Microbiologia senza limiti
Orbitali degli elettroni
Gli orbitali degli elettroni sono rappresentazioni tridimensionali dello spazio in cui è probabile che si trovi un elettrone.
Obiettivi di apprendimento
Distinguere tra gli orbitali degli elettroni nel modello di Bohr e gli orbitali della meccanica quantistica
Punti chiave
Chiave Punti
- Il modello Bohr dell’atomo non riflette accuratamente come gli elettroni sono distribuiti spazialmente intorno al nucleo, poiché non girano intorno al nucleo come la terra gira intorno al sole.
- Gli orbitali degli elettroni sono il risultato di equazioni matematiche della meccanica quantistica note come funzioni d’onda e possono prevedere entro un certo livello di probabilità dove un elettrone potrebbe trovarsi in un dato momento.
- Il numero e il tipo di orbitali aumenta con l’aumentare del numero atomico, riempiendo vari gusci di elettroni.
- L’area in cui un elettrone ha più probabilità di trovarsi è chiamata il suo orbitale.
Termini chiave
- Guscio elettronico: Gli stati collettivi di tutti gli elettroni in un atomo che hanno lo stesso numero quantico principale (visualizzato come un’orbita in cui gli elettroni si muovono).
- orbitale: Una specificazione dell’energia e della densità di probabilità di un elettrone in qualsiasi punto di un atomo o di una molecola.
Anche se utile per spiegare la reattività e il legame chimico di certi elementi, il modello Bohr dell’atomo non riflette accuratamente come gli elettroni sono distribuiti spazialmente intorno al nucleo. Non circondano il nucleo come la terra orbita intorno al sole, ma si trovano piuttosto in orbitali di elettroni. Queste forme relativamente complesse derivano dal fatto che gli elettroni si comportano non solo come particelle, ma anche come onde. Le equazioni matematiche della meccanica quantistica, conosciute come funzioni d’onda, possono prevedere con un certo livello di probabilità dove un elettrone potrebbe trovarsi in un dato momento. La zona in cui è più probabile che un elettrone si trovi è chiamata il suo orbitale.
Primo guscio dell’elettrone
L’orbitale più vicino al nucleo, chiamato orbitale 1s, può contenere fino a due elettroni. Questo orbitale è equivalente al guscio elettronico più interno del modello Bohr dell’atomo. Si chiama orbitale 1s perché è sferico attorno al nucleo. L’orbitale 1s è sempre riempito prima di qualsiasi altro orbitale. L’idrogeno ha un solo elettrone; quindi, ha solo un punto dell’orbitale 1s occupato. Questo è designato come 1s1, dove l’apice 1 si riferisce all’unico elettrone nell’orbitale 1s. L’elio ha due elettroni; quindi, può riempire completamente l’orbitale 1s con i suoi due elettroni. Questo è indicato come 1s2, riferendosi ai due elettroni dell’elio nell’orbitale 1s. Sulla tavola periodica, l’idrogeno e l’elio sono gli unici due elementi nella prima fila (periodo); questo perché sono gli unici elementi ad avere elettroni solo nel loro primo guscio, l’orbitale 1s.
Secondo guscio elettronico
Diagramma degli orbitali S e P: I sottogusci S hanno la forma di sfere. Entrambi i gusci principali 1n e 2n hanno un orbitale s, ma la dimensione della sfera è maggiore nell’orbitale 2n. Ogni sfera è un singolo orbitale. I sottogusci p sono costituiti da tre orbitali a forma di manubrio. Il guscio principale 2n ha un sottoguscio p, ma il guscio 1 no.
Il secondo guscio elettronico può contenere otto elettroni. Questo guscio contiene un altro orbitale s sferico e tre orbitali p a forma di “manubrio”, ognuno dei quali può contenere due elettroni. Dopo che l’orbitale 1s è riempito, il secondo guscio di elettroni viene riempito, riempiendo prima il suo orbitale 2s e poi i suoi tre orbitali p. Quando si riempiono gli orbitali p, ognuno prende un singolo elettrone; una volta che ogni orbitale p ha un elettrone, un secondo può essere aggiunto. Il litio (Li) contiene tre elettroni che occupano il primo e il secondo guscio. Due elettroni riempiono l’orbitale 1s, e il terzo elettrone riempie l’orbitale 2s. La sua configurazione elettronica è 1s22s1. Il neon (Ne), invece, ha un totale di dieci elettroni: due sono nel suo orbitale 1s più interno, e otto riempiono il suo secondo guscio (due ciascuno negli orbitali 2s e tre p). Così, è un gas inerte ed energeticamente stabile: raramente forma un legame chimico con altri atomi.
Terzo guscio elettronico
Gli elementi più grandi hanno orbitali supplementari, che costituiscono il terzo guscio elettronico. I sottogusci d ed f hanno forme più complesse e contengono rispettivamente cinque e sette orbitali. Il guscio principale 3n ha i sottogusci s, p e d e può contenere 18 elettroni. Il guscio principale 4n ha orbitali s, p, d e f e può contenere 32 elettroni. Allontanandosi dal nucleo, il numero di elettroni e di orbitali che si trovano nei livelli di energia aumenta. Procedendo da un atomo all’altro nella tavola periodica, la struttura elettronica può essere elaborata inserendo un elettrone in più nel prossimo orbitale disponibile. Mentre i concetti di gusci di elettroni e orbitali sono strettamente correlati, gli orbitali forniscono una rappresentazione più accurata della configurazione elettronica di un atomo perché il modello orbitale specifica le diverse forme e gli orientamenti speciali di tutti i posti che gli elettroni possono occupare.