06x04 - Gli orbitali atomici

Gli orbitali atomici

Onda di materia

Louis de Broglie ipotizzò che la doppia natura ondulatoria e corpuscolare fosse una proprietà universale della materia.
Associò a ogni particella in movimento un’onda, chiamata onda di materia.
Ad ogni livello energetico principale di Bohr (n = 1 - 7) corrisponde un’onda a una specifica lunghezza, in funzione di n.

Principio di indeterminazione

Il principio di indeterminazione di Heisenberg afferma che è impossibile conoscere, nel medesimo istante e con la massima precisione, contemporaneamente posizione e velocità di un elettrone.

Equazione d'onda

Erwin Schrôdinger, fisico e matematico austriaco, nel 1926, a partire dall'ipotesi di de Broglie, formulò un'equazione nota come equazione d'onda, che tiene conto del comportamento ondulatorio dell'elettrone.

L'equazione d'onda, indicata con la lettera greca Ψ (psi), definisce la probabilità con cui un elettrone è presente nei diversi punti dello spazio attorno al nucleo. Tale probabilità non corrisponde a un'orbita definita come previsto dal modello di Bohr, ma a un orbitale.

Gli orbitali

Gli orbitali si rappresentano con dei volumi che descrivono lo spazio in cui c'è il 90% di probabilità di trovare un dato elettrone.
Per rendere più immediata la loro visualizzazione, gli orbitali si possono raffigurare come «nubi» di carica elettrica negativa aventi forma, dimensione, orientamento ed energia caratteristici.

Gli orbitali - Numeri quantici

Ogni orbitale è descritto da tre numeri quantici.

I numeri quantici di un orbitale sono tre numeri interi che compaiono nell'equazione d'onda di ogni orbitale e ne caratterizzano energia, forma, dimensione e orientazione.

II numero quantico principale n definisce il contenuto energetico dell'elettrone, che dipende dalla sua distanza dal nucleo. Gli orbitali sono caratterizzati da n, che può assumere soltanto i valori interi
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.

Gli orbitali - Numeri quantici

Gli orbitali con lo stesso valore di n possono essere di diverso tipo e avere cosi energie e forme diverse.
II numero quantico secondario l divide i livelli elettronici in gruppi di orbitali, chiamati sottolivelli (elettronici).

Per ogni n, I può assumere solo i valori interi da 0 a (n — 1).

​Ogni orbitale è sempre preceduto dal numero quantico principale, es. 2s, 3p, 4s, 4d

Gli orbitali s

Le forme e i volumi dei diversi tipi di orbitali sono molto differenti tra loro. La forma degli orbitali s è sferica; al centro della sfera c'è il nucleo. Ogni n ha un solo orbitale s. II volume della sfera aumenta al crescere del numero quantico principale n: l'orbitale 1s ha un diametro più piccolo del 2s e la sua energia è più bassa.

Gli orbitali p

Gli orbitali p hanno un doppio lobo; il nucleo dell'atomo si trova al centro dei due lobi. Gli orbitali p possono essere al massimo tre, orientati lungo i tre assi cartesiani ortogonali x, y, z.

Gli orbitali d e f

Gli orbitali d sono cinque e la loro forma è varia. I primi quattro hanno la stessa forma a quattro lobi ma diversa orientazione; il quinto presenta due lobi lungo l'asse z e un anello intorno al nucleo. Gli orbitali f sono sette e hanno forme ancora più complesse da rappresentare rispetto a quelle degli orbitali d.

​Simulazione orbitali

Il numero quantico magnetico m

L'orbitale s è sferico e ha una sola orientazione, mentre gli orbitali p, d, f possono avere orientazioni differenti nello spazio definite da un terzo numero quantico magnetico, m.
Per ogni valore di l, il numero quantico magnetico m assume valori interi che vanno da -1 a +1:
• per I = 0, m assume il solo valore 0, perciò esiste un solo orbitale s, di forma sferica;

• per l = 1, m assume tre valori: -1, 0, +1. I tre valori indicano tre orbitali p orientati lungo gli assi x, y, z.

Multiple Choice

Cosa significa il 3 in

$$3p^1$$ ?

• Livello energetico

• Forma dell'orbitale

• Numero di elettroni

Multiple Choice

Cosa significa p in

$$3p^1$$ ?

• Livello energetico

• Forma dell'orbitale

• Numero di elettroni

Multiple Choice

Cosa significa ¹ in

$$3p^1$$ ?

• Livello energetico

• Forma dell'orbitale

• Numero di elettroni

Il numero quantico di spin m_s

Secondo il principio di esclusione di Pauli, in un orbitale non possono essere presenti elettroni con gli stessi numeri quantici. Se due elettroni occupano lo stesso orbitale, essi hanno spin opposti.
Lo spin è determinato dal numero quantico di spin m_s che può avere solo due valori m_s = +1/2 e m_s = -1/2.

​In un orbitale possono esserci solo 2 elettroni.

La configurazione elettronica

Ogni orbitale è rappresentato da un quadratino (☐). Per gli elettroni si usano le frecce (↑,↓) che vanno collocate seguendo 3 regole:

1. ogni orbitale può contenere al massimo due elettroni, purché di spin opposto (principio di esclusione di Pauli);

2. si occupano prima gli orbitali a più bassa energia e poi quelli a energia più elevata: s, p, d, f (principio di Aufbau);

3. su orbitali con la stessa energia, prima si colloca un elettrone su ciascun orbitale vuoto e poi si completano

   gli orbitali semipieni (regola di Hund).

Fill in the Blanks

Multiple Choice

Quali di queste configurazioni si riferisce al ₃Li?

Multiple Choice

Qual è la configurazione elettronica di questo atomo?

• $$1s^2$$

• $$1s^{2^{ }}2s^1$$

• $$1s^3$$  

• $$1s^22s^22p^1$$

Multiple Choice

Qual è la configurazione elettronica di questo atomo?

• $$1s^2$$

• $$1s^22s^2$$  

• $$1s^22s^23p^1$$  

• $$1s^22s^2p^1$$  

Multiple Choice

Qual è la configurazione elettronica di questo atomo?

• $$1s^22s^22p^6$$

• $$1s^{2^{ }}2s^22p^63s^2$$

• $$1s^12s^2$$

• $$1s^22s^22p^63s^1$$