1.9B: Elettroni di valenza e di nucleo
Gli elettroni di un atomo sono tipicamente divisi in due categorie: elettroni di valenza e di nucleo. Gli elettroni di valenza occupano il guscio più esterno o il livello di energia più alto di un atomo, mentre gli elettroni del nucleo sono quelli che occupano il guscio più interno o i livelli di energia più bassi. Questa differenza influenza notevolmente il ruolo dei due tipi di elettroni in una reazione chimica. In generale, gli elettroni di valenza possono partecipare alla formazione di legami chimici, ma gli elettroni di nucleo no. Mentre gli elettroni di nucleo non sono coinvolti nei legami, influenzano la reattività chimica di un atomo.
La configurazione elettronica di un atomo di ossigeno è
che può essere abbreviata
2s^2 2p^4 \etichetta{2}}]
dove la \(\) sta per la configurazione dell’elio (\(1s^2\)). Allo stesso modo, la configurazione del calcio con 20 elettroni può essere scritta
s^2 \label{3}}]
dove la \(\) sta per la configurazione dell’argon (\(1s^22s^22p^6 3s^2 3p^6\)). Le configurazioni elettroniche che sono uguali a quelle dei gas nobili sono molto stabili perché hanno un ottetto completo (eccetto l’elio con un orbitale 1s completo).
Gli elettroni \(1s\) nell’ossigeno non partecipano al legame (cioè alla chimica) e sono chiamati elettroni di nucleo. Gli elettroni di valenza (cioè la parte \(2s^22p^4\)) sono elettroni di valenza, che partecipano alla formazione e alla rottura dei legami. Allo stesso modo, nel calcio (Equazione \ref{3}), gli elettroni nel guscio chiuso simile all’argon sono gli elettroni del nucleo e i due elettroni nell’orbitale 4s sono elettroni di valenza.
Esempio \(\PageIndex{1}): Cobalto
Quali sono gli elettroni di nucleo e di valenza nel cobalto?
Soluzione
Inizia a scrivere la configurazione elettronica del cobalto con 27 elettroni:
Tuttavia, l’argon ha la struttura elettronica \(1s^22s^22p^23s^23p^6\), quindi possiamo riscrivere la configurazione come
4s^23d^7 \non numero]
I due elettroni nell’orbitale \(4s\) e i sette elettroni nel \(3d\) sono gli elettroni di valenza: tutti gli altri sono gli elettroni del nucleo.
La periodicità degli elettroni di valenza può essere vista nella tavola periodica. Fondamentalmente, la periodicità è applicata solo agli elementi del gruppo principale, mentre nei metalli di transizione, le regole sono complesse.
Gli elettroni di nucleo rimangono gli stessi all’aumentare del numero del gruppo negli elementi del gruppo principale. D’altra parte, gli elettroni di valenza aumentano di uno da sinistra a destra di un periodo principale, e rimangono gli stessi lungo la colonna di un gruppo principale. Questa evoluzione dà un cambiamento periodico nella proprietà di un periodo, e una proprietà chimica simile di un gruppo, che si chiama tendenza periodica. Il numero di elettroni di valenza in un periodo principale è uguale al suo numero di gruppo. La tabella qui sotto mostra chiaramente questa regola.
In costruzione
Figura 1: 1A + 2A sono metalli. Da 3A a 8A sono non-metalli.
Tuttavia, questa periodicità non può essere applicata al gruppo di transizione, che è più complicato di quello del gruppo principale. Anche se gli elettroni più esterni possono essere facilmente determinati, gli elettroni di valenza apparente considerati nella reattività chimica sono complessi e fluttuanti. Gli elettroni che entrano nel sottolivello d possono svolgere un ruolo di elettroni di valenza o di elettroni di schermatura. Quindi non c’è sempre un certo numero di elettroni di valenza apparente. Il numero di elettroni di valenza apparente per il primo periodo dei metalli di transizione è mostrato nella tabella qui sotto.
In costruzione
Figura 2: Elettroni di valenza per i metalli di transizione.
Relazioni con la reattività chimica
La reattività chimica di un atomo è determinata principalmente dagli elettroni di valenza. Gli atomi che hanno un guscio completo di elettroni di valenza tendono ad essere chimicamente inerti. Gli atomi con uno o due elettroni di valenza sono altamente reattivi. Questo fenomeno può essere spiegato dalla regola di Hund, che afferma che gli orbitali vuoti, mezzi pieni o pieni sono più stabili di quelli che non lo sono. Per esempio, il Ne è chimicamente inerte perché ha due elettroni di valenza che riempiono il suo guscio più esterno, il che lo rende stabile rispetto ad atomi come l’Al, che ha tre elettroni di valenza, ma i suoi elettroni di valenza non riempiono il suo guscio più esterno.
Anche se gli elettroni del nucleo non prendono parte al legame chimico, hanno un ruolo nel determinare la reattività chimica di un atomo. Questa influenza è generalmente dovuta all’effetto che ha sugli elettroni di valenza. L’effetto può essere osservato dal cambiamento graduale della reattività chimica in un gruppo. Man mano che si scende in un gruppo, più gusci sono occupati da elettroni, il che aumenta la dimensione dell’atomo. Più gusci di elettroni del nucleo ha un atomo, più grandi sono le dimensioni dell’atomo, e più gli elettroni di valenza sono lontani dal nucleo, quindi gli elettroni di valenza avranno meno carica nucleare effettiva e saranno facilmente persi. Per esempio, \(\ce{Na}) e \(\ce{K}) possono entrambi reagire con l’acqua, ma K ha una reazione più radicale perché ha più gusci di elettroni centrali che rendono l’elettrone di valenza nel suo orbitale più esterno molto più facile da perdere rispetto all’elettrone di valenza di Na.