degli orbitali. Dipende dal valore di n. Può assumere tutti i valori compresi tra 0 e n-1. Insieme n e l determinano l energia dell orbitale. m, numero quantico magnetico, indica l orientamento nello spazio degli orbitali e quindi il numero di orbitali. Dipende dal valore di l. Può assumere tutti i valori compresi tra -l e +l.

14 n 1 l=0 s; m=0 1 orbitale s 2 l=0; s l=1 p; m= -1, 0, 1 3 orbitali p 3 l=0; s 3 orbitali p l=2 d; m= -2, -1, 0, 1, 2 5 orbitali d 4 l=0; s 3 orbitali p 5 orbitali d l=3 f; m=-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 7 orbitali f

15 m Numero quantico magnetico Ogni sottolivello ha uno o più orbitali, che differiscono per il valore di m, ciascuno dei quali occupa una regione dello spazio con una precisa forma tridimensionale. Gli orbitali dello stesso sottolivello hanno la stessa energia e sono detti degeneri

16 Numero quantico di spin L elettrone si comporta come se ruotasse su stesso intorno ad un asse, dando Così origine a un campo magnetico, la cui direzione dipende dallo spin. Le due direzioni dipendono dal: s, numero quantico magnetico di spin, che indica il senso di rotazione dell elettrone intorno al proprio asse, può avvenire in senso orario o antiorario, assumendo rispettivamente i valori + ½ e - ½.

17 Principio di esclusione del Pauli: In un atomo non possono esistere più elettroni con tutti i numeri quantici uguali. Ogni elettrone,, in un atomo, è definito dai suoi quattro numeri quantici: n = 1, 2, 3, l = 0, 1, (n-1) m = -l,, 0,, +l s = +½, -½ ψ n,l,m (x, y, z) Poiché un orbitale è definito dai valori di n, l ed m, ne consegue che I due elettroni che occupano lo stesso orbitale devono avere spin opposto o antiparallelo (s s = +½+ e s = -½.) Wolfgang Pauli Vienna Zurigo Nobel per la Fisica 1945

18 n Numero di elettroni 1 +1/2; -1/2 2 1 orbitale s 2 1 orbitale s 3 orbitali p orbitale s 3 orbitali p 5 orbitali d orbitale s 3 orbitali p 5 orbitali d 7 orbitali f 32

19 Configurazione elettronica degli atomi La notazione con cui si scrivono quali sono in un determinato atomo gli orbitali occupati e la misura in cui lo sono viene detta configurazione elettronica dell atomo. Le configurazioni elettroniche indicano, quindi, i livelli energetici degli elettroni presenti in un atomo. Bisogna tenere presente che: Gli orbitali con uguale valore di n costituiscono un Guscio elettronico In uno stesso livello energetico l energia cresce nel seguente ordine: s < p < d < f. Gli orbitali appartenenti allo stesso sottolivello energetico hanno la stessa energia ( orbitali degeneri ).

20 L ordine di riempimento degli orbitali è stabilito dal principio di aufbau (dal tedesco = riempimento) Prima di scrivere la configurazione elettronica bisogna conoscere la sequenza con cui gli orbitali sono riempiti dagli elettroni L ordine di riempimento degli orbitali si può ricavare dal cosiddetto diagramma dell aufbau ( o regola della diagonale) 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p,7s, 5f, 6d, 7p.

21 PRINCIPIO DI AUFBAU LE STRUTTURE ELETTRONICHE DELLO STATO FONDAMENTALE DEGLI ATOMI SI OTTENGONO: DISPONENDO GLI ORBITALI IN ORDINE DI ENERGIA CRESCENTE RIEMPENDOLI CON UN ELETTRONE ALLA VOLTA COMINCIANDO DALL ORBITALE AD ENERGIA MINORE TENENDO PRESENTE IL PRINCIPIO DI ESCLUSIONE DI PAULI TENENDO PRESENTE LA REGOLA DI HUND

22 REGOLA DI HUND QUANDO GLI ELETTRONI OCCUPANO UN GRUPPO DI ORBITALI DI EGUALE ENERGIA, SI HA L INGRESSO DI UN ELETTRONE IN CIASCUNO DEGLI ORBITALI DISPONIBILI PRIMA CHE UN SECONDO ELETTRONE ENTRI IN UN UNO DEGLI ORBITALI GIA OCCUPATI DA UN ELETTRONE.

23 Diagramma a casella 1s 2 S Z= 16 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 Valore di n Numero di elettroni assegnati all orbitale Notazione spettroscopica S (Z=16): 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 Tipo di orbitale (valore di l)

24 Il guscio elettronico più esterno di un atomo viene chiamato Guscio di valenza e gli elettroni che lo occupano Elettroni di valenza Gli elettroni che si trovano nei gusci sottostanti a quello di valenza si chiamano elettroni interni Gli elettroni appaiati sono due elettroni con spin opposto presenti nello stesso orbitale Un elettrone spaiato è un singolo elettrone in un orbitale. Gli elettroni di valenza quelli nel livello energetico più esterno di un atomo sono quelli a più alta energia. Essi hanno un importanza speciale; infatti, prendono parte alla formazione di legami tra gli atomi e, quindi, alle reazioni chimiche

25 1s 2 Ar Z= 18 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 La configurazione dell argon corrisponde al riempimento completo degli orbitali s e p del guscio più esterno. Questa configurazione con 8 elettroni è particolarmente stabile e viene detta configurazione ad ottetto