UN elettrosfera è la regione dell'atomo in cui gli elettroni Si trovano. L'elettrosfera, più precisamente, è composta da orbitali atomici, determinati risolvendo l'equazione di Schrödinger. Determinata inizialmente dal modello di Rutherford, l'elettrosfera ricevette progressi significativi durante la validità del modello atomico di Bohr.
L'elettrosfera può essere divisa in strati (o livelli energetici), poiché gli elettroni hanno un'energia definita (non continua). Per gli atomi con due o più elettroni, i gusci si dividono in sottogusci (o sottogusci). L'elettrosfera è estremamente importante per comprendere le proprietà dell'atomo e comprendere la formazione dei legami chimici.
Leggi anche: Come viene diviso l'atomo?
Argomenti in questo articolo
- 1 - Riepilogo dell'elettrosfera
- 2 - Video lezione sull'elettrosfera
- 3 - Cos'è l'elettrosfera?
- 4 - Strati dell'elettrosfera
- 5 - Funzione dell'elettrosfera
- 6 - Rapporto tra l'elettrosfera e la struttura atomica
- 7 - Esercizi risolti sull'elettrosfera
Riassunto sull'elettrosfera
L'elettrosfera è la regione dell'atomo in cui si trovano gli elettroni.
È composto da orbitali atomici, funzioni d'onda che sono soluzioni delle equazioni di Schrödinger.
Il suo concetto è iniziato con il modello di Ernest Rutherford.
Gli elettroni vengono trattenuti nell'elettrosfera a causa della loro attrazione verso il nucleo atomico.
I principali progressi nella comprensione dell'elettrosfera si sono verificati durante la concezione del modello di Niels Bohr.
È composto da strati (o livelli energetici), che sono regioni di energia definita.
Per gli atomi con più di un elettrone, i gusci si dividono in sottogusci (o sottogusci).
L'elettrosfera è importante per comprendere diverse proprietà, come la somiglianza atomica, la stabilità, raggio atomico, energia di ionizzazione, affinità elettronica, oltre a comprendere la formazione dei legami sostanze chimiche.
Video lezione sull'elettrosfera
Cos'è l'elettrosfera?
L'elettrosfera è definita come la regione della struttura atomica in cui si trovano gli elettroni. Nelle interpretazioni più approfondite diciamo che è composto da orbitali atomici, funzioni d'onda che sono soluzioni dell'equazione di Schrödinger. L'espressione matematica di un orbitale atomico, quando quadrato, presenta la densità di probabilità della posizione dell'elettrone in un dato punto.
O Il concetto di elettrosfera cominciò ad emergere con il Il modello atomico di Ernest Rutherford, che presenta elettroni che orbitano attorno a un nucleo denso e positivo. Successivamente, Niels Bohr apportò interpretazioni più significative dell'elettrosfera mescolando concetti della meccanica quantistica.
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Strati dell'elettrosfera
Gli elettroni vengono trattenuti nell'elettrosfera a causa della loro attrazione verso il nucleo atomico. Tuttavia è noto che questi gli elettroni si trovano in gusci le cui energie sono ben definite. Tali strati possono anche essere chiamati livelli energetici.
Questa conclusione è arrivata dopo esperimenti di spettroscopia. Ad esempio, quando viene applicata una corrente elettrica al gas H2 A bassa pressione, la luce viene emessa da H2. In questa condizione si formano gli ioni H+ ed elettroni, che ritorneranno agli ioni H+ e formeranno specie eccitate (energizzate) di H+. Per alleviare l'energia in eccesso, gli ioni H+ rilasciano energia sotto forma di radiazione elettromagnetica (luce) e si ricombinano in gas H2 Ancora.
Forse ricorderete che quando la luce bianca passa attraverso un prisma, si scompone in uno spettro continuo (simile a un arcobaleno); lo stesso però non avviene con la luce proveniente da H2: quando tale radiazione attraversa il prisma, nello spettro di emissione dell'H si osservano solo righe luminose con una determinata lunghezza d'onda2, conosciute come linee spettrali.
L'interpretazione per gli spettri di emissione degli elementi (con righe spettrali ben definite) è questa un elettrone, in un atomo, non possono presentare alcuna energia, ma bensì in quantità ben definite (i cosiddetti pacchetti energetici). Se gli elettroni non avessero tali restrizioni energetiche, lo spettro di emissione degli elementi sarebbe continuo, proprio come quello della luce bianca che passa attraverso un prisma.
Ogni linea spettrale di un elemento divenne nota come livello energetico. (o layer, come siamo più abituati a dire). Queste linee si formano quando un elettrone passa da un livello energetico consentito a un altro, in un processo di cambiamento energetico noto come transizione elettronica.
Durante la transizione elettronica, l'elettrone passa da un livello energetico inferiore a un livello energetico superiore. Quando ritorna al suo livello iniziale, emette l'energia in eccesso attraverso la radiazione elettromagnetica (luce), donandola origine alla riga spettrale il cui valore di energia emessa è proporzionale ad un valore definito dall'equazione di Rydberg.
Johannes Rydberg era uno spettroscopista svedese che creò un'equazione per definire l'andamento delle linee spettrali basandosi sul lavoro del professore svizzero Johann Balmer. L'energia specifica di ciascuno strato è definita risolvendo l'apposita equazione di Schrödinger.
Ciascuno strato elettronico ha un numero consentito di elettroni. Attualmente sono definiti sette strati elettronici, identificati dalle lettere da K a Q, in ordine alfabetico, o dalla lettera n, dove n ≥ 1. Pertanto, lo strato K è lo strato in cui n = 1 e così via. Il numero di elettroni consentiti per livello è mostrato nella tabella seguente.
Livello di energia |
Strato |
Numero massimo di elettroni |
1 |
K |
2 |
2 |
l |
8 |
3 |
M |
18 |
4 |
N |
32 |
5 |
O |
32 |
6 |
P |
18 |
7 |
Q |
8 |
Per gli atomi idrogenoidi (con solo 1 elettrone, come H, He+, Li2+), tutti gli orbitali atomici hanno la stessa energia (li chiamiamo orbitali degeneri); tuttavia, negli atomi con due o più elettroni si verifica un effetto molto importante, la repulsione elettrone-elettrone. La conseguenza di questo fatto è che gli orbitali di ogni strato cominciano ad avere energie diverse e, quindi, gli strati cominciano a essere descritti come sottostrati (o sottolivelli).
Per gli atomi attuali, ogni strato può essere scomposto in un massimo di quattro sottolivelli, rappresentato dalle lettere “s” (dall'inglese, affilato), “p” (dall'inglese, principale), “d” (dall'inglese, diffusivo) e “f” (dall'inglese, fondamentale).
Ogni sottolivello supporta un numero massimo di elettroni, definito da calcoli ed esperimenti. Il sottolivello “s” supporta fino a 2 elettroni; il sottolivello “p”, fino a 6 elettroni; il sottolivello “d”, fino a 10 elettroni; e il sottolivello “f”, fino a 14 elettroni. Lo strato K è l'unico che consente un solo orbitale e, quindi, ha un solo sottolivello.
Livello di energia |
Strato |
Sottolivelli |
1 |
K |
1 secondo |
2 |
l |
2s, 2p |
3 |
M |
3s, 3p, 3d |
4 |
N |
4s, 4p, 4d, 4f |
5 |
O |
5s, 5p, 5d, 5f |
6 |
P |
6s, 6p, 6d |
7 |
Q |
7s, 7p |
Funzione dell'elettrosfera
L'elettrosfera di ciascun atomo può essere usato per spiegare varie proprietà e comportamenti dell'atomo.
Proprietà come il raggio atomico, il raggio ionico, l'energia di ionizzazione e l'affinità elettronica hanno valori che sono una diretta conseguenza della configurazione elettronica dell'elettrosfera, più specificatamente la chiamato guscio di valenza, che in realtà è il guscio elettronico occupato più esterno di un atomo o di uno ione.
UN anche la somiglianza tra atomi dello stesso gruppo nella tavola periodica è una conseguenza della configurazione elettronica del guscio di valenza. Nei processi chimici, scegliamo gli atomi il più possibile dello stesso gruppo sulla tavola periodica sostituenti, e questo è solo plausibile, poiché questi atomi hanno la stessa configurazione elettronica nello strato di valenza.
Al legami chimici, che si verificano tra gli atomi per formare composti ionici e covalenti (molecole), si verificano anche attraverso le interazioni tra le elettrosfere degli atomi.
Leggi anche tu: Il modello atomico di Schrödinger: modo di descrivere l'atomo utilizzando la meccanica quantistica
Relazione tra elettrosfera e struttura atomica
Come notato, l'elettrosfera comprende la regione dell'atomo in cui si possono trovare gli elettroni. Gli elettroni, più specificamente, si trovano negli orbitali atomici, la cui energia è definita dai calcoli quantistici.
L'elettrosfera è la regione più grande della struttura atomica, poiché il nucleo di un atomo è molto piccolo. Pensando all’atomo come ad uno stadio di calcio, il nucleo corrisponderebbe ad un pallone al centro del campo, mentre il resto dello stadio sarebbe l’elettrosfera.
Ciò nonostante, in termini di massa, l'elettrosfera contribuisce poco. Poiché la massa degli elettroni è circa 1836 volte più piccola di quella dei protoni e dei neutroni, possiamo dire che quasi tutta la massa dell'atomo è concentrata nel nucleo.
Esercizi risolti sull'elettrosfera
Domanda 1
(Facisb 2023) Nel modello di Bohr per l'atomo di idrogeno, l'elettrone può occupare solo determinate orbite. Alcune di queste orbite sono rappresentate in figura, dove n si riferisce ai livelli energetici che l'elettrone ha in ciascuna orbita.
Considera che, in un atomo di idrogeno, l'elettrone si trova nell'orbita dove n = 5.
Secondo il modello di Bohr, questo elettrone emetterà energia sotto forma di radiazione elettromagnetica solo quando
(A) effettuare una transizione verso l'orbita in cui n è uguale a 6.
(B) rimangono nell'orbita dove n = 5.
(C) transizione a qualsiasi orbita in cui n è maggiore di 5.
(D) transizione verso qualsiasi orbita in cui n è inferiore a 5.
(E) viene espulso dall'atomo, ionizzandolo.
Risposta: Lettera D
Quando un elettrone si trova in un livello esterno, quando ritorna in un livello interno con energia inferiore, rilascia l'energia in eccesso sotto forma di radiazione elettromagnetica (luce). Pertanto, la luce si verificherà solo quando l'elettrone presente in n = 5 effettua una transizione verso un livello interno.
Domanda 2
(Uerj 2019) Recentemente, gli scienziati sono riusciti a produrre idrogeno metallico comprimendo l’idrogeno molecolare ad alta pressione. Le proprietà metalliche di questo elemento sono le stesse degli altri elementi del gruppo 1 della tavola di classificazione periodica.
Questa somiglianza è legata al sottolivello più energetico di questi elementi, che corrisponde a:
(A) ns1
(B) n.p.2
(C) na3
(D) nf4
Risposta: Lettera A
L’atomo di idrogeno ha un solo elettrone, che si trova nel primo livello, sottolivello “s” (1s1). Uno dei motivi per cui si trova nel gruppo 1 della tavola periodica è perché tutti gli altri elementi chimici di questo gruppo hanno atomi il cui guscio di valenza è dello stesso tipo (ns1). Pertanto, a causa di uno strato di valenza simile, l'idrogeno ha potuto essere prodotto in questa forma metallica.
Fonti:
DO CANTO, E. L.; LEITE, L. l. W.; CANTO, L. W. Chimica – nella vita di tutti i giorni. 1. ed. San Paolo: Moderna, 2021.
ATKINS, P.; JONES, L.; LAVERMAN, L. Principi di Chimica: Mettere in discussione la vita e l'ambiente. 7. ed. Porto Alegre: Bookman, 2018.
ATKINS, P.; DE PAULA, J.; KEELER, J. Chimica fisica di Atkins. 11 ed. Oxford: Oxford University Press, 2018.
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NOVAIS, Stéfano Araújo. "Elettrosfera"; Scuola del Brasile. Disponibile in: https://brasilescola.uol.com.br/quimica/eletrosfera.htm. Accesso effettuato il 10 novembre 2023.
