Struttura dell’atomo e Sistema Periodico degli elementi

unità 1, 2 e 3, modulo C del libro

Gli atomi di tutti gli elementi sono formati da tre tipi di particelle elementari: elettrone, protone e neutrone. Le tre particelle elementari si trovano nel nucleo (protone e neutrone) e nella cosiddetta nube elettronica (elettrone) che si trova intorno al nucleo.L’elettrone, simbolo e-, è provvisto di carica negativa e ruota attorno al nucleo nella nube elettronica. Ha una massa trascurabile in quanto molto piccola.Il protone si trova nel nucleo ed è provvisto di carica positiva; a mitigare la repulsione tra particelle di uguale carica all’interno del nucleo si trova il neutrone. La massa di questi due tipi di particelle non è trascurabile.In un atomo il numero dei protoni è uguale al numero degli elettroni, questo fa si che ci sia neutralità rispetto alle cariche; tale numero si indica con Z, numero atomico. La somma dei protoni e dei neutroni, cioè delle particelle dotate di massa non trascurabile, si indica incevce con il numero di massa, A. I numeri sono indicati come segue. Il numero atomico si indica in basso a sinistra: ad esempio, per il carbonio Z=6, ovvero 6C; il numero di massa si indica in alto a sinistra: ad esempio, sempre per il carbonio A=12, ovvero 12C.Il numero di neutroni non è sempre uguale a quello dei protoni. Atomi con ugual numero di protoni e diverso numero di neutroni sono chiamati isotopi: elementi che hanno uguale numero atomico ma diverso numero di massa. Ad esempio, il celebre isotopo del carbonio, usato per la datazione dei fossili, è il 14C, che possiede 6 protoni ed 8 neutroni. Altri celebri isotopi: 2H: deuterio, 3H: trizio, con 1 e due neutroni rispettivamente.

Gli elettroni, negli atomi, sono legati al nucleo dall’attrazione elettrostatica che si instaura tra cariche positive (protoni) e negative (elettroni). Gli elettroni si trovano all’esterno del nucleo disposti su livelli di energia, detti anche orbitali, strati o gusci elettronici, numerati da quello più vicino al nucleo a quello più lontano e definiti con il simbolo n, che va da 1 a 7 e viene detto numero quantico principale. Ogni livello è diviso in sottolivelli: il primo livello ha un solo sottolivello, il secondo due, il terzo tre e così via. I primi quattro sottolivelli hanno simboli s, p, d, f.Il numero massimo di elettroni in un livello è dato dalla formula: 2 + n2.Quindi, per n=1 ci saranno solo due elettroni, per n=2 ci potranno essere al massimo 8 elettroni, e così via. È importante ricordare che tutti gli elettroni di un sottolivello hanno uguale energia. Nella diapositiva successiva troverete gli elettroni disposti nei livelli e sottolivelli in ordine di energia crescente.

Man mano che il numero di elettroni di un atomo aumenta, l’ultimo elettrone aggiunto va ad occupare il livello energetico più basso tra quelli a disposizione

n = 2, 8 e-

n = 3, 18 e-

n = 6, 72 e-

n = 1, 2 e-

4 d (10 e-)5 p (6 e-)

3 d (10 e-)4 s (2 e-)

3 p (6 e-)3 s (2 e-)

2 p (6 e-)

2 s (2 e-)

1 s (2 e-)

6 s (2 e-)

livello sottolivello

ENERGIA

n = 4, 32 e-

4 f (14 e-)

4 p (6 e-)

5 s (2 e-)

n = 5, 50 e-

La sistemazione degli e- nei livelli energetici viene realizzata nel seguente modo: nei riquadri vengono inserite due frecce, di verso opposto, che rappresentano due e-. Ogni riquadro può ospitare al massimo 2 e-. Negli esempi sotto riportati si possono vedere le rappresentazioni elettroniche dell’azoto (Z=7), del neon (Z=10) e dell’ossigeno (Z=8).

1) DIAGRAMMA ORBITALICO (le frecce rappresentano gli elettroni)

1s 2s 2p

↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓

1s 2s 2p

↑↓↑↓↑↓↑↓ ↑↑↑↑↑↓↑↓↑↓↑↓ ↑↑↑↑↑↑↑↑

↑↑↑↑ ↑↑↑↑↑↓↑↓↑↓↑↓

1s 2s 2p

↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓ ↑↓↑↓↑↓↑↓ ↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓

N

Ne

O

Gli e- nell’atomo si possono rappresentare in due modi:1. secondo il IL DIAGRAMMA ORBITALICO;2. Secondo la NOTAZIONE spdf

A parità di energia gli elettroni occupano gli

orbitali in modo da trovarsi spaiati

(REGOLA DI HUND)

2) NOTAZIONE spdf

N (Z=7) 1s22s22p3

Ne (Z=10) 1s22s22p6

O (Z=8) 1s22s22p4

GLI ELETTRONI CARATTERIZZATI DAL NUMERO QUANTICO

PRINCIPALE PIU’ ALTO SONO QUELLI PIU’

ESTERNI E SONO DETTI ELETTRONI DI VALENZA

Nella notazione spdf i numeri davanti a queste lettere corrispondono ai livelli energetici, mentre le lettere corrispondono agli orbitali e gli apici al numero di e- presenti. Accanto sono riportate le notazioni per l’azoto, il neon e l’ossigeno, analogamente alla diapositiva precedente.

Gli elementi sono disposti nella TAVOLA PERIODICA ed il posto che ciascun elemento occupa è stabilito dal numero atomico. Osservando con attenzione la tavola periodica si nota una certa periodicità (da cui il nome) delle proprietà chimiche e fisiche degli elementi. Nella pagina successiva troverete la tavola periodica, e la classificazione degli elementi nella stessa.

Gruppo dei Metalli alcalino-terrosi

Gruppo dei

Gas nobili o

inerti

1A

2AB

3A 4A 5A 6A 7A

8A

Gruppi dei Metalli alcalini

Gruppi degli Elementi di transizione interna

Gruppo degli

Alogeni

Gruppi degli Elementi di transizione

COLONNE = GRUPPI = ELEMENTI CON PROPRIETA’ SIMILI (stesso numero di elettroni di valenza)

RIGHE = PERIODI (stesso numero quantico principale)

Nella tavola periodica gli elementi sono disposti in ordine di numero atomico crescente, in modo da evidenziare similitudini e ricorrenze di comportamento.Queste similitudini e ricorrenze si verficano per le PROPRIETA’ ATOMICHE.

Il numero del gruppo, per gli elementi del gruppo principale A rappresenta il numero di elettroni negli orbitali s e p più esterni ---> n aumenta ma il numero di elettroni esterni rimane costante (es: Ca, gruppo 2A, 2 elettroni di valenza).Il numero del periodo rappresenta il numero quantico principale n del guscio più esterno (es: Ca, periodo 4, numero quantico principale 4).Nei gruppi B (elementi di transizione) si riempiono gli orbitali d.Nelle serie dei lantanidi e degli attinidi (elementi di transizione interna) si riempiono gli orbitali f.

Le PROPRIETÁ PERIODICHE degli elementi sono:1. RAGGIO ATOMICO2. POTENZIALE DI IONIZZAZIONE3. AFFINITÁ ELETTRONICA4. ELETTRONEGATIVITÁ

Gli elementi, all’interno della tavola periodica, sono inoltre classificati come METALLI, NON METALLI e SEMIMETALLI o METALLOIDI. I SEMIMETALLI sono molto pochi: B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po e At. I NON METALLI sono: H, He, C, N, O, F,Ne, P, S, Cl, Ar, Se, Br, Kr, I, Xe, Rn; questi elementi, come si può vedere, si trovano sulla destra della tavola periodica e sono separati dai METALLI (che sono tutti gli altri elementi) attraverso i SEMIMETALLI.

All’interno di un gruppo aumenta il numero quantico n, la nuvola di distribuzione elettronica è più estesa.Dunque all’interno di un gruppo IL RAGGIO ATOMICO AUMENTA.

All’interno di un periodoaumenta il numero di elettroni esterni, ma rimangono costanti gli elettroni dei gusci interni che contribuiscono a schermare la carica nucleare.Dunque all’interno di un periodo IL RAGGIO ATOMICO DIMINUISCE.

All’interno di una serie di transizionesi riempiono dei gusci interni, mentre il guscio più esterno rimane con lo stesso numero di elettroni.Dunque all’interno di una serie di transizione IL RAGGIO ATOMICO RIMANE COSTANTE.

1) RAGGIO ATOMICO

2) POTENZIALE DI IONIZZAZIONE

La tendenza di un atomo a cedere elettroni è il POTENZIALE DI IONIZZAZIONE(energia necessaria a strappare un elettrone all’atomo)----> la specie atomica che si origina viene detta IONE (catione), il processo IONIZZAZIONE

H

He

Li

BeB

C

NO

F

Ne

Na

Mg

Al

Si

P S

Cl

Ar

K

CaScTi V Cr

MnFeCo NiCu

Zn

Ga

Ge

AsSe

Br

Kr

Rb

SrY Zr NbMoTc

RuRhPdAg

Cd

In

Sn

SbTe

In

Xe

0

5

10

15

20

25

30

Z

Pot

enzi

ale

di io

nizz

azio

ne (e

V)

Massimi: elementi 8A

Minimi: elementi 1A

L’affinità elettronica è l’energia sviluppata quando un atomo accetta un elettrone.L’ELETTRONEGATIVITÀ stima l’affinità elettronica (capacità relativa che un atomo ha di attrarre elettroni). Si origina uno IONE dotato di carica negativa (anione)

L’elemento ad elettronegatività maggiore è il FLUORO, mentre quello ad elettronegatività minore è il FRANCIO.

Da questa proprietà si evince che una specie atomica che ha perso un e- prende il nome di CATIONE, mentre una specie che lo ha acquistato prende il nome di ANIONE.

3) AFFINITÁ ELETTRONICA4) ELETTRONEGATIVITÁ

Esercizi riassuntivi(puoi consultare la tavola periodica, ti suggeriamo di usare quella che ti verrà fornita per il TARM)

1) Ordinare i seguenti elementi nel verso raggio atomico crescentea) K, Li, Cs, Nab) Li, Na, P, Csc) Li, Na, K, Csd) Cs, K, Na, Li

2) Quale atomo ha minore affinità elettronicaa) Cab) Fc) Mgd) Cs

3) Quale atomo ha maggiore energia di ionizzazionea) Lib) Mgc) Rbd) F

4) Quale terna di elementi non ha uguale numero di elettroni sul guscio di valenzaa) Si, P, Sb) Li, K, Nac) F, Cl, Brd) B, Al, Ga

Esercizi riassuntivi(puoi consultare la tavola periodica)

5) Indicare quale delle seguenti serie ordina correttamente gli elementi nel verso elettronegatività crescentea) Al, Ba, Ag, Nb) Al, Ag, Ba, Nc) N, Al, Ba, Agd) Ba, Ag, Al, N

6) Indicare quale delle seguenti serie ordina correttamente gli elementi nel verso potenziale ionico decrescente

a) Li, Cs, Nab) K, Na, Cs, Lic) Cs, K, Na, Lid) Li, Na, K, Cs

7) Qual è la struttura elettronica del Ca?a) 1s22s22p63s23p54s2

b) 1s22s22p63s23p63d2

c) 1s22s22p63s23p64s2

d) 1s22s22p63s23p6

8) Qual è la struttura elettronica del Mg?a) 1s22s22p63s23p1

b) 1s22s22p63s1

c) 1s22s22p6

d) 1s22s22p63s2