Elettroni e periodicita' chimica

ELETTRONI E PERIODICITA' CHIMICA

IL COMPORTAMENTO DEGLI ELETTRONI NEGLI ATOMI

Ogni coppia d'elettroni si troverà con maggiore probabilità in un territorio o nuvola intorno al nucleo definito orbitale. Gli orbitali non contengono mai più di due elettroni e gli elettroni si trovano raramente lontano dal loro orbitale.

Gli orbitali possono essere classificati in base alla loro energia, quelli con energia minima hanno una forma semplice, sono più vicini al nucleo e quando all'atomo vengono aggiunti altri elettroni questi sono riempiti per primi.

La regione diventò chiara quando fu scoperto che particelle microscopiche come gli elettroni hanno anche le proprietà delle onde. Quando vennero riconosciute le proprietà ondulatorie dell'elettrone, divenne presto possibile calcolare le forme e le dimensioni degli orbitali o regioni intorno al nucleo occupate da un elettrone con una data energia.

LUCE, COLORE ED ENERGIA

Due interessanti principi:

-Il movimento dell'onda è ripetitivo. Ogni anello consiste in un numero d'onde concentriche, ognuna distanziata in modo uniforme dalle onde che le stanno vicino. La distanza tra punti corrispondenti d'onde adiacenti è lo spazio occupato da un'onda e viene chiamato lunghezza d'onda.

-La lunghezza d'onda è in relazione con la frequenza della generazione dell'onda stessa.

La frequenza viene misurata in unità d'onde al secondo o herz (Hz). Per una data velocità d'onda (v), la lunghezza d'onda è inversamente proporzionale alla frequenza (f).

Lunghezza d'onda = velocità

Frequenza

Per onde che si muovono a velocità costante, la lunghezza d'onda diventa più corta quando la frequenza diventa più alta.

LUCE E COLORE

La luce è una forma di movimento d'onde che ha molte proprietà in comune con le onde dell'acqua e le onde sonore. La luce però è una forma di radiazione elettromagnetica, cioè una forma di movimento d'onda che comprende campi elettrici alternati a campi magnetici. La luce viaggia ad una velocità estremamente elevata e a causa di questa frequenza così elevata possiede onde molto corte.

Lo spettro della luce visibile disposto da lunghezze d'onda lunghe verso lunghezze d'onda più corte comprende i colori rosso, arancio, giallo, verde, blu e violetto.

LUCE ED ENERGIA

La luce di lunghezza d'onda minore e frequenza più alta trasporta maggior energia.

I fotoni sono pacchetti d'onda molto piccoli che vengono anche definiti "quanti".

L'ATOMO DI BOHR

Bohr si era convinto che gli elettroni fossero distribuiti intorno al nucleo atomico in maniera alquanto regolare. Osservando le linee spettrali di alcuni gas riscaldati, notò che producevano solo alcuni tipi di colori, cioè uno spettro a linee, mentre tutti i solidi caldi emettevano uno spettro continuo o spettro a bande, contenente tutti i colori della luce. Propose quindi che gli elettroni si muovessero intorno al nucleo in maniera del tutto simile a quella dei pianeti che girano in orbite intorno al sole e questo fu il modello planetario dell'elettrone di Bohr. Egli ipotizzò inoltre che gli elettroni potessero saltare liberamente da un'orbita all'altra. Gli elettroni potevano, infatti, saltare entro orbite ad energia maggiore quando il gas veniva riscaldato, per ritornare alle orbite più interne, ad energia minore, quando il gas si raffreddava.

Salti orbitali più grandi producono maggiore energia e quindi una luce più blu. Bohr concluse che fossero possibili soltanto alcuni salti degli elettroni e quindi, che dovessero esistere solo alcune orbite.

Elaborò un'equazione utile per predire i colori prodotti dai salti di orbitali degli elettroni nell'idrogeno riscaldato. Il successo dell'ipotesi dell'elettrone planetario di Bohr portò molti a credere che gli elettroni compiano delle orbite intorno ai nuclei come i pianeti intorno al sole.

ORBITALI

De Broglie propose che oggetti microscopici come gli elettroni avessero proprietà ondulatorie osservabili e si comportassero in maniera simile alle onde d'acqua. Ipotizzò che vi fossero alcune regioni intorno al nucleo dove le onde degli elettroni si sommano o si rinforzano ed altre in cui esse si cancellano, quindi gli elettroni dovrebbero essere visibili solo dove le loro onde si rinforzano.

Egli propose inoltre che la densità elettronica fosse elevata nelle regioni in cui le onde si sommano e bassa dove le stesse si annullano.

I suoi risultati erano espressi in termini di probabilità di trovare un elettrone più che di localizzare con sicurezza l'orbitale dell'elettrone. Ipotizzò nuvole di forme diverse che circondavano il nucleo, in cui si potevano trovare gli elettroni di diversa energia; ogni nuvola richiudeva una regione in cui le onde elettroniche si rinforzavano. Ogni nuvola poteva contenere due elettroni e veniva chiamata orbitale. Per descrivere ogni orbitale che circonda un atomo venivano utilizzati tre numeri detti numeri quantici. Il primo numero (n) descriveva la distanza media di ciascun gruppo principale di elettroni dal nucleo. Un secondo numero (l) indicava la forma dell'orbitale. Un terzo numero (m) designava la direzione nello spazio dell'orbitale rispetto ad un sistema di assi ipotetici x, y, z il cui centro passava per il nucleo.

Un numero 0 corrisponde a una forma sferica o ad un orbitale s; un numero 1 corrisponde ad un orbitale a forma di clava chiamato p; un numero 2 indicante un orbitale simile ad un quadrifoglio chiamato d ed un numero 3 indicante un orbitale f a sei lobi.

Ai tre numeri quantici proposti si aggiunse un quarto numero per indicare lo spin elettronico.

Si consideri il primo gruppo di elettroni, quello più vicino al nucleo, è possibile solo un tipo o forma di orbitale elettronico, quello con la forma più semplice: un orbitale sferico chiamato s.

Per il secondo gruppo di elettroni sono possibili due forme di orbitali. La prima è sferica e simmetrica e viene detta orbitale 2s. L'altro insieme di orbitali nel secondo gruppo elettronico ha una forma a p. Questi sono orientati secondo tre assi x, y, z assegnati arbitrariamente e vengono chiamati orbitali px, py, pz.

Il terzo gruppo di elettroni ha tre tipi diversi di orbitali e contiene un orbitale s, tre orbitali p e cinque orbitali d.

Il quarto gruppo di elettroni ha un orbitale s, tre orbitali p, cinque orbitali d e sette orbitali f. Ogni orbitale può essere indicato con un numero detto numero quantico principale, che indica il suo gruppo elettronico più importante o la distanza dal nucleo ed una lettera (s, p, d o f), con la quale si descrive la forma.

ORBITALE: regione di spazio dell'atomo occupata da un massimo di due elettroni.

NUMERI QUANTICI: insieme di numeri usati per indicare un gruppo elettronico, la forma del suo orbitale e il suo orientamento nello spazio.

NUMERO QUANTICO PRINCIPALE: numero quantico usato per indicare il gruppo elettronico più importante di un elettrone; la sua distanza dal nucleo.

SERIE DI COMPLETAMENTO ELETTRONICO

La serie di completamento elettronico è un metodo molto semplice per prevedere la sequenza di riempimento degli orbitali, seguendo il principio che gli elettroni riempiano prima orbitali a minor energia.

Lo spin è collegato con i due possibili tipi di moto rotatorio dell'elettrone attorno al proprio asse.

A causa della forma più complessa degli orbitali d, l'orbitale del quarto gruppo di elettroni, cioè quello s, si riempie prima dall'orbitale d del gruppo inferiore.

Le regole sono semplici: gli orbitali ad energia più bassa vengono riempiti per primi, con due elettroni per ciascun orbitale.

REGOLA DI HUND

Poiché gli elettroni hanno carica negativa, sembra logico che si abbia una situazione ad energia più bassa se due elettroni si trovano in orbitali separati con caratteristiche direzionali diverse, che non se essi occupino lo stesso orbitale. La regola quindi indica che gli elettroni non si appaiano fino a quando ciascun orbitale di uguale energia non sia occupato da almeno un elettrone.

SERIE DI COMPLETAMENTO: sistema in cui gli orbitali vengono riempiti di elettroni a partire da quelli ad energia più bassa.

METODO DEGLI ELETTRONI PUNTIFORMI: rappresentazione grafica veloce di scrittura del gruppo elettronico più esterno dell'atomo (formule di Lewis)

GLI ELETTRONI E LA TAVOLA PERIODICA

E' logico pensare che il comportamento chimico di un atomo sia in relazione con la disposizione dei suoi elettroni più esterni. Gli elementi nelle colonne verticali hanno lo stesso numero di elettroni s e p.

Gli elementi nelle colonne verticali della tavola periodica hanno configurazioni elettroniche simili nel gruppo più esterno. Questa è la ragione della somiglianza del loro comportamento chimico.