L’orbitale è una funzione matematica che indica la probabilità di trovare l’elettrone nella regione di spazio che essa individua. Per poterla definire univocamente, essa dipende da tre coefficienti numerici, i numeri quantici.
Il primo numero quantico, il numero quantico principale (n), indica l’energia e le dimensioni dell’orbitale; assume tutti i valori interi da 1 a ∞, In questo modo esso individua una serie di livelli (o gusci o strati).
Il secondo numero quantico, il numero quantico secondario (l), indica la forma dell’orbitale; assume tutti i valori interi da 0 a n-1. Usualmente viene rappresentato da una lettera: s corrisponde a 0, p a 1, d a 2, f a 3. Orbitali di tipo s, p, d, f sono crescenti in energia e individuano in questo modo una serie di sottolivelli.
Il terzo numero quantico, il numero quantico magnetico (m), indica l’orientazione spaziale dell’orbitale; assume tutti i valori interi compresi tra –l e +l, ovvero in uno stesso livello gli orbitali di tipo s sono solo 1, quelli di tipo p sono 3 (disposti secondo angoli di 90°), quelli di tipo d sono 5, quelli di tipo f sono 7. Orbitali alla stessa energia sono detti degeneri.
Il quarto numero quantico, il numero quantico di spin (ms), è solo per l’elettrone. Lo spin è il momento angolare intrinseco (una proprietà delle particelle) e per l’elettrone assume solo i valori di ∓½.
La configurazione elettronica è il modo in cui gli elettroni vengono disposti negli orbitali attorno al nucleo, in base ad alcune regole. Il principio dell’aufbau dice che il riempimento degli orbitali inizia partendo da quelli più bassi in energia.
Il principio di esclusione di Pauli dice che in un atomo non possono esserci due particelle con tutti e quattro gli stessi numeri quantici uguali (sarebbero la stessa particella), ovvero in un orbitale possono essere collocati al massimo due elettroni, con spin opposti.
La regola della massima molteplicità di Hund dice che in caso di orbitali degeneri il riempimento avviene in modo da collocare gli elettroni nel maggior numero di orbitali, con spin tutti uguali.
Il principio dell’aufbau e la regola di Hund assicurano una minore energia al sistema, il che corrisponde a una maggiore stabilità per l’atomo. Gli elettroni dell’ultimo livello riempito sono detti elettroni esterni o di valenza, mentre gli altri elettroni interni o di core. È dagli elettroni di valenza che dipendono le proprietà chimiche dell’elemento.
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