ESERCIZI SULLA CONFIGURAZIONE ELETTRONICA

Scritto da Zeferino Siani. Pubblicato in APPUNTI DI CHIMICA.

1. Premessa.

La Tavola periodica, la configurazione elettronica degli elementi e i legami chimici sono, assieme alle tre leggi ponderali, gli argomenti fondamentali della chimica.
In quest'articolo ci occuperemo specificamente della configurazione elettronica degli elementi chimici. I link riportati a fondo pagina rinviano ad argomenti di approfondimento sulla correlazione tra la configurazione elettronica e la Tavola Periodica degli elementi chimici.

Gli esercizi sono riportati in ordine di difficoltà crescente.

Per scrivere la configurazione elettronica di un elemento ci sono tre regole da seguire:

1. Si dispongono gli elettroni prima negli orbitali a più bassa energia, e poi man mano in quelli ad energia maggiore (Principio della costruzione progressiva o principio di aufbau).

2. Ogni orbitale può contenere al massimo due elettroni di spin opposto. (Principio di esclusione diPauli).

3. Quando si devono riempire gli orbitali aventi la stessa energia (detti orbitali degeneri), si colloca un elettrone su ciascun orbitale, e poi si completano gli orbitali semipieni.

Nella seguente lista di esercizi svolti, chiameremo “esercizi modello” solo quelli che descrivono l’applicazione delle tre regole sulla configurazione nel modo più semplice e chiaro possibile.

2. La moderna tavola periodica
- Es. modello 5 Qual è la principale differenza tra la tavola periodica moderna e quella proposta da Mendeleev?
R. Es. modello 5 -> Nella tavola periodica moderna gli elementi sono ordinati secondo il loro numero atomico Z crescente, ed andando a capo in corrispondenza dei gas nobili. Invece Mendeleev ordinava gli elementi allora conosciuti secondo il loro peso atomico crescente, ed andando a capo in corrispondenza dei gas nobili.

- Es. 6 Perché Mendeleev aveva collocato il tellurio prima dello iodio, nonostante questo fosse in contrasto con il suo criterio di classificazione?
R. Es. 6 -> Dalla tavola periodica sappiamo che il tellurio ha numero atomico 52 e peso atomico 127,60 e lo iodio, elemento successivo, numero atomico 53 e peso atomico 126,90, e Mendeleev li mise nella posizione giusta per il solo fatto che riteneva che fosse sbagliata la determinazione del peso atomico o del tellurio, o dello iodio, o di entrambi. Oggi sappiamo che il criterio di Mendellev era assolutamente sbagliato: è il numero atomico il criterio giusto. Vedi -> La tavola periodica degli elementi: la rivoluzione della scienza

-Es. modello 7 Qual'è la relazione tra la configurazione elettronica e la posizione degli elementi nella tavola periodica?
R. Es. modello 7 -> E' il numero degli elettroni dell'ultimo livello (più lontani dal nucleo e quindi con maggiore energia) che determina la posizione degli elementi nella tavola periodica. Ad esempio, i gas nobili, con 8 elettroni nell'ultimo livello, tranne per l'He che ne ha 2, segnano il confine di ciascuno dei sette periodi della tavola periodica.

-Es. 8 A quale gruppo e a quale periodo appartiene l'elemento con la seguente configurazione elettronica? 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁴ (... la notazione tipografica semplificata non fa onore alla esatta affermazione di Hund, secondo il quale giustamente un orbitale non può contenere più di due elettroni!)
R. Es. 8 -> Gruppo: VI A - Periodo: 4 - Elemento: Se, selenio; Z = 34 (ovviamente lo si ricava facendo la somma degli indici di ciascun orbitale: 2+2+6+2+6+10+2+4 =34).

-Es. 9 Perché l'argo (Z = 18) ha una massa atomica maggiore del K (Z = 19).
R. Es. 9 -> Perchè ha più neutroni nel nucleo.

-Es.10 - Qual è il nome dell'elemento del V gruppo appartenente al secondo periodo.
R. Es. 10 -> Azoto, N.

-Es.11 Scrivi, in ordine di numero atomico crescente, i simboli di tutti gli elementi che hanno configurazione elettronica esterna ns²np².
R. Es. 11 -> Carbonio C e silicio S.

-Es.12 Quanti elementi appartengono ai brevi periodi? Quali sono i lunghi periodi?
R. Es. 12 -> Ai brevi periodi appartengono 18 elementi. I lunghi periodi sono: il 4°, 5°, 6°, e 7° periodo. Tutti i gruppi hanno una doppia numerazione (n.d.a.... almeno sul mio libro, piuttosto datato!) - Gli elementi di transizione stanno tra gli elementi del blocco s e gli elementi del blocco p (vengono definiti anche, sebbene impropriamente, come metalli del blocco d, che cioè hanno elettroni nel livello d).

-Es. 13 Se si scoprisse l'elemento con numero atomico 119, in quale gruppo della tavola periodica secondo le tue conoscenze, andrebbe collocato?
R. Es. 13 -> Nel gruppo dei gas nobili.

-Es. modello 14 a. Nelle seguenti configurazioni totali individua gli elettroni di valenza, sottolineandoli, e attribuisci all'elemento il gruppo secondo la IUPAC e il periodo di appartenenza. b. Individua gli elementi sulla Tavola periodica.

R. Es. modello 14:
a. 1s²2s²2p² Elemento: N, azoto - Gruppo: VA - Periodo: 7.
b. 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹4s² Elemento: Scandio, Sc - N° atomico Z = 21 - Gruppo: IIIB - Periodo: 7.
c. 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3s²3p⁵ Mn, manganese VII B 25
d. 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p² Z = 50 Sn, stagno - Gruppo: IV A - Periodo: 5 (5p² ... meglio -> 5p_x¹, 5p_y¹ ... conseguenza della destabilizzante notazione tipografica! )
e. 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰4f¹⁴5s²5p⁶5d¹⁰6s²6p¹ Z = 81 Tallio Tl

-Es. 15 Date le seguenti configurazioni elettroniche esterne in forma generalizzata, il gruppo (secondo la IUPAC) a cui si riferiscono.
R. Es. 15 -> a. ns² -> IIA b. ns²np³ -> VA c. ns²(n-1)d³ -> VB d. ns²(n-1)d¹⁰np⁵ -> VIIA e. ns²np⁵ ->VIIA (solo 1 e 2 Periodo) f. ns²(n-1)d¹ -> IIIB

-Es. 15 Date le seguenti configurazioni elettroniche esterne in forma generalizzata, il gruppo (secondo la IUPAC) a cui si riferiscono.

R. Es. 15 -> a. ns² -> IIA b. ns²np³ -> VA c. ns²(n-1)d³ -> VB d. ns²(n-1)d¹⁰np⁵ -> VIIA e. ns²np⁵ ->VIIA (solo 1 e 2 Periodo) f. ns²(n-1)d¹ -> IIIB

3. Le conseguenze della struttura a strati dell’atomo.

-Es. 16 Scrivi la configurazione elettronica dell'elemento del V gruppo appartenente al terzo periodo.
R. Es. 16 -> P, fosforo (Z=15) -> [Ne] 3s²3p_x¹ 3p_y¹3p_z¹

-Es. 17 Scrivi la struttura elettronica completa ed il simbolo di Lewis dell'elemento [Ne] 3s²3p⁴.
R. Es. 17 -> 1s²2s²2p⁶3s²3p²_x 3p_y 3p_z (2 orbitali 3p con elettroni spaiati, capaci di ricevere il secondo elettrone da un atomo di specie chimica diversa, formando un legame chimico).

-Es. 18 Scrivi il simbolo e la struttura elettronica completa dell'elemento [Kr] 4d¹⁰ 5s² seguendo l'ordine di riempimento degli orbitali. A quale blocco della Tavola periodica appartiene?
R. Es. 18 -> Cd, cadmio - Cd (Z=48) -> [Kr] 4d¹ 4d² 4d³ 4d⁴ 4d⁵ 4d⁶ 4d⁷ 4d⁸4d⁹ 4d¹⁰ 5s² - Z = 58

- Es. 19 Vero o falso? Correggi le espressioni sbagliate.

a. Lo strato di valenza degli elementi del blocco p del IV periodo corrisponde a n = 4.
b. Nei lantanidi il sottolivello 6s è seguito nel riempimento dal sottolivello 5f.
c. Con l'ittrio, T, ha inizio il riempimento del livello 4d.
d. All'aumentare di Z, nel gruppo, aumenta il numero degli elettroni di valenza.
d. All'aumentare di Z, nel periodo, cambiano le proprietà chimiche degli elementi.
R. Es. 19 ->
a. - Lo strato di valenza, o cappotto di valenza, è quello più lontano dal nucleo. Per capire bene la definizione di strato di valenza, facciamo un esempio. Se dobbiamo uscire di casa in una giornata d'inverno molto fredda, indossiamo ovviamente un soprabito pesante, ad esempio un cappotto: ebbene, come per noi il cappotto è lo strato d'indumento più lontano dal nostro corpo, così lo strato di valenza è lo strato di elettroni (orbitale) più lontano dal nucleo. Studieremo appresso che gli elettroni dello strato di valenza sono quelli più esterni al nucleo, con maggiore energia, e quindi più capaci di combinarsi in vari modi con gli elettroni dello stesso elemento chimico, o di altri elementi, dando vita alla formazione di molecole semplici di elemento o di molecole più o meno complesse di numerosissimi composti.

b. - Nei lantanidi il sottolivello 6s è seguito nel riempimento dal sottolivello 5f.

-Es. 20 Disegna la struttura di Lewis dell' elemento che ha configurazione elettronica 1s² 2s² 2p²
R. Es. 20 -> L'elemento chimico è il carbonio, C.
1 INCONTRO CHIMICA (PROF.SSA PAOLA BURANI) 1 Atomi e Legami Ogni sostanza chimica è costituita dalla combinazione, in diverse p Siccome non mi è possibile rappresentare la struttura di Lewis con gli strumenti tipografici disponibili, allora ho inserito l'immagine a lato, in cui si possono anche vedere i quattro elettroni spaiati del C, responsabili - come vedremo - della tetravalenza del carbonio.

-Es. 21 Disegna la struttura di Lewis dei seguenti elementi: I, Ca, Kr, Be, S, Na, Cl, K.
R. Es. 21 -> E' molto difficile, in genere, rappresentare tipograficamente le strutture di Lewis sia degli otto elementi proposti in questo esercizio e sia in generale per tutti gli altri elementi della tavola periodica. Perciò mi limiterò a semplici descrizioni:

I, [Cd] 5p⁵ -> dei tre orbitali 5p_x, 5p_y, e 5p_z i primi due hanno ciascuno due elettroni appaiati, mentre il terzo ha un elettrone spaiato, e quindi occorre mettere attorno al simbolo dello iodio due trattini ed un puntino, più o meno così: -> |I.|, solo che qull'elettrone spaiato dovrebbe essere messo o sopra o sotto il simbolo dello iodio.
Analogamente, la struttura di Lewis per l'elemento Ca, appartenente al gruppo II A, è la seguente: ->Ca|, e analogamente anche per gli altri elementi dello stesso gruppo principale IIA, e cioè Be|, Mg|, Sr|, Ba|, e Ra|.
(nda -> Cercherò su Internet se è disponibile un'applicazione Windows 10 per rappresentare gli elettroni di valenza dell'ultimo strato di un elemento chimico, sia appaiati che spaiati. Vedremo nelle prossime lezioni che sono proprio gli elettroni spaiati dell'ultimo strato elettronico dell'elemento in questione i responsabili dei legami chimici che si possono formare nell'accoppiamento sia con elettroni spaiati di atomi dello stesso elemento chimico, e sia con elettroni spaiati di elemeni chimici diversi, e quindi con la formazione dei cosiddetti composti chimici).

-Es. 22 Quale sottolivello si completa nell'elemento con Z = 118?
R. Es. 22 -> A) .

-Es. 23 A quali gruppi appartengono gli elementi aventi rispettivamente nell'ultimo strato: A) 7 elettroni; B) 5 elettroni; C) 2 elettroni; D) 4 elettroni
R. Es. 23 -> A) VIIA; B) VA; C) IIA; D) IVA.

-Es. 24 A quali elementi possono appartenere gli atomi che hanno i sottolivelli 4f e 5d completi?
R. Es. 24 -> Ai lantanidi gli atomi che hanno il sottolivello 4f completo, e a oro e mercurio gli atomi che hanno i sottolivelli 5d completi.

-Es. 25 Scrivi la configurazione elettronica dei seguenti ioni: Mg²⁺, Cl^-, Na⁺, Ca⁺, O^-.

a) disegna poi la loro struttura con la simbologia di Lewis

b) confronta le tue risposte con quelle dei compagni.
R. Es. 25 -> Mg²⁺ -> [Ne] Cl^- -> [Ar] Na⁺ -> [Ne] Ca⁺-> [Ne] 4s¹
a) !!Ne!! !!Ar!! .............................

4. Uno sguardo d'insieme.

Di seguito si riportano esempi - scelti tra i più significativi - della configurazione elettronica degli elementi, e cioè quelli per i quali si ha una variazione nella successione di riempimento a seguito dell’applicazione di una delle tre suddette regole.
Inoltre, occorre - per una corretta comprensione dell'argomento in esame - seguire passo passo questo link -> TAVOLA PERIODICA - WIKIPEDIA, che è molto interessante, perchè si può visualizzare - con possibilità di ingrandimenti ottenibili con un semplice clic del mouse - una Tavola Periodica che riporta, nei riquadri di ciascun elemento ed in basso, la configurazione elettronica di ogni elemento.

NOTA: I simboli degli elementi chimici riportati in grassetto sono quelli per i quali nel riempimento si ha una variazione del tipo di orbitale.
Gli esercizi sono riportati in ordine di difficoltà crescente.

H (Z=1) -> 1s¹ Inizio1°Periodo&GruppoTavPeriodica.

He* (Z=2) -> 1s² Termine1°PeriodoTavolaPeriodica.

Li (Z=3) -> 1s² 2s¹ InizioSecondoPeriodoTavolaPeriodica

Be (Z=4) -> 1s² 2s² TermineRiempimentoOrbitaliTipo-> s

B (Z=5) -> 1s² 2s² 2p_x¹ IniziaRiempimentoOrbitaliTipo->p

C (Z=6) -> 1s² 2s² 2p_x¹ 2p_y¹

N (Z=7) -> 1s² 2s² 2p_x¹ 2p_y¹ 2p_z¹

O (Z=8) -> 1s² 2s² 2p_x² 2p_y¹ 2p_z¹

F (Z=9) -> 1s² 2s² 2p_x² 2p_y² 2p_z¹ AggiuntaPenultimo(7°)elettroneOrb-p

Ne (Z=10) -> 1s₂ 2s^₂ 2p_x² 2p_y² 2p_z² Stop2°PeriodoTav.Periodica (FullElectronicOctet2p)

Na (Z=11) -> [Ne] 3s¹ Inizio3°PeriodoTav.Periodica

Al (Z=13) -> [Ne] 3s² 3p¹

Si (Z=14) -> [Ne] 3s² 3p_x¹ 3py¹

P (Z=15) -> [Ne] 3s² 3p_x¹ 3p_y¹ 3p_z¹

S (Z=16) -> [Ne] 3s² 3p_x² 3p_y¹ 3p_z¹

Cl (Z=17) -> [Ne] 3s² 3p_x² 3p_y² 3pz¹

Ar (Z=18) -> [Ne] 3s² 3p_x² 3p_y² 3p_z² (FullElectronicOctet3p)

K (Z=19) -> [Ar] 4s¹

Sc (Z=21) -> [Ar] 3d¹ 4s²

Ti (Z=22) -> [Ar] 3d² 4s²

Zn (Z=30) -> [Ar] 3d¹ 3d² 3d³ 3d⁴ 3d⁵ 3d⁶ 3d⁷ 3d⁸ 3d⁹ 3d¹⁰ 4s²

Ga (Z=31) -> [Zn] 4p_x¹

Br (Z=35) -> [Zn] 4p⁵

Kr (Z=36) -> [Zn] 4p⁶

Rb (Z=37) -> [Kr] 5s

Y (Z=39) -> [Kr] 4d¹ 5s²

Cd (Z=48) -> [Kr] 4d¹ 4d² 4d³ 4d⁴ 4d⁵ 4d⁶ 4d⁷ 4d⁸ 4d¹⁰ 5s²

In (Z=49) -> [Kr] 4d¹ 4d² 4d³ 4d⁴ 4d⁵ 4d⁶ 4d⁷ 4d⁸ 4d¹⁰ 5s² 6p¹

I (Z=53) -> [Cd] 5p² 5p² 5p¹

Xe (Z=54) -> [Cd] 5p⁶ -> [Cd] 5px² 5py² 5pz²

Cs (Z=55) -> [Xe] 6s¹

Ba (Z=56) -> [ Xe] 6s²

La (Z=57) -> [Xe] 5d1 6s²

Ce (Z=58) -> [Xe] 4f¹ 5d¹ 6s² Inizio serie lantanidi

Lu (Z=71) -> [Xe] 4f¹⁴ 5d¹ 6s² Termine serie lantanidi

Hf (Z=72) -> [Xe] 4f¹⁴ 5d² 6s²

Hg (Z=80) -> [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² StopRiempimentoOrbitali5d

Tl (Z=80) -> [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p¹ InizioRiempimentoOrbitali6p

Rn (Z=86) -> [Hg] 6p⁶ StopOrb.5d&StopPeriodo6

Fr (Z=87) -> [Rn] 7s¹ InizioSettimoPeriodo

Ac (Z=89) -> [Rn] 6d¹ 7s² InizioRiemp.OrbitaliTipo-d

Th (Z=89) -> [Rn] 6d²7s²

U (Z=92) -> [Rn] 5f³6d¹⁷s²

Np (Z=93) -> [Rn] 5f⁴6d¹⁷s²

Lr (Z=103)- >[Rn] 5f¹⁴6d¹⁷s² FineRiemp.OrbitaliTipof

La formula 2 * n² fornisce il numero massimo di elettroni presenti in ciascun periodo della Tavola Periodica; i valori di n corrispondono ai periodi della Tavola Periodica; n, numero quantico principale, va da 1 a 7, e quindi abbiamo 2 * n² = 2 * 1² = 2 * 1 = 2 elementi nel primo periodo, 2 * n² = 2 * 2² = 2 * 4 = 8 elementinel 2° e 3° periodo (risp. dal Li al Ne, e dal Na all' Ar), 18 elementi nel 4° e 5° periodo, 32 elementi nel 6° e 7° periodo (Laurenzio, Lr - 103° elemento)

L'aumento del numero atomico Z lungo un periodo è accompagnato da una diminuizione del raggio atomico ed un aumento dell'energia di ionizzazione: infatti, al crescere del numero atomico Z e della carica centrale positiva del nucleo, cresce la forza di attrazione esercitata sugli elettroni, e di conseguenza deve essere maggiore anche la forza per strappare un elettrone dalla sua orbita.

NOTA: I simboli degli elementi chimici riportati in grassetto sono quelli per i quali nel riempimento si ha una variazione del tipo di orbitale.

@@@

APPENDICE

Di seguito si riporta un link certamente fuori posto, ma che può tornare utile in momenti in cui occorre distrarsi un poco pur lavorando.

Musica Classica per Studiare Meglio e Concentrarsi

@@@

Link interessanti:

Stampa