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
2
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
3
L’atomo da Democrito a
Rutherford
Democrito
nel IV
secolo
a. C.
Dalton
nel
1803
Thomson
nel
1900
nel
1911
Rutherford
Bohr
nel
1913
4
La ionizzazione:
cationi
Quando si fornisce il pacchetto
d’energia giusto l’atomo può
E
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
+
N
e-
5
La ionizzazione:
anioni
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
ClE
e-
6
Gli ioni: definizioni
AE +
- +3
-
-
EI
- +
+3
-
+
+3
-
+ -
-
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
7
Il diagramma delle EI
8
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
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La quantizzazione dell’energia
Gli elettroni possono
occupare solo i livelli a
distanze ed energie ben
precise
I livelli intermedi sono
da considerarsi “proibiti”
Tra due livelli c’è una
differenza di energia
corrispondente ad un
“pacchetto” di precise
dimensioni
Se si fornisce una
confezione di energia
adatta…
…è possibile
promuovere un
elettrone dal livello
fondamentale a quello
eccitato
atomo
e-
e-
ee-
e-
e-
ee-
E5
E4
E3
E2
E1
nucleo
Pacchetti d’energia diversi non sono assorbiti
dall’atomo e gli elettroni non si spostano verso
livelli che risultano proibiti
10
Gli stati dell’atomo
Definizione: lo stato dell’atomo in quanto
condizioni di stabilità ed energia
minima si definisce
fondamentale
Definizione: l’atomo che ha
assorbito un pacchetto di energia
opportuno raggiunge lo stato
eccitato
eDefinizione: quando l’atomo
eassorbe un pacchetto d’energia e
l’elettrone utilizza questa energia
eper raggiungere un livello più
nucleo
L1
alto, l’elettrone si definisce
promosso
atomo
e-
luce
L
L
2
3
11
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
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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
13
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
25
Livello 7
Livello 4
Livello 5
Livello 6
Livello 6
Livello 7
14
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)
N
He
Ar
Z=7
Z=2
7 elettroni:
2 elettroni nel primo livello
Z=18
2 primo livello energetico (completo)
energetico (completo)
18 elettroni:
5 elettroni nel secondo livello (incompleto)
2 primo livello energetico (completo)
8 elettroni nel secondo livello (completo)
8 elettroni nel terzo livello (completo)
25
15
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
Livello completo
Inizio del livello
Ultimo elettrone
Primo elettrone
25
16
Disporre gli elettroni
Utilizzando la tavola periodica possiamo descrivere la
struttura elettronica di un elemento
Terzo
livello
Nucleo di
Magnesio
Primo
livello
Due
elettroni
Secondo
livello
17
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
alcalinoterrosi
Gruppo dei
gas nobili
Gruppo degli
alogeni
18
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
Elettroni dell’ultimo livello
2
3
19
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
20
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
21
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
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Un tabella riassuntiva
N°
Livello
sottolivelli
1°
2°
3°
4°
5°
6°
7°
Uno
Due
Due
Tre
Tre
Quattro
Quattro
Nome e
ordine di
riempimento
N° massimo
di e- per ogni
sottolivello
s
s, p
s, p
s, d, p
s, d, p
s, f, d, p
s, f, d, p
2
2, 6
2, 6
2, 10, 6
2, 10, 6
2, 14, 10, 6
2, 14, 10, 6
23
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)
24
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
25
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
26
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
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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
28
Un trucco grafico
Per ricavare la
sequenza
degli orbitali
senza
ricordarla a
memoria si
può utilizzare
lo schema
seguente
29
Esercitazioni sulle configurazioni 1
Scrivere la configurazione elettronica
completa dello zinco (Zn; Z=30)
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10
E
Rappresentare la configurazione di
valenza utilizzando le caselle quantiche
3d10
4s2
30
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
E
6p3
5d10
4f14
6s2
31
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
32