Dispense del corso di Elementi di Fisica della Materia - Skuola.net

6.2. PROPRIETÀ DEGLI ELETTRONI NEI SOLIDI 107
6.1.8 Equazione di Schrodinger e struttura degli atomi
i quattro numeri quantici e principio di esclusione di Pauli. Configurazione
e denominazione degli orbitali atomici. Ordine di riempimento e tavola
periodica. Periodicità delle proprietà chimiche di elementi con la stessa
configurazione elettronica degli orbitali più esterni.
6.2 Proprietà degli elettroni nei solidi
6.2.1 Legami chimici
Un guscio elettronico (in inglese shell) è contrassegnato dagli orbitali elettronici
che hanno in comune lo stesso valore del numero quantico principale n.
Tale guscio è completo quando tutti i suoi orbitali sono riempiti da elettroni
in accordo con il principio di esclusione di Pauli. In virtù delle relazioni tra i
numeri di occupazione dei vari orbitali, si dimostra che il guscio con numero
quantico principale n può contenere 2n 2 elettroni. Di conseguenza i gusci
con n = 1, 2, 3 possono contenere 2, 8, 18 elettroni rispettivamente. Quando
un guscio è completo, si presenta una stabilità superiore, e i corrispettivi
elementi chimici sono detti gas nobili, ad indicare la loro scarsa tendenza a
lergarsi con altri elementi. I gas corrisponenti alla chiusura delle shell con
n = 1, 2, 3 sono l’elio, il neon e l’argon, rispettivamente, ed hanno un numero
totale di elettroni, ossia un numero atomico, pari a 2, 10 e 18 (difatti vanno
inclusi anche gli elettroni dei gusci interni per un dato valore di n) 2 . In caso
contrario, i vari atomi cercheranno di raggiungere la configurazione del gas
nobile più vicino ad essi in tavola periodica, cedendo, acquistando, o mettendo
in comune gli elettroni del guscio più esterno (dato che quelli interni
sono completi, essi non partecipano al processo). Questo processo, che porta
alla formazione di aggregati di atomi (le molecole), è il legame chimico. Ad
esempio, atomi che hanno due o un elettrone sul guscio più esterno, che viene
detto per tale motivo di valenza, insieme ai suoi elettroni, cercheranno di
cederli; viceversa, atomi con uno o due elettroni mancanti sul guscio esterno
cercheranno di acquistarli. Nel caso pratico, un esempio del primo gruppo di
elementi sono il potassio e il magnesio (1 e 2 elettroni in più), del secondo
gruppo sono fluoro ed ossigeno (1 e 2 elettroni in meno).
Esistono tuttavia diversi tipi di legami chimici, e quindi di solidi.
• Legami ionici. Sono caratterizzati dalla cessione completa di uno o
2 L’argon possiede 18 elettroni invece di 28 siccome per effetto di interazioni tra gli
elettroni, si riempiono prima gli orbitali 4s degli orbitali 3d, e di conseguenza il terzo
guscio si completa solo con gli orbitali 3s e 3p, come per il secondo.