Elettrone differenziale: numeri quantici, come conoscerlo ed esempi
L' elettrone differenziale o differenziante è l'ultimo elettrone posto nella sequenza della configurazione elettronica di un atomo. Perché è il suo nome? 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 portare solo cariche positive; quindi gli elettroni orbitano intorno al nucleo per neutralizzarlo.
Quindi, per ogni protone che viene aggiunto al nucleo, un nuovo elettrone viene incorporato nei suoi orbitali per contrastare la crescente carica positiva. In questo modo, il nuovo elettrone aggiunto, l'elettrone differenziale, è strettamente correlato al numero atomico Z.
L'elettrone differenziale si trova nello strato elettronico più esterno: lo strato di valenza. Quindi, più lontano sei dal nucleo, maggiore è l'energia ad esso associata. Questa energia è responsabile della sua partecipazione, così come quella del resto degli elettroni di valenza, nelle reazioni chimiche caratteristiche degli elementi.
Numeri quantici
Come il resto degli elettroni, l'elettrone differenziale può essere identificato dai suoi quattro numeri quantici. Ma quali 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 di «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 i numeri quantici precedenti associati («n», «l», «m», «s»). Poiché contrasta la nuova carica positiva generata dal protone aggiuntivo, fornisce anche il numero atomico Z dell'elemento.
Come sapere l'elettrone differenziale?
Nell'immagine in alto sono rappresentate le configurazioni elettroniche per gli elementi dall'idrogeno al neon (H → Ne).
In questo, gli elettroni degli strati aperti sono indicati con il colore rosso, mentre quelli degli strati chiusi sono indicati con il colore blu. Gli strati si riferiscono al numero quantico "n", il primo dei quattro.
In questo modo, la configurazione di valenza di H (↑ di colore rosso) aggiunge un altro elettrone con orientamento opposto a quello di He (↓ ↑, entrambi blu perché ora il livello 1 è chiuso). Questo elettrone aggiunto è quindi l'elettrone differenziale.
Così, graficamente si può osservare come l'elettrone differenziale viene aggiunto allo strato di valenza (frecce rosse) degli elementi, differenziandoli l'uno dall'altro. Gli elettroni riempiono gli orbitali rispettando la regola di Hund e il principio di esclusione di Pauling (perfettamente osservato dalla B alla Ne).
E i numeri quantici? Questi definiscono ogni freccia - cioè ogni elettrone - ed i loro valori possono essere corroborati con la configurazione elettronica per sapere se sono o meno l'elettrone differenziale.
Esempi in diversi elementi
cloro
Per il caso del cloro (Cl) il suo numero atomico Z è uguale a 17. La configurazione elettronica è quindi 1s22s2sp63s23p5. Gli orbitali marcati in rosso corrispondono a quelli del livello di valenza, che ha il livello 3 aperto.
L'elettrone differenziale è l'ultimo elettrone inserito 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, riempire per prima cosa gli orbitali 3p di uguale energia (una freccia in alto in ciascun orbitale). In secondo luogo, 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 "p" del medium; e «s» è -1/2, poiché la freccia punta verso il basso.
magnesio
La configurazione elettronica per l'atomo di magnesio è 1s22s2sp63s2, 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 "s" orbitale (i 3).
zirconio
La configurazione elettronica per l'atomo di zirconio (metallo di transizione) è 1s22s2sp63s23p64s23d104p65s24d2. 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 "d" orbitale, ha un numero quantico "m" uguale a -1. Inoltre, poiché la freccia punta verso l'alto, il suo numero di spin «s» è uguale a +1/2.
Elemento sconosciuto
I numeri quantici dell'elettrone differenziale per un elemento sconosciuto sono 3, 2, +2, -1/2. Qual è il numero atomico Z dell'elemento? Conoscendo Z, puoi decifrare qual è l'elemento.
Questa volta, poiché "n" è uguale a 3, significa che l'elemento si trova nel terzo periodo della tavola periodica, con gli orbitali "d" come lo strato di valenza ("l" uguale a 2). Pertanto, gli orbitali sono rappresentati come nell'esempio precedente:
↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓
I numeri quantici "m" uguali a +2, e "s" uguali a -1/2, sono le chiavi per localizzare correttamente l'elettrone differenziale nell'ultimo orbitale 3d.
Quindi, l'elemento ricercato ha gli orbitali 3d10 pieni, così come i suoi strati elettronici interni. In conclusione, l'elemento è zinco metallo (Zn).
Tuttavia, i numeri quantici dell'elettrone differenziale non possono discernere tra zinco e rame, perché quest'ultimo ha anche orbitali 3d completi. Perché? Perché il rame è un metallo che non rispetta le regole per il riempimento degli elettroni per ragioni quantistiche.
