ELETTRONE DIFFERENZIALE: NUMERI QUANTISTICI ED ESEMPI - CHIMICA - 2024

L' elettrone differenziale o differenziatore è l'ultimo elettrone posto nella sequenza della configurazione elettronica di un atomo. Come si chiama? Per rispondere a questa domanda è necessaria la struttura di base di un atomo: il suo nucleo, il vuoto e gli elettroni.

Il nucleo è un aggregato denso e compatto di particelle positive chiamate protoni e di particelle neutre chiamate neutroni. I protoni definiscono il numero atomico Z e, insieme ai neutroni, costituiscono la massa atomica. Tuttavia, un atomo non può trasportare solo cariche positive; quindi gli elettroni orbitano attorno al nucleo per neutralizzarlo.

Quindi, per ogni protone che si unisce al nucleo, un nuovo elettrone si unisce ai suoi orbitali per contrastare la crescente carica positiva. In questo modo, l'elettrone appena aggiunto, l'elettrone differenziale, è strettamente correlato al numero atomico Z.

L'elettrone differenziale si trova nel guscio elettronico più esterno: il guscio di valenza. Pertanto, più sei lontano dal nucleo, maggiore è l'energia ad esso associata. È questa energia che è responsabile della loro partecipazione, così come quella del resto degli elettroni di valenza, alle reazioni chimiche caratteristiche degli elementi.

Numeri quantistici

Come il resto degli elettroni, l'elettrone differenziale può essere identificato dai suoi quattro numeri quantici. Ma cosa sono i numeri quantici? Sono "n", "l", "m" e "s".

Il numero quantico "n" indica la dimensione dell'atomo e i livelli di energia (K, L, M, N, O, P, Q). «L» è il numero quantico secondario o azimutale, che indica la forma degli orbitali atomici e assume valori di 0, 1, 2 e 3 per gli orbitali «s», «p», «d» e «f» , rispettivamente.

"M" è il numero quantico magnetico e indica l'orientamento spaziale degli orbitali sotto un campo magnetico. Quindi, 0 per l'orbitale «s»; -1, 0, +1, per l'orbitale "p"; -2, -1, 0, +1, +2, per l'orbitale "d"; e -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, per l'orbitale "f". Infine, il numero quantico di spin «s» (+1/2 per ↑ e -1/2 per ↓).

Pertanto, un elettrone differenziale ha associato i numeri quantici precedenti ("n", "l", "m", "s"). Poiché contrasta la nuova carica positiva generata dal protone extra, fornisce anche il numero atomico Z dell'elemento.

Come conoscere l'elettrone differenziale?

L'immagine sopra rappresenta le configurazioni degli elettroni per elementi dall'idrogeno al gas neon (H → Ne).

In questo, gli elettroni dei gusci aperti sono indicati dal colore rosso, mentre quelli dei gusci chiusi sono indicati dal colore blu. Gli strati si riferiscono al numero quantico "n", il primo dei quattro.

In questo modo, la configurazione di valenza di H (↑ in rosso) aggiunge un altro elettrone con orientamento opposto per diventare quella di He (↓ ↑, entrambi blu perché ora il livello 1 è chiuso). Questo elettrone aggiunto è quindi l'elettrone differenziale.

Quindi, graficamente si può vedere come l'elettrone differenziale si aggiunge al guscio di valenza (frecce rosse) degli elementi, differenziandoli tra loro. Gli elettroni riempiono gli orbitali rispettando la regola di Hund e il principio di esclusione di Pauling (perfettamente osservato da B a Ne).

E i numeri quantici? Questi definiscono ogni freccia - cioè ogni elettrone - ei loro valori possono essere confermati con la configurazione elettronica per sapere se sono o meno quelli dell'elettrone differenziale.

Esempi in più elementi

Cloro

Nel caso del cloro (Cl), il suo numero atomico Z è uguale a 17. La configurazione elettronica è quindi 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ² 3p ⁵ . Gli orbitali contrassegnati in rosso corrispondono a quelli del guscio di valenza, che ha un livello aperto 3.

L'elettrone differenziale è l'ultimo elettrone ad essere posizionato nella configurazione elettronica, e l'atomo di cloro è quello dell'orbitale 3p, la cui disposizione è la seguente:

↑ ↓

3px 3py 3pz

(-1) (0) (+1)

Rispettando la regola di Hund, gli orbitali 3p di uguale energia vengono riempiti per primi (una freccia in alto in ogni orbitale). Secondo, gli altri elettroni si accoppiano con gli elettroni solitari da sinistra a destra. L'elettrone differenziale è rappresentato in una cornice verde.

Pertanto, l'elettrone differenziale per il cloro ha i seguenti numeri quantici: (3, 1, 0, -1/2). Cioè, "n" è 3; "L" è 1, orbitale "p"; "M" è 0, perché è l'orbitale medio "p"; e "s" è -1/2, poiché la freccia punta verso il basso.

Magnesio

La configurazione elettronica per l'atomo di magnesio è 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ² , che rappresenta l'orbitale e il suo elettrone di valenza allo stesso modo:

↑ ↓

3s

0

Questa volta, l'elettrone differenziale ha i numeri quantici 3, 0, 0, -1/2. L'unica differenza in questo caso rispetto al cloro è che il numero quantico «l» è 0 perché l'elettrone occupa un orbitale «s» (i 3).

Zirconio

La configurazione elettronica per l'atomo di zirconio (metallo di transizione) è 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ¹⁰ 4p ⁶ 5s ² 4d ² . Allo stesso modo dei casi precedenti, la rappresentazione degli orbitali e degli elettroni di valenza è la seguente:

Pertanto, i numeri quantici per l'elettrone differenziale contrassegnati in verde sono: 4, 2, -1, +1/2. Qui, poiché l'elettrone occupa il secondo orbitale "d", ha un numero quantico "m" uguale a -1. Inoltre, poiché la freccia punta verso l'alto, il suo numero di rotazione "s" è uguale a +1/2.

Elemento sconosciuto

I numeri quantici di elettroni differenziali per un elemento sconosciuto sono 3, 2, +2, -1/2. Qual è il numero atomico Z dell'elemento? Conoscendo Z puoi capire qual è l'elemento.

Questa volta, poiché "n" è uguale a 3, significa che l'elemento è nel terzo periodo della tavola periodica, con orbitali "d" come guscio di valenza ("l" uguale a 2). Pertanto, gli orbitali sono rappresentati come nell'esempio precedente:

↑ ↓

I numeri quantici "m" uguale a +2 e "s" uguale a -1/2, sono la chiave per localizzare correttamente l'elettrone differenziale nell'ultimo orbitale 3d.

Pertanto, l'elemento ricercato ha orbitali 3d ¹⁰ completi, nonché i suoi gusci elettronici interni. In conclusione, l'elemento è il metallo zinco (Zn).

Tuttavia, i numeri quantici dell'elettrone differenziale non possono distinguere tra zinco e rame, perché quest'ultimo elemento ha anche orbitali 3d completi. Perché? Perché il rame è un metallo che non rispetta le regole per riempire gli elettroni per ragioni quantistiche.

Riferimenti

1. Jim Branson. (2013). Regole di Hund. Estratto il 21 aprile 2018 da: quantummechanics.ucsd.edu
2. Lezione 27: le regole di Hund. Estratto il 21 aprile 2018 da: ph.qmul.ac.uk
3. Università di Purdue. Numeri quantistici e configurazioni elettroniche. Estratto il 21 aprile 2018 da: chemed.chem.purdue.edu
4. Salvat Encyclopedia of Sciences. (1968). Física Salvat, SA de Ediciones Pamplona, ​​volume 12, Spagna, pagine 314-322.
5. Walter J. Moore. (1963). Chimica fisica. In particelle e onde. Quarta edizione, Longmans.