Obiettivo di apprendimento
- Determinare la configurazione elettronica per elementi e ioni, identificando la relazione tra gusci e sottogusci di elettroni.
Punti chiave
- Se l’energia di un atomo aumenta, un elettrone nell’atomo viene eccitato. Per tornare al suo stato fondamentale, l’elettrone rilascia energia. L’energia della luce rilasciata quando un elettrone scende di livello energetico è uguale alla differenza di energia tra i due livelli.
- Vista semplicemente, gli elettroni sono disposti in gusci attorno al nucleo di un atomo. Gli elettroni più vicini al nucleo avranno l’energia più bassa. Gli elettroni più lontani dal nucleo avranno un’energia più alta. Un guscio elettronico di un atomo può ospitare 2n2 elettroni (dove n è il livello del guscio).
- In un modello più realistico, gli elettroni si muovono in orbitali atomici, o sottogusci. Ci sono quattro diverse forme di orbitali: s, p, d e f. All’interno di ogni guscio, il sottoguscio s è a un’energia inferiore rispetto al p. Un diagramma orbitale è usato per determinare la configurazione elettronica di un atomo.
- Ci sono linee guida per determinare la configurazione elettronica di un atomo. Un elettrone si sposterà nell’orbitale con energia più bassa. Ogni orbitale può contenere solo una coppia di elettroni. Gli elettroni si separeranno il più possibile all’interno di un guscio.
Termini
- quantizzazioneIl processo di approssimazione di un segnale continuo da un insieme di simboli discreti o valori interi.
- frequenzaIl numero di occorrenze di un evento che si ripete per unità di tempo.
Energia degli elettroni negli orbitali atomici
La struttura centrale di un atomo è il nucleo, che contiene protoni e neutroni. Questo nucleo è circondato da elettroni. Anche se questi elettroni hanno tutti la stessa carica e la stessa massa, ogni elettrone in un atomo ha una diversa quantità di energia. Gli elettroni con l’energia più bassa si trovano più vicini al nucleo, dove la forza di attrazione del nucleo con carica positiva è maggiore. Gli elettroni che hanno un’energia più alta si trovano più lontano.
Quantizzazione dell’energia
Quando l’energia di un atomo aumenta (per esempio, quando una sostanza viene riscaldata), anche l’energia degli elettroni all’interno dell’atomo aumenta, cioè gli elettroni vengono eccitati. Affinché l’elettrone eccitato torni alla sua energia originale, o stato di terra, deve rilasciare energia. Un modo in cui un elettrone può rilasciare energia è emettendo luce. Ogni elemento emette luce ad una specifica frequenza (o colore) al momento del riscaldamento che corrisponde all’energia dell’eccitazione elettronica.
È utile pensare a questo come salire una scalinata. Se non sollevate abbastanza il piede, andrete a sbattere contro il gradino e rimarrete bloccati al livello del suolo. Devi sollevare il piede all’altezza del gradino per andare avanti. Lo stesso vale per gli elettroni e la quantità di energia che possono avere. Questa separazione degli elettroni in unità di energia è chiamata quantizzazione dell’energia perché ci sono solo certe quantità di energia che un elettrone può avere in un atomo. L’energia della luce rilasciata quando un elettrone scende da un livello di energia superiore a un livello di energia inferiore è uguale alla differenza di energia tra i due livelli.
Gusci di elettroni
Cominceremo con un modo molto semplice di mostrare la disposizione degli elettroni intorno a un atomo. Qui, gli elettroni sono disposti in livelli di energia, o gusci, intorno al nucleo di un atomo. Gli elettroni che si trovano nel primo livello energetico (livello energetico 1) sono più vicini al nucleo e avranno l’energia più bassa. Gli elettroni più lontani dal nucleo avranno un’energia più alta. Il guscio elettronico di un atomo può ospitare 2n2 elettroni, dove n è il livello energetico. Per esempio, il primo guscio può ospitare 2 x (1)2 o 2 elettroni. Il secondo guscio può ospitare 2 x (2)2, o 8 elettroni.
Come esempio, il fluoro (F), ha un numero atomico di 9, il che significa che un atomo di fluoro neutro ha 9 elettroni. I primi 2 elettroni si trovano nel primo livello energetico, e gli altri 7 si trovano nel secondo livello energetico.
Orbitali atomici
Anche se gli elettroni possono essere rappresentati semplicemente come anelli che girano intorno al nucleo, in realtà, gli elettroni si muovono lungo percorsi che sono molto più complessi. Questi percorsi sono chiamati orbitali atomici, o sottogusci. Ci sono diverse forme di orbitali: s, p, d e f, ma per ora ci concentreremo principalmente sugli orbitali s e p. Il primo livello energetico contiene solo un orbitale s, il secondo livello energetico contiene un orbitale s e tre orbitali p, e il terzo livello energetico contiene un orbitale s, tre orbitali p e cinque orbitali d. All’interno di ogni livello energetico, l’orbitale s si trova ad un’energia inferiore rispetto agli orbitali p.
Un diagramma orbitale aiuta a determinare la configurazione elettronica di un elemento. La configurazione elettronica di un elemento è la disposizione degli elettroni nei gusci. Ci sono alcune linee guida per calcolare questa configurazione:
- Ogni orbitale può contenere solo due elettroni. Gli elettroni che si trovano insieme in un orbitale sono chiamati una coppia di elettroni.
- Un elettrone cercherà sempre di entrare nell’orbitale con l’energia più bassa.
- Un elettrone può occupare un orbitale da solo, ma preferisce occupare un orbitale di energia inferiore con un altro elettrone prima di occupare un orbitale di energia superiore. In altre parole, all’interno di un livello energetico, gli elettroni riempiranno un orbitale s prima di iniziare a riempire gli orbitali p.
- Il sottoguscio s può contenere 2 elettroni.
- Il sottoguscio p può contenere 6 elettroni.
Le configurazioni degli elettroni possono essere usate per razionalizzare le proprietà chimiche nella chimica inorganica e organica. E’ anche usato per interpretare gli spettri atomici, il metodo usato per misurare l’energia della luce emessa da elementi e composti.