Chimica e laboratorio L’atomo: configurazione elettronica e tavola periodica Classi quarte Docente: Luciano Canu Anno Scolastico 2005/2006

Prerequisiti Conoscere l’evoluzione delle conoscenze sulla costituzione dell’atomo, da Democrito a Rutherford Conoscere e saper interpretare, guidati, i fatti sperimentali e i fenomeni quotidiani che indicano la natura elettrica della materia

Obiettivi Acquisire il concetto di energia di ionizzazione e di affinità elettronica Capire che attorno al nucleo sono disposti gli elettroni in livelli di energia crescente Conoscere e capire il significato di quantizzazione dell’energia nell’atomo Riconoscere nelle prove sperimentali la conferma del modello di Bohr e dell’esistenza dei livelli elettronici

L’atomo da Democrito a Rutherford nel 1911 Democrito Dalton nel IV secolo a. C. Thomson nel 1803 nel 1900 Rutherford Bohr nel 1913

La ionizzazione: cationi Quando si fornisce il pacchetto d’energia giusto l’atomo può perdere un elettrone Si deve fornire energia all’atomo per allontanare l’elettrone Il primo elettrone perso è sempre il più lontano dal nucleo Quando un atomo neutro perde un elettrone si carica positivamente Si è formato uno ione, un catione E N+ N e-

La ionizzazione: anioni Cl- Cl Alcuni elementi hanno la capacità di acquistare elettroni Quando uno di tali atomi acquista un elettrone emette un pacchetto di energia Il primo elettrone acquistato occupa il livello più lontano dal nucleo Quando un atomo neutro acquisisce un elettrone si carica negativamente Si è formato uno ione, un anione E e-

Gli ioni: definizioni + + + + +3 - +3 - +3 - + EI AE + + + - - Uno ione è un atomo o un gruppo atomico che ha acquisito o perso uno o più elettroni (anioni, cationi) L’energia di ionizzazione è l’energia necessaria a estrarre un elettrone da un atomo neutro L’affinità elettronica è l’energia emessa da un atomo neutro per addizione di un elettrone

Il diagramma delle EI

Uno scaffale per gli elettroni Un elettrone che si trova in una certa orbita possiede l’energia associata a quel livello I livelli più vicini al nucleo hanno meno energia, quelli più lontani ne hanno di più Le orbite e quindi le energie permesse sono poche e ben precise Come in uno scaffale: i libri possono trovare posto solo ad altezze ben precise, in corrispondenza di un ripiano

La quantizzazione dell’energia Gli elettroni possono occupare solo i livelli a distanze ed energie ben precise atomo e- I livelli intermedi sono da considerarsi “proibiti” e- Tra due livelli c’è una differenza di energia corrispondente ad un “pacchetto” di precise dimensioni e- e- e- Se si fornisce una confezione di energia adatta… nucleo E1 E2 E3 E4 E5 …è possibile promuovere un elettrone dal livello fondamentale a quello eccitato Pacchetti d’energia diversi non sono assorbiti dall’atomo e gli elettroni non si spostano verso livelli che risultano proibiti

Gli stati dell’atomo Definizione: lo stato dell’atomo in condizioni di stabilità ed energia minima si definisce fondamentale Definizione: l’atomo che ha assorbito un pacchetto di energia opportuno raggiunge lo stato eccitato Definizione: quando l’atomo assorbe un pacchetto d’energia e l’elettrone utilizza questa energia per raggiungere un livello più alto, l’elettrone si definisce promosso quanto e- nucleo L1 L2 L3 atomo luce e- e- e- e- e-

Una prova sperimentale Il modello di atomo di Bohr spiegava un fenomeno già conosciuto: gli spettri L’atomo di idrogeno allo stato di gas, quando colpito da una radiazioni elettromagnetiche Emette una serie di righe spettrali che corrispondono a valori di energia ben precisi Non sono emessi casualmente ma presentano valori ben definiti

Spiegazione L’organizzazione degli elettroni in livelli energetici stabili era in ottimo accordo con l’esistenza degli spettri atomici L’atomo funzionerebbe come un filtro assorbendo solo i pacchetti energetici compatibili con i suoi salti elettronici e successivamente restituendoli Si ottengono emissioni energetiche ben precise (discrete) a lunghezze d’onda caratteristiche L’atomo può essere riconosciuto proprio da queste tipiche risposte spettrali

Sistema periodico La struttura elettronica degli elementi può essere descritta e risulta in effetti più comprensibile utilizzando la tavola periodica degli elementi Tutti gli elementi sono distribuiti su sette righe denominate periodi Ciascun periodo corrisponde ad un livello elettronico Livello 1 Livello 2 Livello 3 Livello 4 Livello 5 Livello 6 Livello 7

Gli elementi Ogni elemento è rappresentato da una casella Gli elementi sono ordinati in ordine di numero atomico (Z) crescente Ciascun casella del periodo corrisponde al posizionamento di un elettrone nel primo livello libero dell’elemento corrispondente H Z=1 1 elettrone nel primo livello energetico (incompleto) He Z=2 2 elettroni nel primo livello energetico (completo) N Z=7 7 elettroni: 2 primo livello energetico (completo) 5 elettroni nel secondo livello (incompleto) Ar Z=18 18 elettroni: 2 primo livello energetico (completo) 8 elettroni nel secondo livello (completo) 8 elettroni nel terzo livello (completo)

I livelli Ogni riga inizia con un elemento che posiziona il primo elettrone nel livello energetico corrispondente Ogni riga termina con un elemento che posizione l’ultimo elettrone per quel livello corrispondente Inizio del livello Primo elettrone Livello completo Ultimo elettrone

Disporre gli elettroni Utilizzando la tavola periodica possiamo descrivere la struttura elettronica di un elemento Nucleo di Magnesio Terzo livello Primo livello Due elettroni Secondo livello

Gruppo dei metalli alcalini Gruppo dei metalli alcalino-terrosi I gruppi e le famiglie Gli elementi che costituiscono una colonna individuano un gruppo Tutti gli elementi di un gruppo hanno l’ultimo livello riempito con un numero di elettroni uguali Gli elementi di un gruppo si somigliano chimicamente perché la situazione elettronica del livello più esterno è quella che determina il comportamento chimico Gruppo dei metalli alcalini Gruppo dei metalli alcalino-terrosi Gruppo dei gas nobili Gruppo degli alogeni

La periodicità Le proprietà chimiche e fisiche all’interno di un periodo variano con continuità Ma una volta che un livello è riempito con il suo numero massimo di elettroni Si riparte con il primo elettrone nel livello successivo Le proprietà seguono un andamento simile a quello del livello precedente (periodicità) 1 2 3 Elettroni dell’ultimo livello

Gli elettroni di valenza Gli elettroni dell’ultimo livello di ciascun elemento ne determinano il comportamento chimico Sono chiamati elettroni di valenza Il numero del gruppo indica quanti elettroni di valenza caratterizzano quell’elemento e quella famiglia chimica I gruppi sono indicati con numeri romani I II III IV V VI VII VIII

I sottolivelli Osservando meglio il diagramma delle energie di ionizzazione dei primi 20 elementi della tavola periodica si osserva Tutti gli otto elettroni di un livello non si trovano alla stessa energia In un livello gli elettroni si raggruppano in due insiemi energetici leggermente diversi

Quanti sottolivelli? Lo schema evidenzia solo 2 sottolivelli In realtà i sottolivelli energetici occupati da elettroni sono 4 La tavola periodica evidenzia gli elementi che posizionano almeno il loro ultimo elettrone in questo tipo di sottolivello Elementi del blocco s Sottolivelli s Elementi del blocco p Sottolivelli p Elementi del blocco d Sottolivelli d Elementi del blocco f Sottolivelli f

Un tabella riassuntiva Livello N° sottolivelli Nome e ordine di riempimento N° massimo di e- per ogni sottolivello 1° Uno s 2 2° Due s, p 2, 6 3° 4° Tre s, d, p 2, 10, 6 5° 6° Quattro s, f, d, p 2, 14, 10, 6 7°

Metalli e non metalli La tavola periodica sotto mette in evidenza gli elementi Metallici (in giallo) Non-metallici (in arancione scuro) Semimetallici (in arancione chiaro)

Caratteristiche I metalli sono in numero maggiore Presentano in misura variabile: Malleabilità, duttilità (plasticità) Lucentezza Conducibilità termica ed elettrica Solidi molto densi I non-metalli non presentano queste caratteristiche Ma non hanno comportamento uniforme Possono essere solidi, liquidi e gassosi I semimetalli hanno comportamento ibrido

Pagine da cui studiare Pg 172 I metalli Pg 173 non metalli e semimetalli Pg 178-179 Tavola periodica (le famiglie chimiche) Pg 186 La valenza chimica Pg 228-237 Struttura elettronica degli atomi

Approfondisci: energia associata ai livelli Un libro posizionato in un ripiano acquista energia in relazione all’altezza del ripiano L’energia acquisita dal libro caratterizza il ripiano o meglio la sua altezza Il libro è sempre lo stesso ma se si trova vicino a terra quando cade non provoca danni Se lo stesso libro ci cade in testa da un ripiano molto alto può farci molto male poiché possiede molta energia

Approfondisci: livelli permessi I libri dello scaffale possono essere posizionati ad altezze ben precise Poche altezze sono consentite (5 piani solo 5 altezze) Moltissime altezze sono proibite (i libri cadrebbero a terra) Per gli elettroni si parla di distanze dal nucleo e di energia permessa

Un trucco grafico Per ricavare la sequenza degli orbitali senza ricordarla a memoria si può utilizzare lo schema seguente

Esercitazioni sulle configurazioni 1 Scrivere la configurazione elettronica completa dello zinco (Zn; Z=30) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 Rappresentare la configurazione di valenza utilizzando le caselle quantiche E 3d10 4s2

Esercitazioni sulle configurazioni 2 Scrivere la configurazione elettronica completa dello zinco (Bi; Z=83) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p3 Rappresentare la configurazione di valenza utilizzando le caselle quantiche 6p3 E 5d10 4f14 6s2

Esercitazioni sulle configurazioni 3 Scrivere la configurazione elettronica completa dello stagno (Sn; Z=50) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p2 Rappresentare la configurazione di valenza utilizzando le caselle quantiche E 5p2 4d10 5s2