La configurazione elettronica

Nel modello di Bohr, gli elettroni seguivano orbite esatte attorno al nucleo, come i pianeti attorno al Sole. Oggi il modello quantistico parla di orbitali. La figura confronta i due modelli.

Spiega con parole tue che cos'è un orbitale e in che cosa si differenzia da un'orbita del modello di Bohr.

Ogni orbitale può contenere al massimo $2$ elettroni. Un sottolivello $s$ ha un solo orbitale e un sottolivello $p$ ha $3$ orbitali, come mostrato nella figura.

Calcola quanti elettroni possono stare al massimo in un sottolivello $s$ e quanti in un sottolivello $p$.

Il potassio ($Z = 19$) delle banane ha un elettrone in più rispetto all'argon. Secondo il diagramma di Moeller, quando il sottolivello $3p$ è pieno si inizia a occupare il $4s$, che ha energia minore del $3d$, come mostrato nella figura.

1. a) Scrivi la configurazione elettronica del potassio.
2. b) Indica in quale sottolivello si trova il suo elettrone di valenza.

Il diagramma di Moeller ordina i sottolivelli per diagonali, da quello con energia minore a quello con energia maggiore, come mostrato nella figura. I primi tratti sono: $1s$; poi $2s$; poi la diagonale $2p$-$3s$; poi la diagonale $3p$-$4s$; e infine la diagonale $3d$-$4p$-$5s$.

Ordina i seguenti sottolivelli dall'energia minore a quella maggiore: $3s$, $4s$, $1s$, $3p$, $2p$, $2s$ e $3d$.

Uno studente scrive sul quaderno che la configurazione del sodio ($Z = 11$) è $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^3$. Trova l'errore, spiega perché quella configurazione è impossibile e scrivi la configurazione corretta.

Il Sole è fatto soprattutto di idrogeno ($Z = 1$) e i palloncini che volano alle fiere si riempiono di elio ($Z = 2$). Scrivi la configurazione elettronica di ciascun elemento e indica in quale sottolivello si trovano i suoi elettroni.

Le batterie dei cellulari contengono litio ($Z = 3$).

1. a) Scrivi la sua configurazione elettronica.
2. b) Spiega perché il terzo elettrone non può occupare il sottolivello $1s$.

Il carbonio ($Z = 6$) si trova nella mina delle matite, nel diamante e in tutte le molecole degli esseri viventi.

1. a) Scrivi la sua configurazione elettronica.
2. b) Indica quanti elettroni di valenza (gli elettroni del suo ultimo livello) possiede.

Le insegne luminose di molti bar e cinema funzionano con il neon ($Z = 10$).

1. a) Scrivi la sua configurazione elettronica.
2. b) Verifica che il suo ultimo livello è completo e spiega perché il neon è un gas così poco reattivo.

Una sonda spaziale analizza l'atmosfera di un pianeta e trova atomi la cui configurazione elettronica è $1s^2\ 2s^2\ 2p^4$.

1. a) Quanti elettroni ha ciascuno di questi atomi?
2. b) Sapendo che in un atomo neutro il numero di elettroni coincide con il numero atomico $Z$, di quale elemento si tratta?

Il cloro ($Z = 17$) si usa per disinfettare l'acqua delle piscine.

1. a) Scrivi la sua configurazione elettronica.
2. b) Indica quanti elettroni di valenza possiede e quanti gliene mancano per completare il suo ultimo livello.

Tra i due vetri di molte finestre a doppi vetri si racchiude argon ($Z = 18$), un gas che praticamente non reagisce con nulla.

1. a) Scrivi la sua configurazione elettronica.
2. b) Spiega, osservando il suo ultimo livello, perché l'argon è così poco reattivo.

I lampioni a luce arancione di molte autostrade sono lampade a vapori di sodio ($Z = 11$).

1. a) Scrivi la configurazione elettronica del sodio.
2. b) Quanti elettroni di valenza possiede?

Il calcio ($Z = 20$) è il minerale delle ossa e delle barriere coralline.

1. a) Scrivi la sua configurazione elettronica.
2. b) Quanti elettroni di valenza possiede?

Nei video di laboratorio si osserva che il sodio ($Z = 11$) e il potassio ($Z = 19$) reagiscono con l'acqua in modo molto simile, sprigionando una fiamma.

1. a) Scrivi le configurazioni elettroniche dei due elementi.
2. b) Indica che cosa hanno in comune i loro gusci di valenza.
3. c) Usa questa somiglianza per spiegare perché i due elementi si comportano chimicamente in modo così simile.

La soluzione fisiologica che si somministra negli ospedali contiene ioni $\text{Na}^+$.

1. a) Scrivi la configurazione elettronica dell'atomo di sodio ($Z = 11$) e quella dello ione $\text{Na}^+$.
2. b) Con quale gas nobile coincide la configurazione dello ione?

Nel sale da cucina il cloro ($Z = 17$) è presente sotto forma di ione cloruro, $\text{Cl}^-$.

1. a) Scrivi la configurazione elettronica dello ione $\text{Cl}^-$.
2. b) Verifica che coincide con la configurazione di un gas nobile e indica di quale si tratta.

Nell'elettronica di cellulari e computer si usa una ceramica molto resistente al calore, il nitruro di alluminio, formato da ioni $\text{Al}^{3+}$ e ioni $\text{N}^{3-}$ ($Z$: Al = 13, N = 7), come mostrato nella figura.

1. a) Scrivi la configurazione elettronica di ciascuno dei due ioni.
2. b) Verifica che entrambi hanno lo stesso numero di elettroni (si dice che sono isoelettronici).
3. c) Spiega perché, avendo gli stessi elettroni, uno ha carica $3+$ e l'altro carica $3-$ (pensa ai protoni di ciascun nucleo).

La configurazione elettronica di un elemento termina in $3p^5$.

1. a) Scrivi la sua configurazione completa e deduci il suo numero atomico.
2. b) Quanti elettroni gli mancano per completare il livello $3$ (compresi i suoi orbitali $3d$)?
3. c) Prevedi lo ione più probabile che formerà quell'elemento e scrivi la configurazione di tale ione.

Alcuni antiacidi da farmacia contengono ossido di magnesio, $\text{MgO}$, formato da ioni $\text{Mg}^{2+}$ e ioni $\text{O}^{2-}$ ($Z$: Mg = 12, O = 8).

1. a) Scrivi la configurazione elettronica di ciascuno ione.
2. b) Verifica che i due ioni hanno lo stesso numero di elettroni.
3. c) A partire dalle configurazioni degli atomi neutri, spiega perché al magnesio «conviene» perdere $2$ elettroni e all'ossigeno acquistarne $2$.

Per sciogliere il ghiaccio sulle strade in inverno si usa il cloruro di magnesio, $\text{MgCl}_2$ ($Z$: Mg = 12, Cl = 17).

1. a) Scrivi le configurazioni elettroniche dei due atomi e dei loro ioni $\text{Mg}^{2+}$ e $\text{Cl}^-$.
2. b) Ragiona, a partire dalle cariche degli ioni, sul perché la formula del composto è $\text{MgCl}_2$ e non $\text{MgCl}$.

Per il potassio ($Z = 19$), uno studente scrive la configurazione $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^6\ 3d^1$ e ragiona che «dopo il sottolivello $3p$ tocca al $3d$».

1. a) Scrivi la configurazione corretta applicando l'ordine del diagramma di Moeller.
2. b) Spiega quale errore ha commesso lo studente.
3. c) Secondo la configurazione corretta, quanti elettroni di valenza ha il potassio?

Uno ione $\text{X}^{2+}$ ha la configurazione elettronica $1s^2\ 2s^2\ 2p^6$.

1. a) Calcola quanti elettroni ha lo ione e deduci il numero atomico dell'elemento X.
2. b) Uno ione $\text{Y}^{-}$ ha esattamente la stessa configurazione: deduci anche il suo numero atomico.
3. c) Con l'aiuto della tavola periodica, nomina gli elementi X e Y.

Le bevande isotoniche per sportivi contengono, tra gli altri, ioni $\text{K}^+$, $\text{Ca}^{2+}$ e $\text{Mg}^{2+}$ ($Z$: K = 19, Ca = 20, Mg = 12).

1. a) Scrivi la configurazione elettronica di ciascuno dei tre ioni.
2. b) Che cosa hanno in comune le tre configurazioni?
3. c) Spiega, a partire da questo punto in comune, perché a questi tre elementi risulta così facile formare ioni positivi.