Ordine di riempimento degli orbitali dei metalli del blocco d: diagramma delle energie
L’ordine di riempimento degli orbitali dei metalli del blocco d, tranne per il cromo e il rame, avviene riempiendo prima l’orbitale 4s e successivamente l’orbitale 3d. Il metodo dell’Aufbau, proposto per primo da Niels Bohr nel 1920, costituisce uno strumento per comprendere come gli elettroni di un atomo si dispongono intorno al nucleo.
Per stabilire in quali orbitali atomici si accomodano gli elettroni si deve partire dal principio di esclusione di Pauli, dalla regola di Hund e dal diagramma delle energie. Secondo il principio di Pauli, in un atomo non possono esserci due elettroni aventi gli stessi numeri quantici, ovvero in un livello energetico possono essere presenti al massimo due elettroni e, se ve ne sono due, essi devono avere spin opposti.
Nel rispetto della regola di Hund, o principio della massima molteplicità, quando devono essere riempiti orbitali aventi la stessa energia, gli elettroni si dispongono prima con spin parallelo, ovvero uno per orbitale, e solo se il loro numero lo consente, vanno successivamente a saturare gli orbitali.
Diagramma delle energie
Il diagramma delle energie mostra che gli orbitali 3d hanno energia maggiore rispetto all’orbitale 4s, quindi quest’ultimo orbitale va riempito prima dell’orbitale 3d.
Questo fenomeno non si verifica solo per l’orbitale 4s, ma anche, ad esempio, per il 5s rispetto all’orbitale 4d e per l’orbitale 4f rispetto al 6s. Dalla configurazione elettronica dei metalli del blocco d, tranne per il cromo e il rame, si può notare l’ordine di riempimento.
Tabella
Elemento | Numero atomico | Configurazione elettronica
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Scandio | 21 | [Ar] 3d¹, 4s²
Titanio | 22 | [Ar] 3d², 4s²
Vanadio | 23 | [Ar] 3d³, 4s²
Cromo | 24 | [Ar] 3d⁵, 4s¹
Manganese | 25 | [Ar] 3d⁵, 4s²
Ferro | 26 | [Ar] 3d⁶, 4s²
Cobalto | 27 | [Ar] 3d⁷, 4s²
Nichel | 28 | [Ar] 3d⁸, 4s²
Rame | 29 | [Ar] 3d¹⁰, 4s¹
Zinco | 30 | [Ar] 3d¹⁰, 4s²
Consideriamo ora la configurazione elettronica del ferro e dello ione Fe^3+:
– Fe : [Ar] 3d⁶, 4s²
– Fe^3+: [Ar] 3d⁵
La configurazione dello ione ferro mostra un’incongruenza rispetto a quanto detto in precedenza. Infatti, se l’orbitale 3d ha un’energia maggiore rispetto all’orbitale 4s, allora gli elettroni dovrebbero essere persi dall’orbitale 3d. Per gli elementi del blocco d, dallo scandio allo zinco, l’energia degli orbitali 3d è minore rispetto a quella dell’orbitale 4s.
Pertanto, la configurazione elettronica dello scandio non è [Ar] 3d³, bensì [Ar] 3d¹, 4s². Tuttavia, quando gli elementi del blocco d perdono elettroni per dare ioni, gli elettroni che vengono persi per primi sono quelli dell’orbitale 4s.
Si noti inoltre che le eccezioni del cromo e del rame sono dovute al fatto che è presente una maggiore stabilità a causa del riempimento parziale e totale degli orbitali 3d rispettivamente.