Configurazione elettronica

La configurazione elettronica, in riferimento a un elemento, riguarda la disposizione degli elettroni nel guscio elettronico. La collocazione degli elettroni, in accordo con la teoria atomica di Bohr non è casuale, ma è determinata dal livello energetico che descrive una porzione di appartenenza attorno al nucleo. Questa porzione è definita orbitale atomico.

Gli elettroni, in altre parole, muovendosi attorno al nucleo occupano un orbitale che rappresenta una zona dello spazio con una probabilità più o meno alta di trovare un elettrone. Gli orbitali più interni possiedono minore energia rispetto agli orbitali esterni. All'aumentare del numero degli elettroni aumenta il numero di orbitali occupati e, di conseguenza, l'energia degli stessi.

La configurazione elettronica tiene conto di alcuni parametri: il numero quantico principale, il numero quantico secondario e lo spin degli elettroni. Il numero quantico principale corrisponde al livello energetico ed è compreso tra 1 e 7. Il numero quantico secondario, in realtà espresso con una lettera tra s-p-d-f, rappresenta il sottolivello energetico e anche la forma dell'orbitale. Lo spin rappresenta il senso di rotazione dell'elettrone, da intendersi come momento di rotazione.

Dalle considerazioni quantistiche sull'atomo, si ricava che il primo livello energetico possiede un solo orbitale (1s) il secondo livello energetico possiede due orbitali 2s e 2p, il terzo livello due orbitali e via dicendo.

Per analizzare, in modo corretto, la configuraizone elettronica di un atomo si deve tener conto di tre aspetti: la legge di esclusione di Pauli, il riempimento a minore energia (Aufbau) e la regola di Hund.

Configurazione elettronica
Schematizzazione della configurazione elettronica di un atomo

Regole per la configurazione elettronica

Affinché la configurazione degli orbitali elettronici sia corretta, è necessario osservare alcune regole che servono per la corretta collocazione degli elettroni negli orbitali, nei sotto-orbitali e per la corretta assegnazione dello spin.

Riempimento a minore energia 

La disposizione degli elettroni avviene in modo progressivo, seguendo la regola di Aufbau: dapprima sono riempiti gli orbitali a minor energia, rappresentati dagli orbitali con più basso numero quantico principale, e successivamente, una volta riempiti i sotto-orbitali relativi, si procede al numero quantico principale maggiore. 

Legge di esclusione di Pauli

Il riempimento degli orbitali, inoltre, segue la legge di esclusione di Pauli che afferma:

"In un atomo non possono esistere elettroni con i numeri quantici n, m, l e ms (rispettivamente principale, azimuthale, magnetico e di spin). È possibile che due elettroni condividano i primi tre numeri quantici a condizione che il numero di spin (ms) sia differente."

Regola di Hund

La regola di Hund afferma che in caso di orbitali degeneri (2s-2p,3s-3p,4s-4p-3d ...) gli elettroni si dispongano con spin parallelo.

Esempi di configurazione elettronica

La configurazione elettronica di alcuni elementi, comuni, è d'aiuto per la comprensione delle regole in precedenza descritte.

Configurazione elettronica di alcuni elementi
Configurazione elettronica del carbonio
Configurazione elettronica del carbonio
Configurazione elettronica dell'ossigeno
Configurazione elettronica dell'ossigeno.
 
La configurazione atomica del carbonio è 1s2, 2s2, 2p2. La configurazione atomica dell'ossigeno è 1s2, 2s2,2p4.  

Per configurare gli elettroni del carbonio è necessario conoscere il suo numero atomico che è pari a 6 (N=6); in un atomo neutro il numero di elettroni è sempre uguale al numero di protoni e, per questo motivo, gli elettroni da configurare sono 6. Il primo livello (n=1) può contenere una coppia di elettroni nel sotto-orbitale s, il secondo livello (n=2) ne contiene una coppia nel sotto-orbitale s e ben tre coppie nel sotto-orbitale p. Due elettroni sono già configurati in 1s, ne rimangono sei che si dispongono in questo modo:

  • 1 coppia nel sotto-orbitale s;
  • 2 elettroni spaiati nel sottorbitale p, in accordo alla regola di Hund.

Per questa ragione la configurazione elettronica del carbonio è 1s2 2s2 2p2.

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