Tavola periodica e orbitali

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Tavola periodica e orbitali

La struttura della tavola periodica degli elementi è legata alla conﬁ gurazione elettronica degli atomi che rap- presenta il modo in cui gli elettroni si distribuiscono negli orbitali atomici.

Per determinare la conﬁ gurazione elettronica è necessario seguire tre regole di base:

ogni orbitale può contenere al massimo due elettroni con spin opposti (principio di esclusione di Pauli);

allo stato fondamentale, gli elettroni occupano gli orbitali con la minore energia possibile (principio di co- struzione AUF-BAU);

in presenza di più elettroni alla stessa energia, prima si inserisce un elettrone in ciascun orbitale vuoto, poi si riempiono quelli semipieni (regola di Hund).

L’ordine con cui sono riempiti gli orbitali segue il criterio dell’energia crescente. In generale, sono riempiti prima gli orbitali con basso numero quantico principale, più vicini al nucleo e più stabili; in seguito vengono occupati gli orbitali più distanti a energia maggiore.

Ricordare la sequenza di riempimento degli orbitali non è sempre facile poiché esistono delle eccezioni: ad esempio, dopo il riempimento degli orbitali 3p con sei elettroni si dovrebbe procedere con gli orbitali 3d.

Invece, sperimentalmente è emerso che gli elettroni degli orbitali 4s hanno energia minore, quindi sono più vicini al nucleo. Pertanto, gli orbitali 4s vengono riempiti prima dei 3d.

Andamento dell’energia degli orbitali atomici.

Vediamo un semplice esempio: il carbonio ha sei elettroni (Z = 6) che verranno collocati negli orbitali a partire da quello 1s a minore energia, che ne conterrà al massimo 2. Altri due elettroni saranno collocati nel livello successivo nell’orbitale 2s e gli ultimi due, rispettando la regola di Hund, negli orbitali 2p_x e 2p_y. La conﬁ gurazione elettronica del carbonio sarà così rappresentata: 1s² 2s² 2p².

La tavola periodica rispecchia il riempimento degli orbitali, pertanto è molto utile per determinare la conﬁ - gurazione elettronica di un atomo, senza dover necessariamente ricordare a memoria la successione di tutti i sottolivelli. Ognuno dei sette periodi, corrispondenti ai sette livelli principali di energia, inizia con un elemento che ha un solo elettrone in un orbitale s. Il primo periodo contiene solo due elementi (H e He) perché l’orbitale 1s può al massimo contenere due elettroni. Il terzo elettrone del litio (Z = 3) va inserito nel livello successivo con n = 2, così inizia il secondo periodo. Il quarto elettrone del berillio andrà a completare l’orbitale 2s e con il boro inizierà il riempimento dell’orbitale 2p.

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Percorrendo la tavola lungo i periodi, quindi, si segue spontaneamente la corretta sequenza di riempimento degli orbitali a energia crescente.

La tavola periodica può essere suddivisa, così, in quattro blocchi:

blocco s, corrispondente al riempimento degli orbitali s (famiglia dei metalli alcalini e alcalini terrosi);

blocco p, corrispondente al riempimento degli orbitali p (ultimi sei gruppi a destra);

blocco d, corrispondente al riempimento degli orbitali d (elementi della serie di transizione);

blocco f, corrispondente al riempimento degli orbitali f (lantanidi e attinidi).

Suddivisione in blocchi della tavola periodica in base alla sequenza di riempimento degli orbitali.

Il blocco d inizia con lo scandio (Z = 21), elemento che inizia a riempire l’orbitale 3d. Lo scandio segue il calcio (Z = 20) che completa l’orbitale 4s. Pertanto, l’orbitale 4s viene riempito prima del 3d.

Ad esempio, volendo determinare la conﬁ gurazione elettronica del calcio, basterà individuare le sue coordi- nate chimiche, ovvero, periodo e gruppo di appartenenza. Il calcio risiede nel 2° gruppo, quindi nel blocco s della tavola. Il suo ultimo livello riempito, quello di valenza, sarà il 4s con due elettroni, inoltre, tutti i precedenti livelli saranno necessariamente completati con i restanti 18 elettroni. La conﬁ gurazione risulterà la seguente: 1s² 2s² 2p² 3s²3p⁶ 4s².

È importante osservare che gli atomi degli elementi che appartengono allo stesso gruppo della tavola perio- dica hanno la stessa conﬁ gurazione elettronica esterna, detta anche di valenza. Tutti i metalli alcalini del primo gruppo, ad esempio, contengono un solo elettrone nel loro ultimo livello occupato, mentre gli alogeni (pe- nultimo gruppo) ne contengono tutti sette. Questa caratteristica ha, in generale, un’importante conseguen- za: gli elementi allo stato gassoso appartenenti allo stesso gruppo hanno proprietà chimiche simili.