Chimica e laboratorioLatomo: configurazione elettronica e tavola periodicaClassi quarteDocente: Luciano CanuAnno Scolastico 2005/2006

PrerequisitiConoscere levoluzione delle conoscenze sulla costituzione dellatomo, da Democrito a Rutherford Conoscere e saper interpretare, guidati, i fatti sperimentali e i fenomeni quotidiani che indicano la natura elettrica della materia

ObiettiviAcquisire il concetto di energia di ionizzazione e di affinit elettronicaCapire che attorno al nucleo sono disposti gli elettroni in livelli di energia crescenteConoscere e capire il significato di quantizzazione dellenergia nellatomoRiconoscere nelle prove sperimentali la conferma del modello di Bohr e dellesistenza dei livelli elettronici

Latomo da Democrito a Rutherfordnel 1913nel 1911nel 1900nel 1803nel IV secoloa. C.DemocritoDaltonThomsonRutherfordBohr

La ionizzazione: cationiQuando si fornisce il pacchetto denergia giusto latomo pu perdere un elettroneSi deve fornire energia allatomo per allontanare lelettroneIl primo elettrone perso sempre il pi lontano dal nucleoQuando un atomo neutro perde un elettrone si carica positivamenteSi formato uno ione, un catione

La ionizzazione: anioniAlcuni elementi hanno la capacit di acquistare elettroniQuando uno di tali atomi acquista un elettrone emette un pacchetto di energiaIl primo elettrone acquistato occupa il livello pi lontano dal nucleoQuando un atomo neutro acquisisce un elettrone si carica negativamenteSi formato uno ione, un anione

Gli ioni: definizioniUno ione un atomo o un gruppo atomico che ha acquisito o perso uno o pi elettroni (anioni, cationi)Lenergia di ionizzazione lenergia necessaria a estrarre un elettrone da un atomo neutroLaffinit elettronica lenergia emessa da un atomo neutro per addizione di un elettroneEI+--++AE

Il diagramma delle EI

Uno scaffale per gli elettroniUn elettrone che si trova in una certa orbita possiede lenergia associata a quel livelloI livelli pi vicini al nucleo hanno meno energia, quelli pi lontani ne hanno di piLe orbite e quindi le energie permesse sono poche e ben preciseCome in uno scaffale: i libri possono trovare posto solo ad altezze ben precise, in corrispondenza di un ripiano

La quantizzazione dellenergiaGli elettroni possono occupare solo i livelli a distanze ed energie ben preciseI livelli intermedi sono da considerarsi proibitiTra due livelli c una differenza di energia corrispondente ad un pacchetto di precise dimensioniSe si fornisce una confezione di energia adatta possibile promuovere un elettrone dal livello fondamentale a quello eccitatoPacchetti denergia diversi non sono assorbiti dallatomo e gli elettroni non si spostano verso livelli che risultano proibiti

Gli stati dellatomoDefinizione: lo stato dellatomo in condizioni di stabilit ed energia minima si definisce fondamentaleDefinizione: latomo che ha assorbito un pacchetto di energia opportuno raggiunge lo stato eccitatoDefinizione: quando latomo assorbe un pacchetto denergia e lelettrone utilizza questa energia per raggiungere un livello pi alto, lelettrone si definisce promosso

Una prova sperimentaleIl modello di atomo di Bohr spiegava un fenomeno gi conosciuto: gli spettriLatomo di idrogeno allo stato di gas, quando colpito da una radiazioni elettromagneticheEmette una serie di righe spettrali che corrispondono a valori di energia ben precisiNon sono emessi casualmente ma presentano valori ben definiti

SpiegazioneLorganizzazione degli elettroni in livelli energetici stabili era in ottimo accordo con lesistenza degli spettri atomici Latomo funzionerebbe come un filtro assorbendo solo i pacchetti energetici compatibili con i suoi salti elettronici e successivamente restituendoliSi ottengono emissioni energetiche ben precise (discrete) a lunghezze donda caratteristicheLatomo pu essere riconosciuto proprio da queste tipiche risposte spettrali

Sistema periodicoLa struttura elettronica degli elementi pu essere descritta e risulta in effetti pi comprensibile utilizzando la tavola periodica degli elementi Tutti gli elementi sono distribuiti su sette righe denominate periodiCiascun periodo corrisponde ad un livello elettronicoLivello 1Livello 2Livello 3Livello 4Livello 5

Gli elementiOgni elemento rappresentato da una casella Gli elementi sono ordinati in ordine di numero atomico (Z) crescenteCiascun casella del periodo corrisponde al posizionamento di un elettrone nel primo livello libero dellelemento corrispondente

I livelliOgni riga inizia con un elemento che posiziona il primo elettrone nel livello energetico corrispondenteOgni riga termina con un elemento che posizione lultimo elettrone per quel livello corrispondente

Disporre gli elettroniUtilizzando la tavola periodica possiamo descrivere la struttura elettronica di un elementoNucleo di MagnesioPrimo livelloSecondo livelloTerzo livelloDue elettroni

I gruppi e le famiglieGli elementi che costituiscono una colonna individuano un gruppoTutti gli elementi di un gruppo hanno lultimo livello riempito con un numero di elettroni ugualiGli elementi di un gruppo si somigliano chimicamente perch la situazione elettronica del livello pi esterno quella che determina il comportamento chimico

La periodicitLe propriet chimiche e fisiche allinterno di un periodo variano con continuitMa una volta che un livello riempito con il suo numero massimo di elettroniSi riparte con il primo elettrone nel livello successivoLe propriet seguono un andamento simile a quello del livello precedente (periodicit)Elettroni dellultimo livello

Gli elettroni di valenzaGli elettroni dellultimo livello di ciascun elemento ne determinano il comportamento chimicoSono chiamati elettroni di valenzaIl numero del gruppo indica quanti elettroni di valenza caratterizzano quellelemento e quella famiglia chimicaI gruppi sono indicati con numeri romani

I sottolivelliOsservando meglio il diagramma delle energie di ionizzazione dei primi 20 elementi della tavola periodica si osservaTutti gli otto elettroni di un livello non si trovano alla stessa energiaIn un livello gli elettroni si raggruppano in due insiemi energetici leggermente diversi

Quanti sottolivelli?Lo schema evidenzia solo 2 sottolivelliIn realt i sottolivelli energetici occupati da elettroni sono 4La tavola periodica evidenzia gli elementi che posizionano almeno il loro ultimo elettrone in questo tipo di sottolivelloElementi del blocco dSottolivelli dElementi del blocco fSottolivelli fElementi del blocco pSottolivelli pElementi del blocco sSottolivelli s

Un tabella riassuntiva

Metalli e non metalliLa tavola periodica sotto mette in evidenza gli elementiMetallici (in giallo)Non-metallici (in arancione scuro)Semimetallici (in arancione chiaro)

CaratteristicheI metalli sono in numero maggiorePresentano in misura variabile:Malleabilit, duttilit (plasticit)LucentezzaConducibilit termica ed elettricaSolidi molto densiI non-metalli non presentano queste caratteristicheMa non hanno comportamento uniformePossono essere solidi, liquidi e gassosiI semimetalli hanno comportamento ibrido

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

Approfondisci: energia associata ai livelliUn libro posizionato in un ripiano acquista energia in relazione allaltezza del ripianoLenergia acquisita dal libro caratterizza il ripiano o meglio la sua altezzaIl libro sempre lo stesso ma se si trova vicino a terra quando cade non provoca danniSe lo stesso libro ci cade in testa da un ripiano molto alto pu farci molto male poich possiede molta energia

Approfondisci: livelli permessiI libri dello scaffale possono essere posizionati ad altezze ben precisePoche 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 graficoPer ricavare la sequenza degli orbitali senza ricordarla a memoria si pu utilizzare lo schema seguente

Esercitazioni sulle configurazioni 1Scrivere la configurazione elettronica completa dello zinco (Zn; Z=30)1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10Rappresentare la configurazione di valenza utilizzando le caselle quantiche

4s23d10E

Esercitazioni sulle configurazioni 2Scrivere la configurazione elettronica completa dello zinco (Bi; Z=83)1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p3Rappresentare la configurazione di valenza utilizzando le caselle quantiche

6s24f14E5d106p3

Esercitazioni sulle configurazioni 3Scrivere la configurazione elettronica completa dello stagno (Sn; Z=50)1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p2Rappresentare la configurazione di valenza utilizzando le caselle quantiche

5s2E4d105p2