La configurazione elettronica descrive dove e in quali orbitali atomici si trovano gli elettroni intorno al nucleo. Per fare ciò si utilizza il Principio di Aufbau formulato dal fisico danese Niels Bohr nel 1929 secondo cui un atomo è costruito da un progressivo riempimento degli orbitali con elettroni.
La configurazione elettronica di un atomo mostra, infatti, il numero di elettroni in ogni livello di energia dell’atomo allo stato fondamentale. La regola della diagonale o regola di Madelung consente di prevedere l’ordine di riempimento degli orbitali per avere la configurazione elettronica degli elementi.
Ogni elettrone è caratterizzato da quattro numeri quantici:
Numero quantico principale correlato all’energia dell’orbitale cioè dalla distanza dell’elettrone dal nucleo. Esso assume valori interi che vanno da 0 a 7. Questo numero si indica con (n)
Numero quantico secondario correlato alla forma dell’orbitale esso assume valori interi che vanno da 0 a n – 1. Il numero quantico secondario si indica con (l)
Se n = 1 si ha che l = 0 e l’orbitale è di tipo s
Se n = 2 i possibili valori di l sono 0 e 1 a cui corrisponde l’orbitale è di tipo p
Se n = 3 i possibili valori di l sono 0 e 1 e 2 a cui corrisponde l’orbitale è di tipo d
Se n = 4 i possibili valori di l sono 0 ,1, 2 e 3 a cui corrisponde l’orbitale è di tipo f
Numero quantico magnetico correlato all’orientazione dell’orbitale nello spazio. Esso assume valori che vanno da – l a + l compreso lo zero. Questo numero si indica con (m)
Numero quantico di spin che definisce il movimento rotatorio degli elettroni. Esso assume due valori possibili + ½ e – ½ che definiscono il movimento di rotazione degli elettroni intorno al proprio asse in senso orario e antiorario.
La regola di Madelung detta n+l serve a stabilire l’ordine di riempimento degli orbitali: gli orbitali con un valore di n+l inferiore sono riempiti prima quelli con valori n+l superiori. Questa regola consente di ricavare la configurazione elettronica di un elemento disponendo gli elettroni negli orbitali riempendo gli orbitali in successione.
Configurazione elettronica e principi
Il principio di esclusione di Pauli, insieme al principio dell’Aufbau e alla regola di Hund consente di determinare la configurazione elettronica di un atomo e di conoscere il numero di elettroni spaiati.
Secondo il principio di esclusione di Pauli formulato nel 1925 in un atomo non possono esistere elettroni che abbiano gli stessi numeri quantici. Il principio è dovuto a Wolfgang Ernst Pauli fisico austriaco naturalizzato statunitense che fu tra i padri fondatori della meccanica quantistica grazie al quale vinse il Premio Nobel nel 1945.
La regola di Hund, nota come principio della massima molteplicità, fu formulata dal fisico tedesco Friedrich Hund nel 1925.
Secondo la regola Hund quando sono disponibili due o più orbitali di uguale energia gli elettroni tenderanno a occuparne il maggior numero possibile. Gli elettroni si dispongono con spin parallelo per massimizzare la molteplicità
Per stabilire in quali orbitali atomici si accomodano gli elettroni, ovvero per procedere alla “costruzione” (Aufbau) ideale degli atomi si considera il diagramma delle energie
La distribuzione degli elettroni negli orbitali è indicata con il termine di configurazione.
Esempi
L’atomo di idrogeno ha quindi configurazione elettronica 1s1 dove il termine 1 in alto a destra indica il numero di elettroni presenti nell’orbitale 1s. la configurazione 1s1 rappresenta lo stato fondamentale, ovvero lo stato a minore energia.
Quando si aggiungono altri elettroni, si deve tener presente che essi, nello stato fondamentale occuperanno gli orbitali a più bassa energia compatibilmente con il Principio di Pauli.
Così l’elio, che è l’elemento successivo all’idrogeno in ordine di numero atomico e che, quindi ha due elettroni, ha configurazione 1s2 con i due elettroni nell’orbitale 1s. questi due elettroni, per il principio di Pauli dovranno avere numero quantico di spin rispettivamente + ½ e – ½ . Si dice che tali elettroni sono a spin appaiati o antiparalleli. Con la configurazione 1s2 si è riempito il primo strato con n = 1 o guscio K.
Perciò il litio che ha tre elettroni, per il principio di Pauli, non può avere un altro elettrone in 1s e, poiché nel diagramma energetico l’orbitale successivo, in termini di energia è il 2s, si ha che la configurazione elettronica del litio è 1s2, 2s1.
Il berillio che ha quattro elettroni ha quindi configurazione 1s2,2s2 e tutti gli elettroni hanno spin appaiati. Analogamente, il boro che ha cinque elettroni, seguendo il diagramma delle energie, ha configurazione 1s2,2s2,2p1.
Per l’atomo di carbonio che ha sei elettroni, la configurazione è 1s2,2s2,2p2. E’ da chiarire che, per la regola di Hund i due elettroni p si sistemano in due diversi orbitali con spin spaiato, ovvero, con spin paralleli.
L’atomo di azoto che ha sette elettroni ha configurazione 1s2,2s2,2p3 con i tre elettroni spaiati. Aggiungendo un altro elettrone si ha una configurazione 1s2,2s2,2p4 propria dell’atomo di ossigeno.
In questo caso si hanno due elettroni spaiati perché il quarto si deve disporre in modo antiparallelo in uno degli orbitali p. procedendo in questo modo si ha la configurazione 1s2,2s2,2p5 del fluoro e 1s2,2s2,2p6 del neon. Con l’atomo di neon tutti gli orbitali del secondo guscio, ovvero il guscio L ( n = 2) risultano occupati.