Configurazione elettronica: orbitali, livelli ed elettroni di valenza

La configurazione elettronica dice dove stanno gli elettroni di un atomo: in quali livelli, in quali tipi di orbitale, quanti per ciascuno. Non è un dettaglio accademico, perché da quella distribuzione discendono la reattività di un elemento, il numero di legami che forma e la posizione che occupa nella tavola periodica. Saperla scrivere a colpo d’occhio è la prima competenza operativa di chi lavora con la chimica.

Vediamo che cosa sono i livelli e i sottolivelli, quanti elettroni entrano in ciascun tipo di orbitale, come si scrive la notazione completa e abbreviata e perché gli elettroni di valenza contano più di tutti gli altri.

Livelli e sottolivelli: il primo ordine

Gli elettroni di un atomo non sono mescolati alla rinfusa: occupano regioni con energia ben definita. Il primo livello di organizzazione è il livello principale, identificato dal numero quantico n (n = 1, 2, 3, …): più n è alto, più il livello è lontano dal nucleo e più energia ha. A livello cresce anche la capacità di ospitare elettroni. Dentro ogni livello esistono poi i sottolivelli, indicati dalle lettere s, p, d, f, che corrispondono a forme diverse degli orbitali e a energie leggermente diverse tra loro.

Orbitali s, p, d, f e quanti elettroni ci stanno

Un orbitale è la regione di spazio dove è più probabile trovare un elettrone, e per il principio di esclusione di Pauli ogni orbitale può contenere al massimo due elettroni, con spin opposto. Ciò che cambia tra i sottolivelli è quanti orbitali contengono: il sottolivello s ha un solo orbitale (sferico), il p ne ha tre (orientati lungo gli assi), il d ne ha cinque, l’f sette. Da qui si ricava subito la capienza massima di ciascun sottolivello.

numero di orbitali per sottolivello: s = 1 · p = 3 · d = 5 · f = 7  (ognuno ≤ 2 e−)

Moltiplicando il numero di orbitali per due si ottiene la capienza: s ospita fino a 2 elettroni, p fino a 6, d fino a 10, f fino a 14. Sono numeri da imparare a memoria, perché ricorrono in ogni configurazione e spiegano la struttura stessa della tavola: i due gruppi più a sinistra sono il «blocco s», i sei a destra il «blocco p», i dieci centrali il «blocco d», i quattordici dei lantanidi e attinidi il «blocco f».

La notazione: come si scrive una configurazione

La configurazione elettronica si scrive elencando i sottolivelli occupati nell’ordine di riempimento, con il numero di elettroni indicato come esponente. Per l’ossigeno (8 elettroni) si scrive 1s² 2s² 2p⁴; per il ferro (26 elettroni) si arriva fino al sottolivello 3d. L’ordine generale di riempimento, valido per la maggior parte degli elementi, è:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ …

Si noti un punto che disorienta molti all’inizio: il sottolivello 4s si riempie prima del 3d, perché ha energia leggermente inferiore quando è vuoto. Questo è il motivo per cui, nel quarto periodo, dopo il calcio inizia la serie dei metalli di transizione che riempiono il 3d. La somma di tutti gli esponenti deve sempre dare il numero totale di elettroni dell’atomo neutro, cioè il numero atomico Z.

Notazione abbreviata con il gas nobile

Scrivere ogni volta tutta la configurazione è scomodo per gli atomi grandi. Si usa allora la notazione abbreviata: si racchiude tra parentesi quadre il simbolo del gas nobile che precede l’elemento, e si scrivono solo gli elettroni aggiunti dopo di esso. Così il ferro, invece di 1s² 2s² 2p⁴ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶, diventa semplicemente [Ar] 4s² 3d⁶. La parte tra parentesi rappresenta il «nocciolo» interno, stabile e poco reattivo; ciò che viene dopo è il guscio esterno, quello che fa la chimica.

Gli elettroni di valenza: quelli che contano

Gli elettroni di valenza sono quelli del livello principale più esterno (e, per i metalli di transizione, anche quelli del sottolivello d in via di riempimento). Sono loro a partecipare ai legami chimici, a determinare la valenza, a stabilire quanti e quali legami un atomo forma. Per gli elementi dei gruppi principali, il numero di elettroni di valenza coincide con il numero del gruppo: il sodio ne ha uno, l’ossigeno sei, il cloro sette. Questo spiega a colpo d’occhio perché il sodio tende a cedere un elettrone e il cloro ad acquistarne uno, formando il cloruro di sodio.

In definitiva, la configurazione elettronica è la mappa che collega la posizione di un elemento nella tavola periodica al suo comportamento chimico. Una volta che si sa scrivere — rispettando l’ordine di riempimento, le capienze dei sottolivelli e l’eccezione del 4s prima del 3d — si possono prevedere lo stato di ossidazione più comune, la tendenza a formare ioni e, in larga misura, la reattività complessiva dell’elemento. È il fondamento su cui poggiano tutti gli altri argomenti della periodicità.

Capienza dei sottolivelli a colpo d’occhio

Questa tabella riassume i quattro tipi di sottolivello, il numero di orbitali e la capienza massima di elettroni, con il blocco corrispondente della tavola periodica:

Il numero totale di elettroni distribuiti deve sempre uguagliare il numero atomico Z dell’atomo neutro: è il primo controllo da fare per verificare che una configurazione sia scritta correttamente.

Domande frequenti

Che cos’è la configurazione elettronica?

È la descrizione di come gli elettroni di un atomo si distribuiscono nei livelli e nei sottolivelli (s, p, d, f). Si scrive elencando i sottolivelli occupati con il numero di elettroni come esponente, nell’ordine di riempimento. La somma degli esponenti deve dare il numero atomico Z. Da essa si prevede la reattività e la posizione dell’elemento nella tavola.

Quanti elettroni entrano in ogni sottolivello?

Dipende dal numero di orbitali: s ha un orbitale (2 elettroni), p ne ha tre (6 elettroni), d ne ha cinque (10 elettroni), f ne ha sette (14 elettroni). Ogni orbitale ospita al massimo due elettroni con spin opposto, per il principio di esclusione di Pauli. Da qui derivano i blocchi s, p, d, f della tavola periodica.

Perché il 4s si riempie prima del 3d?

Perché, quando questi sottolivelli sono vuoti, il 4s ha energia leggermente inferiore al 3d e viene quindi riempito per primo. È il motivo per cui i metalli di transizione del quarto periodo, dopo il calcio, riempiono progressivamente il 3d. Una volta occupati, l’ordine energetico può invertirsi, ma per scrivere la configurazione si segue l’ordine di riempimento standard.

Che cosa sono gli elettroni di valenza?

Sono gli elettroni del guscio più esterno, quelli che partecipano ai legami chimici e determinano la reattività dell’atomo. Per gli elementi dei gruppi principali, il loro numero coincide con il numero del gruppo: il cloro, nel gruppo 17, ha sette elettroni di valenza. Sono questi elettroni, non quelli interni, a stabilire come l’elemento forma i legami.

A che cosa serve la notazione abbreviata con il gas nobile?

Serve a scrivere in modo compatto la configurazione degli atomi grandi: si indica tra parentesi quadre il gas nobile che precede l’elemento (il «nocciolo» interno stabile) e si elencano solo gli elettroni aggiunti dopo. Così il ferro si scrive [Ar] 4s² 3d⁶. Oltre alla comodità, evidenzia subito gli elettroni di valenza, separandoli da quelli interni inerti.