Ordine di riempimento degli elementi del blocco d: diagramma delle energie

L’ordine di riempimento degli elementi del blocco d, ad eccezione del cromo e del rame, avviene riempiendo prima l’orbitale 4s e successivamente l’orbitale 3d
Il metodo dell’Aufbau fu proposto per primo da Niels Bohr nel 1920 e costituisce uno strumento per conoscere come gli elettroni di un atomo si dispongono intorno al nucleo.

Per stabilire in quali orbitali atomici si accomodano gli elettroni si deve partire dal principio di esclusione di Pauli, dalla regola di Hund e dal diagramma delle energie.

Secondo il principio di Pauli in un atomo non vi possono essere due elettroni aventi gli stessi numeri quantici, ovvero in un livello energetico vi possono essere al massimo due elettroni e, se ve ne sono due, essi hanno spin opposti.

Secondo la regola di Hund, o principio della massima molteplicità, quando devono essere riempiti orbitali aventi la stessa energia, ad esempio gli orbitali p, gli elettroni si dispongono prima con spin parallelo ovvero uno per orbitale e, solo se il loro numero lo consente, vanno successivamente a saturare gli orbitali.

Diagramma delle energie e ordine di riempimento

Il diagramma delle energie è riportato in figura:

diagramma delle energie
diagramma delle energie

Come si può osservare gli orbitali 3d hanno energia maggiore rispetto all’orbitale 4s quindi quest’ultimo orbitale va riempito prima dell’orbitale 3d.

Questo fenomeno non si verifica solo per l’orbitale 4s ma anche, ad esempio, per il 5s rispetto all’orbitale 4d e per l’orbitale 4f rispetto al 6s.

Dalla configurazione elettronica degli  elementi del blocco d, ad eccezione del cromo e del rame, si può notare l’ordine di riempimento

Tabella

Elemento Numero atomico Configurazione elettronica
Scandio 21 [Ar] 3d1, 4s2
Titanio 22 [Ar] 3d2, 4s2
Vanadio 23 [Ar] 3d3, 4s2
Cromo 24 [Ar] 3d5, 4s1
Manganese 25 [Ar] 3d5, 4s2
Ferro 26 [Ar] 3d6, 4s2
Cobalto 27 [Ar] 3d7, 4s2
Nichel 28 [Ar] 3d8, 4s2
Rame 29 [Ar] 3d10, 4s1
Zinco 30 [Ar] 3d10, 4s2

Consideriamo ora la configurazione elettronica del ferro e dello ione Fe3+:

Fe : [Ar] 3d6, 4s2

Fe3+ : [Ar] 3d5

La configurazione dello ione ferro mostra un’incongruenza rispetto a quanto detto: infatti se l’orbitale 3d ha un’energia maggiore rispetto all’orbitale 4s allora gli elettroni dovrebbero essere persi dall’orbitale 3d. Cerchiamo quindi di fare un po’ di chiarezza: per gli elementi del blocco d ovvero dallo scandio allo zinco l’energia degli orbitali 3d è minore rispetto a quella dell’orbitale 4s.

Pertanto la configurazione elettronica dello scandio non è [Ar] 3d3 bensì [Ar] 3d1, 4s2.

Tuttavia, quando gli elementi del blocco d perdono elettroni per dare ioni, gli elettroni che vengono persi per primi sono quelli dell’orbitale 4s.

Si noti inoltre che le eccezioni del cromo e del rame sono dovute al fatto che è presente una maggiore stabilità a causa del riempimento parziale e totale degli orbitali 3d rispettivamente.

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