Diagramma di Moeller: cos'è, come si usa in chimica ed esempi

La chimica può essere particolarmente complicata, quindi qualsiasi strumento che faciliti l'apprendimento per coloro che vengono introdotti ad essa è il benvenuto.

Uno dei metodi più popolari per familiarizzare con la regola di Madelung e la configurazione elettronica degli atomi è il diagramma di Moeller, una regola mnemonica grafica che rende molto facile vedere in quali orbitali il elettroni.

Prossimo scopriremo in cosa consiste il diagramma di Moeller, come si collega alla regola di Madelung, come viene applicata per mezzo di alcuni esempi risolti e quali elementi chimici non obbediscono a questa strategia.

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Cos'è il diagramma di Moeller?

Il diagramma di Moeller, noto anche come metodo della pioggia o regola delle diagonali, è un metodo grafico e mnemonico per l'apprendimento della regola di Madelung, una tecnica per conoscere e scrivere la configurazione elettronica degli elementi chimici.

Questo diagramma è caratterizzato dal disegno delle diagonali attraverso le colonne degli orbitali, dall'alto verso il basso da destra a sinistra. Attraverso il diagramma di Moeller si definisce un ordine nel riempimento degli orbitali, che sarà definito da tre numeri quantici: n, le ml.

Il diagramma di Moeller funziona secondo quanto segue:

Ad ogni colonna corrisponde un orbitale diverso attraverso il quale circolano gli elettroni di un atomo, particelle subatomiche che hanno carica negativa. Gli orbitali in questione sono: s, p, d e f, ciascuno con uno spazio specifico per ospitare gli elettroni e, quindi, diversi livelli energetici.

Se disegniamo le diagonali o le frecce nel senso suddetto, abbiamo che il primo orbitale è 1s. La seconda freccia inizia con l'orbitale 2s. La terza freccia incrocia 2p e 3s. La quarta diagonale è 3p e 4s. La quinta diagonale è 3d, 4p e 5s e così via. Il diagramma di Moeller è una tecnica introduttiva per coloro che iniziano a studiare le configurazioni elettroniche degli elementi della tavola periodica in chimica.

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La regola di Madelung

Poiché il diagramma di Moeller è la rappresentazione grafica della regola di Madelung (noto anche come regola di Klechkovsky in alcuni paesi) dobbiamo prima sapere di cosa si tratta. Secondo questa regola, il riempimento degli orbitali di un atomo deve obbedire alle seguenti due regole:

La prima regola di Madelung

Gli orbitali con i valori più bassi di n + l vengono riempiti per primi, dove n è il numero quantico principale e l è il momento angolare orbitale..

Ad esempio, l'orbitale 3d corrisponde a n = 3 e l = 2. Pertanto, n + l = 3 + 2 = 5. L'orbitale 4s invece corrisponde a n = 4 e l = 0, quindi n + l = 4 + 0 = 4. Da ciò si stabilisce che gli elettroni riempiono l'orbitale 4s prima di quello 3d, perché 4s = 4 mentre 3d = 5.

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La seconda regola di Madelung

Se due orbitali hanno lo stesso valore di n + l, gli elettroni occuperanno prima quello con il valore inferiore di n.

Ad esempio, l'orbitale 3d ha un valore di n + l = 5, identico a quello dell'orbitale 4p (4 + 1 = 5) ma, poiché l'orbitale 3d ha il valore più basso per n, sarà riempito prima del orbitale 4p.

Da tutte queste osservazioni e regole, si può raggiungere il seguente ordine nel riempire gli orbitali atomici: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p. Sebbene questo ordine sia fisso, ricordarlo a memoria è complicato, motivo per cui esiste un diagramma di Moeller che ne rappresenta graficamente l'ordine.

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Passaggi da seguire quando si utilizza il diagramma di Moeller

Come abbiamo commentato nella sezione precedente, la regola di Madelung usa la formula n + l per stabilire cosa gli orbitali sono riempiti prima e da questo determinano qual è la configurazione elettronica di un elemento determinato. Tuttavia, il diagramma di Moeller lo rappresenta già graficamente e facilmente, quindi è sufficiente seguire il colonne dello stesso diagramma e disegna le diagonali per scoprire in quale ordine gli orbitali di ciascuno elemento.

Per scoprire la configurazione elettronica di un atomo e in quali orbitali si trovano i suoi elettroni, dobbiamo prima conoscere il suo numero atomico Z. Il numero Z corrisponde al numero di elettroni in un atomo, purché questo atomo sia neutro, o che sia lo stesso, che non sia uno ione, né positivo (catione) né negativo (anione).

Quindi, conoscendo Z per un atomo neutro, sappiamo già quanti elettroni ha di solito un atomo neutro di quell'elemento. Con questo in mente, inizieremo a disegnare le diagonali sul diagramma di Moeller. Bisogna tener conto che ogni tipo di orbitale ha una diversa capacità di ospitare elettroni, quali sono:

• s = 2 elettroni
• p = 6 elettroni
• d = 10 elettroni
• f = 14 elettroni

Si ferma all'orbitale dove è stato occupato l'ultimo elettrone dato da Z.

Esempi di diagrammi di Moeller

Per capire meglio come funziona il diagramma di Moeller, di seguito vedremo alcuni esempi pratici di impostazione della configurazione elettronica di diversi elementi.

Berillio

Per stabilire la configurazione elettronica di un atomo di berillio (Be) neutro, ciò che dobbiamo prima fare è cercarlo nella tavola periodica, una terra alcalina che si trova nella seconda colonna e nella seconda riga della tabella. Il suo numero atomico è 4, quindi Z = 4 e ha anche 4 elettroni.

Tenendo conto di tutto ciò, utilizzeremo il diagramma di Moeller per vedere come si trovano i 4 elettroni di questo elemento. Iniziamo facendo delle diagonali nel senso suddetto, dall'alto verso il basso e da destra verso sinistra.

Quando riempiamo gli orbitali, Si consiglia di mettere in apice il numero di elettroni trovati in ciascuno di essi. Poiché 1s è il primo orbitale e occupa due elettroni, lo scriveremo:

Poiché abbiamo ancora elettroni liberi, continuiamo a riempire gli orbitali. Il prossimo è l'orbitale 2s e, come con 1s, occupa 2 elettroni, quindi 2s2. Avendo già tutti gli elettroni ben localizzati negli orbitali dell'atomo neutro di Be possiamo dire che la configurazione elettronica di questo elemento è:

Ci assicuriamo di aver fatto bene aggiungendo gli apici: 2 + 2 = 4

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Incontro

L'elemento fosforo (P) è un non metallo che si trova nella terza riga e colonna 16 della tavola periodica, con Z = 15, quindi ha 15 elettroni in totale che devono occupare gli orbitali.

Dopo aver visto l'esempio precedente, possiamo andare un po' avanti e individuare 4 dei suoi elettroni negli stessi orbitali che ha il berillio per i suoi 4 elettroni, mancano 9 elettroni più.

Dopo l'orbitale 2s, la diagonale successiva entra nell'orbitale 2p e termina nell'orbitale 3s. L'orbitale 2p può occupare 6 elettroni e nel caso di 3s solo 2. Avremmo quindi:

Al momento abbiamo 12 elettroni ben localizzati, ma ne abbiamo ancora altri 3 da eliminare. Facciamo un'altra diagonale e questa volta entriamo attraverso l'orbitale 3p secondo il diagramma di Moeller, un orbitale che ha spazio per 6 elettroni, ma poiché abbiamo solo 3 elettroni rimasti, questo orbitale non sarà completamente occupato, mettendo 3 come apice. Quindi, per porre fine al fosforo, la sua configurazione elettronica è la seguente:

Ci assicuriamo di aver fatto bene aggiungendo gli apici: 2 + 2 + 6 + 2 + 3 = 15

Zirconio

L'elemento zirconio (Zr) è un metallo di transizione che si trova nella colonna 4 e nella riga 5 e ha Z = 40. Accorciando il percorso sfruttando l'esempio precedente, possiamo individuare i primi 18 elettroni.

Dopo l'orbitale 3p, i prossimi da riempire, guidandoci con il diagramma di Moeller, sono gli orbitali 4s, 3d, 4p e 5s, con capacità rispettivamente di 2, 10, 6 e 2 elettroni.

Il completamento dei primi nove orbitali nel diagramma aggiunge un totale di 20 elettroni, lasciando i 2 elettroni rimanenti che sono alloggiati nell'orbitale successivo, il 4d. Pertanto, la configurazione elettronica dell'elemento neutro zirconio è:

Ci assicuriamo di aver fatto bene aggiungendo gli apici: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 6 + 2 + 2 = 40

Ossigeno

Qui vediamo un esempio leggermente più complicato che è l'ossigeno (O). Questo gas si trova nella colonna 16 e nella riga 2 della tavola periodica, è un non metallo e ha numero atomico 8.

Finora, guardando gli altri esempi, potremmo pensare che sia Z = 8, tuttavia non è così semplice poiché questo gas è di natura speciale, essendo quasi sempre sotto forma di ione con carica -2.

Ciò significa che, sebbene un atomo di ossigeno neutro abbia 8 elettroni come indicato dal suo numero atomico, lo fa È vero che in natura ne ha di più, nel suo caso 10 (8 elettroni + 2 elettroni o, se preferite, -8 carica elettrico -2).

Quindi, in questo caso, il numero di elettroni che dobbiamo localizzare negli orbitali non è 8 ma 10 elettroni, come se stessimo localizzando gli elettroni dell'elemento chimico neon che ha Z = 10.

Capito questo, dobbiamo solo fare la stessa cosa che abbiamo fatto nei casi precedenti solo tenendo conto che stiamo lavorando con uno ione (anione):

Ci assicuriamo di aver fatto bene aggiungendo gli apici: 2 + 2 + 6 = 10

Calcio

Al calcio (Ca) succede qualcosa di simile all'ossigeno, solo che in questo caso si tratta di un catione, cioè di uno ione con carica positiva.

Questo elemento si trova nella colonna 2 riga 4 della tavola periodica con numero atomico 20, tuttavia, nel La natura si presenta solitamente sotto forma di ione con carica positiva +2, il che significa che la sua carica elettronica è 18 (- 20 + 2 = 18; 20 elettroni - 2 elettroni = 18 elettroni).

Ci assicuriamo di aver fatto bene aggiungendo gli apici: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 = 18

Eccezioni al diagramma di Moeller e alla regola di Madelung

Sebbene il diagramma di Moeller sia molto utile per comprendere la regola di Madelung e per sapere come si trovano gli elettroni dei diversi elementi chimici, la verità è che non è infallibile. Ci sono alcune sostanze la cui composizione non obbedisce a quanto abbiamo spiegato.

Le loro configurazioni elettroniche differiscono sperimentalmente da quelle previste dalla regola di Madelung per ragioni quantistiche.. Tra questi elementi che non seguono gli standard abbiamo: cromo (Cr, Z = 24), rame (Cu, Z = 29), argento (Ag, Z = 47), rodio (Rh, Z = 45), cerio ( Ce, Z = 58), niobio (Nb; Z = 41), tra gli altri.

Le eccezioni sono molto frequenti quando si riempiono gli orbitali d e f. Ad esempio, nel caso del cromo, che dovrebbe avere una configurazione di valenza che termina con 4s ^ 2 3d ^ 4 secondo il diagramma di Moeller e la regola di Madelung, ha in realtà una configurazione di valenza di 4s ^ 1 3d ^ 5. Un altro strano esempio è quello dell'argento, che invece di avere 5s ^ 2 4d ^ 9 come l'ultimo ha 5s ^ 1 4d ^ 10.