Esercizi di chimica: ripassa la configurazione elettronica con esempi e spiegazioni

Per comprendere le proprietà chimiche di un elemento, come la sua reattività, il tipo di legami che può formare, il suo comportamento in reazioni chimiche, bisogna conoscere in che modo gli elettroni sono distribuiti in diversi livelli di energia attorno al nucleo di un atomo ⚛️
La configurazione elettronica è l’argomento della chimica che ci permette di capire la disposizione degli elettroni negli atomi o nelle molecole.

Il principio di Aufbau, il principio di esclusione di Pauli e la regola di Hund sono la base teorica della configurazione elettronica, ma possono essere molto utili per risolvere gli esercizi di chimica per determinare in che modo gli elettroni occupano gli orbitali (i livelli di energia) disponibili 🧠

La configurazione elettronica è fondamentale per comprendere molti concetti chiave in chimica e nei prossimi scroll la approfondiamo con dei quiz e le relative spiegazioni.

Configurazione elettronica: la base teorica

La configurazione elettronica descrive come gli elettroni sono distribuiti negli orbitali di un atomo.

Il numero di elettroni in un atomo neutro corrisponde al suo numero atomico, che è il numero di protoni nel nucleo e si trova nella tavola periodica degli elementi.

Per svolgere correttamente gli esercizi sulla configurazione elettronica si parte dal nucleo e si riempiono gli orbitali in ordine di energia crescente (s, p, d, f), tenendo conto del numero totale di elettroni dell’elemento (che corrisponde al suo numero atomico) 📚
Si assegnano gli elettroni agli orbitali partendo da quelli a energia più bassa e procedendo verso quelli a energia più alta, rispettando il numero totale di elettroni dell’elemento.

Il numero massimo di elettroni per livello energetico è dato dalla formula 2n², dove n è il numero del livello.
Ad esempio, il primo livello può contenere fino a 2 elettroni, il secondo fino a 8, e così via.

Il procedimento per costruire la configurazione elettronica di un atomo si chiama principio di Aufbau (significa “costruzione” in tedesco) e consiste nelle seguenti regole:

1. Il principio di minima energia 🔋
2. Il principio di esclusione di Pauli ❌
3. La regola di Hund 🧠

Principio di minima energia (o principio di Aufbau , o regola della diagonale)

Questo principio stabilisce che, nella costruzione della configurazione elettronica di un atomo, gli elettroni occupano prima gli orbitali a energia più bassa e poi passano a un livello energetico più alto.

Di seguito vediamo i livelli energetici degli orbitali e capiamo il numero di elettroni per ognugno:

• s ha solo un orbitale quindi contiene al massimo 2e
• p ha 3 orbitali e contiene al massimo 6e
• d ha 5 orbitali e quindi contiene al massimo 10e
• f ha 7 orbitali e dunque contiene al massimo 14e

Principio di esclusione di Pauli

Afferma che ogni orbitale atomico può contenere al massimo due elettroni, che devono avere spin opposti. In altre parole, non possono esistere due elettroni in un atomo con lo stesso set di quattro numeri quantici.
Per questo motivo, essendoci n² orbitali per ogni livello n: il numero massimo di elettroni di un dato livello è 2n² 🧠
Questo principio è importante negli esercizi sulla configurazione elettronica in cui è richiesto di determinare il numero massimo di elettroni che possono occupare un determinato livello energetico o orbitale.

Regola di Hund

Quando gli elettroni occupano orbitali degeneri (orbitali con la stessa energia, come i tre orbitali 2p), un elettrone va in ciascun orbitale prima che un secondo elettrone possa essere aggiunto a uno qualsiasi di essi. Ciò significa che gli elettroni si distribuiscono il più possibile prima di accoppiarsi.

Gli elettroni tendono ad occupare il maggior numero possibile di orbitali di un sottolivello, disponendosi con spin paralleli ⚛️
Questa regola assicura che ogni orbitale degenerato riceva un elettrone prima di iniziare a riempirli con il secondo.

Esempi ed esercizi

Cerchiamo di applicare i principi fondamentali della configurazione elettronica ad alcuni esempi ed esercizi, in modo da comprendere al meglio il metodo e risolvere tutti gli esercizi che vuoi.

Costruire la configurazione elettronica di un elemento

Per esempio, cerchiamo di capire come fare la configurazione elettronica del cloro (Cl).

Il cloro ha un numero atomico di 17, il che significa che ha 17 elettroni.
Seguendo il principio di Aufbau, la regola di Hund, e il principio di esclusione di Pauli, la configurazione elettronica del cloro è: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵ ✅

Questo perché riempiamo prima i livelli di energia più bassi (1s, 2s, 2p) e poi procediamo ai livelli superiori (3s e 3p).
Iniziamo con l’orbitale 1s, il più basso in termini di energia. Può contenere fino a 2 elettroni, quindi scriviamo 1s².
Passiamo poi agli orbitali 2s e 2p. L’orbitale 2s può contenere altri 2 elettroni (2s²), e gli orbitali 2p possono contenere fino a 6 elettroni (2p⁶).

Con gli orbitali 1s, 2s e 2p completamente riempiti, abbiamo utilizzato 10 elettroni. Restano 7 elettroni da assegnare. L’orbitale successivo secondo il principio di Aufbau è il 3s, che può contenere 2 elettroni (3s²).
Ora rimangono 5 elettroni, che verranno assegnati agli orbitali 3p. Gli orbitali 3p possono contenere fino a 6 elettroni, ma abbiamo solo 5 elettroni rimanenti, quindi la configurazione finale sarà 3p⁵.

Quale elemento corrisponde alla configurazione elettronica?

Alcuni esercizi, invece, richiedono di risalire all’elemento chimico data la configurazione elettronica. Vediamo un esempio insieme e capiamo quale elemento corrisponde alla configurazione elettronica 1s² 2s² 2p³?

La configurazione 1s² 2s² 2p³ indica un totale di 7 elettroni (2 in 1s, 2 in 2s, e 3 in 2p).
Il numero totale di elettroni è uguale al numero atomico dell’elemento.

Questa configurazione elettronica rappresenta un elemento con 7 elettroni totali, poiché la somma degli elettroni nei vari orbitali è 7 (2 in 1s, 2 in 2s, 3 in 2p). Guardando la tavola periodica, l’elemento con il numero atomico 7 è l’azoto (N) ✅

⚠️ Se devi svolgere il test di ammissione per accedere all’università non potrai utilizzare la tavola periodica, quindi sarà necessario ricordare gli elementi per rispondere a un quesito in modo corretto 😱

Per esempio, gli elementi del gruppo VIII A della tavola periodica sono i gas nobili. La configurazione elettronica dei loro atomi è caratterizzata dalla completa occupazione degli orbitali s e p della loro shell esterna con 8 elettroni.
Lo stesso può essere fatto anche per gli altri gruppi della tavola periodica (alcalini, alogeni, carbonoidi, ecc.) e potrebbe rivelarsi molto utile durante quiz 📚

Esercizi sulla configurazione elettronica e casi particolari

Fare molti esercizi sulla configurazione elettronica è importante per risolvere rapidamente e con precisione le domande a crocette durante un test 🧠
Inoltre, alcuni elementi seguono regole specifiche o presentano eccezioni nella loro configurazione elettronica. Praticare con esercizi diversi aiuta a riconoscere questi pattern e a ricordare le eccezioni.

Nei prossimi scroll vediamo tre tipologie di esercizi sulla configurazione elettronica, quindi armati di carta e penna e facciamo un po’ di pratica con la chimica ⚛️

Esercizi sulla configurazione elettronica degli atomi

a) Determinare la configurazione elettronica del Cloro nella notazione con i quadretti e quella “classica”.

Soluzione:

• Il Cloro ha 17 elettroni.
• Configurazione: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵.

b) Determinare la configurazione elettronica dello Zinco nella notazione con i quadretti e quella “classica”.

Soluzione:

• Lo Zinco ha 30 elettroni.
• Configurazione: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰.

Esercizi sulla configurazione elettronica degli ioni

a) Determinare la configurazione elettronica dello ione Pb²⁺ nella notazione con i quadretti e quella “classica”.

Soluzione:

• Piombo neutro: 82 elettroni.
• Pb²⁺: Perde 2 elettroni.
• Configurazione: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6p².

b) Determinare la configurazione elettronica dello ione Br⁻ nella notazione con i quadretti e quella “classica”.

Soluzione:

• Bromo neutro: 35 elettroni.
• Br⁻: Guadagna 1 elettrone.
• Configurazione: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶.

Esercizi sulla configurazione elettronica: caso particolare

a) L’ordine di energia crescente nei seguenti orbitali è (ossia quello con cui gli elettroni si collocano):

1. 4s, 3d, 4p, 5s
2. 4d, 4p, 4s, 5s
3. 4s, 4p, 3d, 5s
4. 4s, 4p, 5s, 3d
5. 3d, 4s, 4p, 5s

L’ordine di energia crescente, ovvero l’ordine in cui gli elettroni si collocano negli orbitali, tra le opzioni fornite è:

1. 4s, 3d, 4p, 5s

Questo ordine segue il principio di Aufbau, che stabilisce che gli elettroni occupano prima gli orbitali con l’energia più bassa.

Ma perché l’orbitale 3d viene riempito dopo il 4s, nonostante il numero quantico principale del 3d sia inferiore a quello del 4s?

Gli orbitali atomici sono descritti da tre numeri quantici:

• Numero quantico principale (n) 🔢
• Numero quantico angolare (l) 📐
• Numero quantico magnetico (m) 🧲

Il principale determina il livello energetico dell’orbitale, mentre il numero quantico angolare determina la forma dell’orbitale (s, p, d, f) 📚

L’ordine di riempimento degli orbitali non segue sempre una sequenza diretta basata sui numeri quantici principali. Questo è dovuto alle sottili differenze nelle energie degli orbitali che emergono quando gli atomi hanno più elettroni.

• Orbitale 4s: Ha un numero quantico principale n = 4 e un numero quantico angolare l = 0 (orbitale s).
• Orbitale 3d: Ha un numero quantico principale n = 3 e un numero quantico angolare l = 2 (orbitale d).

Nonostante il 4s abbia un numero quantico principale più alto, la sua energia totale è leggermente inferiore a quella del 3d.

Gli orbitali s hanno una maggiore penetrazione verso il nucleo rispetto agli orbitali d. Ciò significa che gli elettroni nel 4s si avvicinano più al nucleo e sono meno schermati dagli elettroni negli strati energetici inferiori. Di conseguenza, l’orbitale 4s ha un’energia inferiore rispetto al 3d 🪫

Questo è un esempio di come le regole generali sulla configurazione elettronica possano avere eccezioni basate su considerazioni energetiche più dettagliate 📚

Ripasso di chimica: configurazione elettronica e molto altro

In sintesi, la pratica costante con esercizi sulla configurazione elettronica non solo solidifica la comprensione di un concetto chiave, ma migliora anche le abilità generali di problem solving, essenziali per avere successo in un test a crocette.

I test a crocette richiedono spesso di rispondere a molte domande in un tempo limitato.

La pratica rende più veloce il processo di ragionamento e riduce il rischio di errori 🧠
La familiarità con il tipo di domande che si possono incontrare in un test riduce l’ansia e aumenta la fiducia nelle proprie capacità.
Attraverso la pratica, si possono identificare aree di debolezza da rinforzare prima del test.

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