Struttura atomica e configurazione elettronica

Per capire perché gli elementi si comportano come si comportano bisogna scendere dentro l’atomo, fino agli elettroni e a come sono disposti. La configurazione elettronica — la mappa di dove stanno gli elettroni — è la chiave che spiega la posizione di un elemento nella tavola periodica, la sua reattività e i legami che forma. È il livello più fondamentale a cui la chimica diventa comprensibile.

Vediamo com’è fatto l’atomo, come si organizzano gli elettroni in livelli e orbitali e come si scrive la configurazione elettronica.

La struttura dell’atomo

L’atomo è fatto di un nucleo centrale, piccolissimo e denso, che contiene protoni (carica positiva) e neutroni (neutri), attorno al quale si muovono gli elettroni (carica negativa). Il numero di protoni — il numero atomico — identifica l’elemento. In un atomo neutro il numero di elettroni eguaglia quello dei protoni.

Gli elettroni stanno su livelli di energia

Gli elettroni non possono stare ovunque: occupano livelli energetici discreti (i “gusci”), numerati n = 1, 2, 3… a partire dal nucleo. Ogni livello può contenere un numero massimo di elettroni e quelli più vicini al nucleo hanno energia minore. Gli elettroni riempiono i livelli partendo dal più interno, quello a energia più bassa.

Orbitali e sottolivelli

All’interno di ogni livello, gli elettroni si distribuiscono in orbitali, regioni di spazio dove è più probabile trovarli, raggruppati in sottolivelli indicati con le lettere s, p, d, f. Ogni tipo di orbitale ha una forma e una capacità diverse: gli orbitali s contengono fino a 2 elettroni, i p fino a 6, i d fino a 10, gli f fino a 14. Questa struttura a sottolivelli è ciò che spiega la forma stessa della tavola periodica, con i suoi blocchi.

1s   2s   2p   3s   3p   4s   3d   4p   …  (ordine di riempimento)

La configurazione elettronica

La configurazione elettronica descrive come gli elettroni di un atomo sono distribuiti tra livelli e sottolivelli. Si scrive elencando i sottolivelli occupati con il numero di elettroni come esponente. Tre principi la governano:

Gli elettroni di valenza

Gli elettroni del livello più esterno si chiamano elettroni di valenza, e sono i veri protagonisti della chimica: determinano come un atomo si lega agli altri e quindi tutta la sua reattività. Elementi con lo stesso numero di elettroni di valenza si comportano in modo simile — ed è proprio per questo che stanno nello stesso gruppo della tavola periodica. La configurazione elettronica, in fondo, è la spiegazione microscopica della periodicità.

Perché conta nella pratica

La configurazione elettronica è il fondamento che spiega tutto il resto: perché un elemento forma certi ioni, quanti legami può fare, perché alcuni elementi sono colorati o magnetici, perché la tavola periodica ha proprio quella forma. Per chi lavora in chimica, ragionare in termini di elettroni di valenza permette di prevedere la formula dei composti, la carica degli ioni e il tipo di legame. È il livello a cui la chimica smette di essere un elenco di fatti da memorizzare e diventa una logica comprensibile.

Gli isotopi

Tutti gli atomi di uno stesso elemento hanno lo stesso numero di protoni, ma possono avere un diverso numero di neutroni: sono gli isotopi. Il carbonio, per esempio, esiste come carbonio-12 (il più comune), carbonio-13 e carbonio-14. Gli isotopi hanno proprietà chimiche praticamente identiche — perché la chimica dipende dagli elettroni, non dai neutroni — ma masse diverse e, in alcuni casi, instabilità nucleare (radioattività). È il motivo per cui le masse atomiche riportate nella tavola periodica non sono numeri interi: sono medie pesate delle masse dei vari isotopi presenti in natura. Alcuni isotopi radioattivi hanno applicazioni preziose, dalla datazione al carbonio-14 alla diagnostica medica.

Domande frequenti

Che cos’è la configurazione elettronica?

È la descrizione di come gli elettroni di un atomo sono distribuiti tra i livelli energetici e i sottolivelli (s, p, d, f). Si scrive elencando i sottolivelli occupati con il numero di elettroni come esponente, e spiega la posizione dell’elemento nella tavola e la sua reattività.

Che cosa sono gli orbitali?

Sono le regioni di spazio attorno al nucleo dove è più probabile trovare gli elettroni, raggruppate in sottolivelli s, p, d, f. Ogni tipo ha una forma e una capacità diverse: s ospita 2 elettroni, p ne ospita 6, d ne ospita 10, f ne ospita 14.

Che cosa sono gli elettroni di valenza?

Sono gli elettroni del livello energetico più esterno di un atomo. Sono i responsabili del comportamento chimico: determinano come l’atomo si lega agli altri e quanti legami può formare. Elementi con lo stesso numero di elettroni di valenza hanno proprietà simili.

Perché il sottolivello 4s si riempie prima del 3d?

Perché ha un’energia leggermente inferiore, e gli elettroni occupano sempre prima i sottolivelli a energia minore (principio di Aufbau). Questa apparente irregolarità nell’ordine di riempimento spiega la collocazione dei metalli di transizione al centro della tavola periodica.

Qual è la differenza tra numero atomico e numero di massa?

Il numero atomico è il numero di protoni e identifica l’elemento; il numero di massa è la somma di protoni e neutroni. Atomi dello stesso elemento con diverso numero di neutroni (e quindi diverso numero di massa) sono detti isotopi.