Configurazione elettronica di atomi multielettronici

Il sodio metallico alcalin (numero atomico 11) ha un elettrone in più dell’atomo neon. Questo elettrone deve entrare nel subshell a più bassa energia disponibile, l’orbitale 3s, dando una configurazione 1s^{22 s 2}2p⁶3s^1. Gli elettroni che occupano gli orbitali del guscio più esterno (valore più alto di n) sono chiamati elettroni di valenza, e quelli che occupano gli orbitali del guscio interno sono chiamati elettroni del nucleo. Poiché i gusci elettronici del nucleo corrispondono a configurazioni di elettroni di gas nobili, possiamo abbreviare le configurazioni degli elettroni scrivendo il gas nobile che corrisponde alla configurazione elettronica del nucleo, insieme agli elettroni di valenza in un formato condensato. Per il sodio, il simbolo [Ne] rappresenta gli elettroni del nucleo, (1s²2s²2p⁶), e la configurazione abbreviata o condensata è [Ne]3s¹.

Allo stesso modo, la configurazione abbreviata del litio può essere rappresentata come [He]2s¹, dove [He] rappresenta la configurazione dell’atomo di elio, che è identica a quella del guscio interno riempito di litio. Scrivere le configurazioni in questo modo enfatizza la somiglianza delle configurazioni di litio e sodio. Entrambi gli atomi, che fanno parte della famiglia dei metalli alcali, hanno un solo elettrone in un sottoguscio di valenza al di fuori di un insieme riempito di gusci interni.

Li: [Lui]2s¹

Na: [Ne]3s¹

Il magnesio alcalino di metallo terrestre (numero atomico 12), con i suoi 12 elettroni in una configurazione [Ne]3s^2, è analogo al suo membro della famiglia berillio, [He]2s². Entrambi gli atomi hanno un guscio di s riempito al di fuori dei loro gusci interni riempiti. L’alluminio (numero atomico 13), con 13 elettroni e la configurazione elettronica [Ne]3s²3p¹, è analogo al suo boro membro della famiglia, [He]2s²2p¹.

Le configurazioni elettrone di silicio (14 elettroni), fosforo (15 elettroni), zolfo (16 elettroni), cloro (17 elettroni) e argon (18 elettroni) sono analoghe nelle configurazioni di elettroni dei loro gusci esterni al carbonio dei loro corrispondenti membri della famiglia, azoto, ossigeno, fluoro e neon, rispettivamente, tranne per il fatto che il numero quantico principale del guscio esterno degli elementi più pesanti è aumentato di uno a n = 3.

Quando si arriva all’elemento successivo nella tavola periodica, il potassio metallico alcalinico (numero atomico 19), ci si potrebbe aspettare che inizieremo ad aggiungere elettroni alla sottoshell3d. Tuttavia, tutte le prove chimiche e fisiche disponibili indicano che il potassio è come litio e sodio, e che le prossime elezioni non vengono aggiunte al livello3d ma vengono invece aggiunte al livello 4s. Come discusso in precedenza, l’orbitale3d senza nodi radiali è più alto in energia perché è meno penetrante e più schermato dal nucleo rispetto al 4s, che ha tre nodi radiali. Pertanto, il potassio ha una configurazione elettronica di [Ar]4s¹. Quindi, il potassio corrisponde a Li e Na nella sua configurazione del guscio di valenza. L’elettrone successivo viene aggiunto per completare il sottoguscio 4s e il calcio ha una configurazione elettronica di [Ar]4s². Questo dà al calcio una configurazione elettronica del guscio esterno corrispondente a quella del berillio e del magnesio.

Nel caso di Cr e Cu, troviamo che le sottoshell semicompilati e completamente riempite apparentemente rappresentano condizioni di stabilità preferita. Questa stabilità è tale che l’elettrone si sposta dai 4s all’orbitale3d per ottenere la stabilità extra di un sottoguscio 3d semicompilati (in Cr) o di una sottoshell 3d riempita (in Cu). Si verificano anche altre eccezioni. Ad esempio, si prevede che il niobio (Nb, numero atomico 41) abbia la configurazione elettronica [Kr]5s²4d³. Sperimentalmente, osserviamo che la sua configurazione elettronica allo stato del suolo è in realtà [Kr]5s¹4d ⁴. Possiamo razionalizzare questa osservazione dicendo che le repulsioni elettrone-elettrone sperimentate accoppiando gli elettroni nell’orbitale 5s sono più grandi dello spazio di energia tra gli orbitali 5s e4d. Non esiste un metodo semplice per prevedere le eccezioni per gli atomi in cui la grandezza delle repulsioni tra elettroni è maggiore delle piccole differenze di energia tra le sottoshell.

Questo testo è adattato da Openstax, Chimica 2e, Sezione 6.4: Struttura elettronica degli atomi.