Come calcolare i livelli energetici dell'atomo di ferro

La chimica risulta spesso essere una materia ostica per la maggior parte degli studenti, mettendoli assai di frequente in crisi durante il corso degli studi alle scuole superiori. Quando si studia la configurazione elettronica degli atomi poi, si cerca di comprendere la disposizione degli elettroni ed il loro comportamento sui livelli energetici dei differenti atomi. Nella teoria degli orbitali è possibile calcolare per ogni elemento tale disposizione elettronica nei vari livelli. In questa guida ci occuperemo, a titolo di esempio, dell'atomo di Ferro (simbolo Fe) e vedremo come calcolarne i livelli energetici. Vediamo dunque come occorre procedere.

• Tavola periodica degli elementi
• Tabella orbitali
• Quaderno e penna
• Testo di chimica per le scuole superiori

Va innanzitutto precisato che, secondo quanto sancito dalla teoria meccanica quantistica, un elettrone legato ad un atomo non può avere qualsiasi valore di energia. Più correttamente si deve anzi affermare che tale atomo può occupare solo certi stati, che corrispondono a determinati livelli. Il valore dell'energia viene sempre espresso, in questi casi, con un numero negativo, in quanto occorre separare (ionizzare) l'elettrone dal nucleo. Nel gergo comune, dunque, è frequente affermare che quest'ultimo, non legato, ha un'energia pari a zero (vincolante). Un elettrone legato ad un atomo è in grado, inoltre, di assorbire fotoni di determinate energie e che corrispondono alla differenza tra due stati. In riferimento a quanto precisato, vediamo dunque il procedimento che bisogna seguire per calcolare i livelli energetici dell'atomo di ferro.

Il riempimento dei livelli energetici da parte degli elettroni, segue il principio dell' Aufbau, ovvero gli elettroni occupano via via lo stato libero ad energia minore. Il principio di esclusione di Pauli dice che non possono esistere atomi che abbiano due elettroni con tutti e quattro i numeri quantici uguali. La regola di Hund dice che gli elettroni si disporranno in modo da occupare tutti i sottolivelli disponibili di un livello energetico. Gli orbitali sono divisi infatti in livelli che vanno da 1 a 7 e sottolivelli indicati dalle lettere s (2 elettroni), p (6 elettroni), d (10 elettroni), f (14 elettroni). Esiste un'apposita tabella che indica l'ordine di riempimento dei vari livelli e che ci viene in aiuto nel calcolo del diagramma elettronico di Lewis, ovvero nel calcolo dei livelli energetici.

Per prima cosa, con l'ausilio della tavola periodica, dobbiamo leggere quanti elettroni sono presenti in un atomo di Ferro. Nel nostro caso esso ne avrà 26 e dovremo disporli nei vari orbitali seguendo l'ordine di riempimento della tabella e ricordando che ogni casella può contenere massimo due elettroni. Otterremo quindi la seguente configurazione energetica: (1s^2)(2s^2)(2p^6)(3s^2)(3p^6)(4s^2)(3d^6). Analogamente è possibile trovare la configurazione di tutti gli altri atomi.

Ricordate che con il modello atomico di Sommerfeld, gli elettroni non percorrono orbite circolari attorno al nucleo (cosa impossibile in base a considerazioni di tipo energetico) ma si muovono su orbitali, che rappresentano zone con maggiore probabilità di incontrare un elettrone. Sommerfeld introduce 4 numeri quantici: numero quantico principale (n), che determina la distanza dal nucleo e la dimensione dell'orbitale; numero quantico secondario (l), che si riferisce al momento angolare dello stato; numero quantico magnetico (ml), che fa riferimento al campo magnetico generato dall'elettrone in movimento e numero di spin (ms), che può valere +1/2 oppure -1/2 in base al verso di rotazione dell'elettrone su se stesso.

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