25 Maggio 2012 Complicazioni nella TPE

Data pubblicazione: May 25, 2012 3:12:47 PM

Abbiamo visto che ogni volta che nell’atomo viene iniziato un nuovo strato di elettroni, nella tavola periodica inizia una nuova riga o periodo di elementi, e i metalli alcalini sono quelli che iniziano la nuova riga, con atomi dotati di un solo elettrone esterno.

Gli elementi disposti nelle righe oltre la seconda del sistema periodico sono in numero inferiore agli elettroni che si trovano nei diversi gruppi di orbite (strati e sottostrati).

Ogni nuovo strato di elettroni dell’atomo può ospitare un sottostrato aggiuntivo (s, p, d, f) dove si possono disporre …….. elettroni in più rispetto al sottostrato precedente:

s p d f g elettroni totali strato elementi nel periodo

1° strato 2 2 2

2° strato 2 6 8 8

3° strato 2 6 10 18 8

4° strato 2 6 10 14 32 18

5° strato 2 6 10 14 18 50 18

La terza riga della TPE è da 8 elementi, anziché 18 (= 2 + 6 +10) perché il gruppo di 10 elettroni 3d sarà inserito all’interno del 3° strato solo dopo aver iniziato a occupare il 4° strato con potassio e calcio.

Quindi fino al calcio il 3° strato conserverà “10 posti liberi”, che si riempiranno gradualmente, dallo scandio (Sc, Z = 21) allo zinco (Zn, Z = 30). Tutti gli elementi dal magnesio allo zinco hanno due elettroni esterni, per questo sono tutti capaci di formare, tra gli altri, ioni con carica +2 (es. Zn²⁺).

Gli elementi da Sc a Zn si chiamano metalli di transizione 3d (perché pur trovandosi nel 4° periodo, mettono elettroni nel 3° strato). Gli elementi da Yttrio (Y) a Cadmio (Cd) sono invece metalli di transizione 4d perché pur facendo parte del 5° periodo mettono elettroni nel sottostrato 4d rimasto non occupato dal periodo precedente.

Nel 4° periodo sono stati lasciati liberi non solo i 10 “posti” del sottostrato 3d, ma anche 14 posti del 4f. Quindi nel 6° periodo avremo prima gli elementi Rubidio (Rb) e Stronzio (Sr) che inizieranno il 6° strato dell’atomo con uno e due elettroni rispettivamente. Poi avremo il lantanio (La) che inizierà con il 5d e sarà seguito da 14 elementi (lantanidi) che, dal Cerio (Ce) al Lutezio (Lu), completeranno il sottostrato 4f di due strati più interno all’atomo prima di proseguire, dall’hafnio (Hf) al mercurio (Hg), al riempimento del sottostrato 5d.

I sottostrati tipo f con 14 elettroni sono dunque lasciati vuoti per ben due strati prima che l’aumento della carica positiva del nucleo non renda nuovamente più vantaggioso mettere elettroni in essi, piuttosto che nello strato esterno. La stessa cosa si ripete anche nella settima riga, formata solo da elementi radioattivi (lo sono tutti dal polonio compreso in poi).

Il Francio (Fr) e il Radio (Ra) aprono il 7° periodo (sottostrato 7s, due elettroni), seguiti dal’Attinio (Ac) che inaugura il sottostrato 6d e dagli elementi dal Torio (Th) al Laurenzio (Lr) che riempiono il 5f con due strati di ritardo (serie degli Attinidi). I 6d, dal 104 (Rf) al 118, sono elementi prodotti artificialmente con enormi difficoltà e in quantità di pochi atomi, riconoscibili solo dai frammenti prodotti della rapidissima disintegrazione.

Il sottostrato 5g, da 18 posti, che dovrebbe iniziare a riempirsi con tre periodi di ritardo (dall’8° periodo), ma non si sono ancora preparati gli elementi dal 123 in poi per i quali si potrebbe ipotizzarne il riempimento.

In conclusione per ogni atomo gli elettroni realmente esterni sono sempre al massimo gli 8 elettroni ns(2) + np(6) cioè l’ottetto, dove n è sia il numero dello strato di elettroni, sia il numero del periodo. Per esempio l'argon (Ar, Z=18) ha i seguenti elettroni esterni: 3s², 3p6, per un totale di 8 elettroni esterni (ottetto completo).

La tavola periodica è dunque divisa nei blocchi s, p, d, f.

Dove i metalli di transizione sono nei blocchi d ed f, aventi gruppi contrassegnati dalla lettera B,

mentre i gruppi principali sono costituiti dagli elementi dei blocchi s e p.

E come si vede il blocco d è spostato una riga più in basso e quello f di due righe più in basso.

Nell’atomo i vari sottostrati non si riempiono andando regolarmente dall’interno all’esterno,

ma seguendo gli stessi “salti” che vediamo dalla tavola periodica.

Prendiamo ad esempio l'arsenico (As, Z = 33) e individuiamolo nella TPE:

L'arsenico si trova all'incrocio del gruppo VA con la riga 4.

Per ricostruire la sequenza dei 33 elettroni in esso presenti nei diversi strati e sottostrati basta ripercorrere tutte le righe precedenti:

1° strato: 2 elettroni nel sottostrato 1s, quindi 1s²

2° strato: 2 elettroni nel sottostrato 2s e 6 elettroni nel sottostrato 2p, quindi 1s²/2s², 2p⁶/

3° strato: 2 elettroni nel sottostrato 3s e 6 elettroni nel sottostrato 3p, quindi 1s²/2s², 2p⁶/ 3s², 3p⁶, 3d⁰/ (18 elettroni- notare 3d vuoto - passiamo al 4° strato)

4° strato: 2 elettroni nel sottostrato 4s quindi 1s²/2s², 2p⁶/ 3s², 3p⁶, 3d⁰/ 4s².

Abbiamo messo finora 20 elettroni, di cui due nel 4° strato, ma il sottostrato d del 3° livello è ancora vuoto. Seguendo la riga verde mettiamo i 10 elettroni nel 3d:

1s²/2s², 2p⁶/ 3s², 3p⁶, 3d¹⁰/ 4s². Ora abbiamo 30 elettroni e possiamo tornare a mettere gli ultimi tre nel 4° strato:

1s²/2s², 2p⁶/ 3s², 3p⁶, 3d¹⁰/ 4s², 4p³

per vedere che l'arsenico ha 5 elettroni esterni, o "di valenza", bastava vedere che senza contare i 3d (che sono interni) gli elettroni 4s e 4p sono 2+3 = 5, oppure

bastava vedere che tale elemento si trova nel gruppo VA.

La configurazione elettronica semplificata è: [₃₃As |2 | 8 | 8+10 | 5 ].

Il seguente schema, dal basso verso l'alto, ci dice in che ordine sono riempiti i sottostrati di orbite,

con gli elettroni in ordine decrescente di forza di attrazione.

Mentre se vogliamo capire dove sono sistemati gli elettroni all'interno dell'atomo, dobbiamo immaginare uno spaccato di questo genere:

Per cui l'arsenico, appena visto, utilizza i primi tre gusci e due sottolivelli del 4° guscio o strato.

Seguendo quest’ultimo schema di riempimento scriveremo così la configurazione elettronica del Bromo

divisa per strati dall’interno all’esterno: ₃₅Br = 2/8/18/7; in dettaglio: 1s²| 2s² 2p⁶| 3s² 3p⁶ 3d¹⁰| 4s² 4p⁵.

In entrambi i modi notiamo i 7 elettroni esterni dell’atomo di bromo.

Scrivere le configurazioni elettroniche semplificate di Manganese (Mn), Zinco (Zn), Galio (Ga) e iodio,

quindi la configurazione dettagliata degli atomi di fosforo, carbonio, zolfo, magnesio

₂₅Mn = 2/8/8+5/2; in dettaglio: 1s²| 2s² 2p⁶| 3s² 3p⁶ 3d⁵| 4s².

Il manganese, (Mn, Z = 25) ad esempio può formare i seguenti ossidi: MnO, Mn₂O₃, MnO₂, Mn₂O₇. È evidente che oltre ai due elettroni del sottostrato 4s il manganese può usare anche un numero variabile da 0 a 5 dei suoi 5 elettroni 3d per formare i suoi composti.