Numeri quantici

Secondo il modello atomico di Niels Bohr, i protoni ei neutroni di un atomo sono nel nucleo, mentre gli elettroni sono intorno ad esso. Sebbene non possiamo sapere esattamente dove si trova un elettrone, ci sono aree in cui è più probabile che si trovi, gli orbitali atomici. E come possiamo determinare quegli orbitali? Molto semplice, usando i numeri quantici.

Quali sono i numeri quantici?

Ci sono 4 numeri quantici. Tre di loro ci danno informazioni su dove si trova un elettrone di un certo atomo, cioè ci danno informazioni sull'orbitale. D'altra parte, il quarto numero quantico non ci dice dove si trova l'elettrone, ma come. Non sei ancora molto chiaro su questo? Fallo!

• Numero quantico principale (n). È l'ultimo livello di energia da riempire e indica la dimensione dell'orbitale e quindi la distanza tra il nucleo e l'elettrone. Come mai? Molto facile. Più grande è l'orbitale, più lontano può essere l'elettrone dal nucleo dell'atomo.
• Numero quantico azimutale o secondario (l). Indica la forma dell'orbitale.
• Numero quantico magnetico (m). Indica l'orientamento dell'orbitale.
• Numero quantico di spin (S). Indica in che direzione ruota l'elettrone.

Facile vero? Andiamo con l'importante!

Come si derivano i numeri quantici?

Per ottenere i numeri quantici devi solo seguire 2 semplici passaggi:

1. Scrivi la configurazione elettronica.
2. Ottieni i numeri quantici dall'elettrone differenziale (l'ultimo che riempie l'orbitale).

Configurazione elettronica

Iniziamo con il passaggio 1, scriviamo la configurazione elettronica. Come? Ci sono due metodi per farlo, andiamoci!

Diagramma di Moeller

Questa tecnica indica l'ordine di riempimento degli orbitali attraverso il seguente disegno:

Questo diagramma è governato dal principio Aufbau, che difende che gli orbitali si riempiono in ordine crescente di energia, cioè l'orbitale che ha meno energia si riempirà prima.

Per scoprire quale orbitale ha più energia, viene eseguita l'operazione n + l. Se questa operazione per due atomi diversi risulta nello stesso numero, quello il cui numero n è maggiore avrà più energia. In altre parole, in caso di parità, viene riempito per primo quello con il numero n più basso. Vediamolo con un esempio:

4p: n + l -> 4 + 1 = 5

5s: n + l -> 5 + 0 = 5

Poiché c'è un pareggio nella regola n + l, riempie 4p prima perché il suo numero n è inferiore.

Modello del kernel

Per ottenere la configurazione elettronica seguendo questo modello è necessario conoscere molto bene la tavola periodica. Se abbiamo il numero atomico e la posizione dell'elemento nella tabella, è un gioco da ragazzi!

Questo metodo è considerato un metodo semplificato poiché consente di non dover scrivere la configurazione elettronica completa. In questo modo, possiamo scrivere il nome dell'elemento gas nobile sopra tra parentesi, e quindi il percorso da quel gas nobile all'elemento in questione. Vediamo un esempio:Quindi, scriveremo la traiettoria tenendo conto del numero del periodo (riga della tavola periodica) e della "zona" e, una volta scritta la configurazione elettronica, estrarremo i numeri quantici.

Il fosforo (P) sarà scritto dal gas nobile precedente, cioè Neon:

P -> [Ne] 3s²3p³

Naturalmente, devi stare attento con questo metodo, poiché le zone d e f sono zone speciali. Durante il viaggio, nella zona d non metteremo il numero del periodo (riga), ma il numero del periodo meno uno. Lo stesso accade con l'area F, non metteremo il numero del periodo, ma il numero del periodo meno due. Lo capirai meglio con un paio di esempi:

Nb -> [Kr] 5s¹4d⁴

Sebbene sia nel periodo 5, quando siamo in zona d, sottraiamo 1.

Nd -> [Xe] 6s²4f¹⁴

Sebbene sia nel periodo 6, quando siamo in zona f, sottraiamo 2.

Eccezioni nella configurazione elettronica

La configurazione elettronica ha un paio di aspetti speciali che, se non ne sei a conoscenza, possono portare a grandi alimentatori di testa. Ma non seminare il panico! Te lo diciamo noi!

Zona F

La zona F appare in fondo alla tavola periodica, ma in realtà è "incastonata" nello spazio che vediamo in bianco, cioè tra il primo e il secondo elemento delle ultime due righe della zona D.

Lo vedi? Pertanto, a volte, quando dovremo scrivere la configurazione elettronica di un elemento in zona F, ad esempio Nd, dovremo mettere un elettrone nella zona D del livello corrispondente in riferimento a quell'elemento nella zona D che è prima di entrare zona F

Ce -> [Xe] 6s²5d¹4f¹

Gruppo 6 e Gruppo 11

I metalli di transizione del gruppo 6 e del gruppo 11 hanno rispettivamente 4 e 9 elettroni nei loro ultimi gusci. Pertanto, per essere un elemento più stabile, l'orbitale s si eccita e perde un elettrone, che passa all'orbitale successivo, il d. In questo modo, l'orbitale s sarà lasciato con un elettrone; e la d con 5, se è un elemento del gruppo 6, o con 10, se è un elemento del gruppo 11.

Ecco un esempio:

Ag -> [Kr] 5s²4d⁹

Apparentemente, questa sarebbe la configurazione elettronica dell'argento (Ag). Tuttavia, perdendo un elettrone dall'orbitale s, appare così:

Ag -> [Kr] 5s¹4d¹⁰

Tuttavia, ci sono eccezioni a questa regola, come il tungsteno (gruppo 6), che rimane con 2 elettroni nell'orbitale s e 4 nell'orbitale d.

Ma niente paura, i più tipici (Cr, Cu, Ag e Au) seguono questa regola.

Lo capisci? Bene. Questo è tutto ciò che devi sapere sulla configurazione elettronica. Andiamo per i numeri quantici!

Come ottenere i numeri quantici

Per ottenere i numeri quantici, dobbiamo sapere quanti elettroni stanno in ogni guscio orbitale, tenendo conto che 2 elettroni stanno in un orbitale.

• strato s. Ha un solo orbitale, quindi può contenere 2 elettroni.

• strato più. Ha 3 orbitali, quindi c'è spazio per 6 elettroni.

• Strato d. Ha 5 orbitali, quindi può contenere 10 elettroni.

• Strato f. Ha 7 orbitali, cioè contiene 14 elettroni.

Ora che hai capito che ci sono 2 elettroni in ogni orbitale, dovresti conoscere la regola di Hund. Questa regola dice che quando si riempiono gli orbitali dello stesso sottolivello o guscio, ad esempio il guscio p, gli elettroni riempiono l'orbitale in una direzione (positiva) e poi nell'altra (negativa). Vuoi vederlo con un esempio?

Se abbiamo 2p⁴, cioè l'orbitale 2p con 4 elettroni, non si riempirà in questo modo:

Si riempirà così:

Lo stai ricevendo? Ottimo, vediamo come calcolare i numeri:

• Numero quantico n. Questo numero coincide con il numero dell'ultimo livello della configurazione elettronica. Ad esempio, se la configurazione elettronica termina in 4s², il numero quantico principale sarà 4.
• Numero quantico l. Questo numero dipende dall'ultimo strato che è stato riempito.
• Strato s -> l = 0
• Strato p -> l = 1
• Strato d -> l = 2
• Strato f -> l = 3
• Numero quantico m. Il numero m può essere qualsiasi valore compreso tra -l e + l, quindi dipenderà dal sottolivello in cui si trova l'elettrone differenziale, cioè dal fatto che sia s, p, d o f. Come calcolare questo numero è un po' più complicato, vediamolo con un paio di disegni:
• Livello s -> Come abbiamo visto, l vale 0, quindi m può valere solo 0.
• Livello p -> La l vale 1, quindi la m può essere -1, 0 o 1.

• Livello d -> La l è 2, quindi m potrebbe essere -2, -1, 0, 1 e 2.

• Il livello f -> l vale 3, quindi m può essere -3, -2, -1, 0, 1, 2 e 3.

Sai già come vengono riempiti gli orbitali, quindi il numero quantico m avrà il valore del buco in cui si trova l'ultimo elettrone estratto. Ricordi questo esempio di prima?:

In questo caso, la m sarà -1, poiché nel guscio p (3 orbitali), se ci sono 4 elettroni, l'ultimo a riempirsi sarebbe il negativo del primo orbitale.

• Numero quantico s. I numeri quantici s possono valere solo ½ e -½. Se l'ultimo elettrone estratto è positivo, cioè la freccia è in alto, la s sarà ½. Se invece l'ultimo elettrone a riempire l'orbitale è negativo, cioè con la freccia rivolta verso il basso, la s sarà -½.

Esercizi ed esempi

Sì, sappiamo già che tutto questo è un sacco di informazioni, ma lo capirai meglio con alcuni esempi. Eccoci qui!

Esempio 1

Selenio (Se) -> Numero atomico: 34

1. Scriviamo la configurazione elettronica. Stiamo scrivendo la configurazione elettronica secondo il diagramma di Moeller, tenendo conto che gli orbitali s, p, d e f hanno rispettivamente 2, 6, 10 e 14 elettroni. Scriviamo la configurazione sommando il numero di elettroni, che si scrive come esponente.

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁴

Poiché l'orbitale 4p non si riempie, poiché gli elettroni si sommano a 36, ​​non mettiamo 4p⁶ma 4p⁴.

2. Tiriamo fuori i numeri quantici. Per fare ciò, osserviamo l'elettrone di valenza o differenziale, cioè l'ultimo elettrone che ha riempito l'orbitale. In questo caso, esamineremo 4p⁴.
   • Numero quantico principale. L'ultimo livello di energia da riempire era 4.

n = 4

• Numero quantico secondario. L'ultimo sottolivello energetico da riempire era l'orbitale p.

l = 1

• Numero quantico magnetico. Se stiamo disegnando gli elettroni, l'ultimo a riempirsi sarà il primo orbitale del guscio p.

m = -1

• Numero quantico di spin. L'ultimo elettrone ad occupare l'orbitale p ha la freccia verso il basso.

s = -½

Esempio 2

Oro (Au) -> [Xe] 6s¹4f¹⁴5d¹⁰

• Numero quantico principale -> n = 5
• Numero quantico secondario -> l = 2
• Numero quantico magnetico -> m = 2
• Numero quantico di spin -> s = -½

E questo è tutto! Ora tocca a te, potresti fare la configurazione elettronica e ottenere i numeri quantici dei seguenti elementi?:

Cr(24), Rb(37), Br(35), Lu(71), Au(79)