Generatore di diagrammi orbitalici
Crea il diagramma orbitalico di qualsiasi elemento o ione, dall'azoto al ferro, al cromo e a Fe³⁺: caselle in ordine di riempimento, frecce secondo la regola di Hund e configurazione elettronica. Per le lezioni di chimica.
Esempi di diagramma orbitalico
Quattro diagrammi: l'ossigeno con due elettroni 2p spaiati, il ferro con quattro 3d spaiati, il cromo atteso sopra quello reale e un azoto semplice con la regola di Hund. Scegline uno per usarne il prompt.
Come si disegna un diagramma orbitalico: lo zolfo passo per passo
La figura con etichette è lo zolfo, 16 elettroni, con l'energia che cresce verso l'alto. Le stesse quattro mosse danno il diagramma orbitalico di qualunque atomo.
- 1
Conta gli elettroni
Il numero atomico dello zolfo è 16, quindi 16 frecce; per uno ione si aggiunge o si toglie la carica.
- 2
Riempi in ordine di Aufbau
1s, 2s, 2p, 3s, 3p dal basso verso l'alto, al massimo due frecce opposte per casella (Pauli).
- 3
Distribuisci prima i 3p
Una freccia in ogni casella 3p, poi la quarta si appaia nella prima casella (regola di Hund).
- 4
Scrivi la configurazione
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴, cioè [Ne] 3s² 3p⁴, con 2 elettroni spaiati.
![Eccezione del cromo nel diagramma orbitalico: atteso [Ar] 4s2 3d4 con quattro elettroni spaiati, reale [Ar] 4s1 3d5 con sei](/imgs/examples/topic-diagrams/orbital-diagram-3.webp)
Perché il diagramma orbitalico del cromo non segue l'ordine di riempimento
L'ordine di riempimento prevede per il cromo [Ar] 4s² 3d⁴. Lo stato fondamentale misurato sposta un elettrone più in alto e lascia entrambi i sottolivelli semipieni.
- 1
Atteso: 4 spaiati
Il 4s contiene una coppia e quattro delle cinque caselle 3d una freccia ciascuna; la quinta resta vuota.
- 2
Reale: 6 spaiati
Un elettrone 4s passa nel 3d: [Ar] 4s¹ 3d⁵, sei frecce singole e tutte parallele.
- 3
Il rame fa lo stesso
[Ar] 4s¹ 3d¹⁰ invece di 4s² 3d⁹: un 3d completo conta più di una casella 4s piena.
Diagrammi orbitalici elemento per elemento, con lo schema dell'Aufbau
I diagrammi dei singoli elementi più cercati, raggruppati dove lo schema delle frecce si ripete. Per ciascuno: numero di elettroni, caselle, posizione delle frecce ed elettroni spaiati.
Diagramma orbitalico di idrogeno, elio, litio e berillio
I diagrammi più piccoli, e il punto giusto per mostrare il principio di Pauli. Idrogeno (1): 1s¹, una freccia in su in una casella. Elio (2): 1s², una freccia in su e una in giù nella stessa casella. Litio (3): 1s² 2s¹, il primo atomo con un secondo livello, 1 spaiato. Berillio (4): 1s² 2s², tutte le frecce appaiate.
Diagramma orbitalico dell'azoto
7 elettroni: 1s² 2s² 2p³. Coppie in 1s e 2s, poi una freccia in su in ciascuna delle tre caselle 2p e nessuna coppia, perché la regola di Hund occupa prima singolarmente ogni casella del gruppo. 3 elettroni spaiati: il 2p semipieno spiega perché la prima energia di ionizzazione dell'azoto supera quella dell'ossigeno.
Diagramma orbitalico e configurazione elettronica dell'ossigeno
8 elettroni: 1s² 2s² 2p⁴. Il quarto elettrone 2p deve appaiarsi, quindi la prima casella 2p contiene ↑↓ e le altre due una freccia ciascuna: 2 elettroni spaiati. La repulsione dentro quell'unica casella occupata da una coppia spiega perché l'ossigeno cede un elettrone più facilmente dell'azoto.
Diagramma orbitalico del carbonio
6 elettroni: 1s² 2s² 2p². I due elettroni 2p stanno in caselle diverse con spin paralleli, 2 spaiati, mai appaiati nella stessa casella. Un diagramma che porta un elettrone 2s nel 2p per avere quattro frecce singole rappresenta lo stato eccitato del carbonio, usato per spiegare l'ibridazione sp³, non il suo stato fondamentale.
Diagramma orbitalico di boro, alluminio e silicio
Boro (5): 1s² 2s² 2p¹, una freccia nella prima casella 2p e due caselle 2p vuote. Alluminio (13): [Ne] 3s² 3p¹, lo stesso schema un periodo più in basso. Silicio (14): [Ne] 3s² 3p², due frecce 3p singole, come il carbonio. Disegna anche le caselle p vuote: un sottolivello p ha tre caselle, piene o no.
Diagramma orbitalico di zolfo e fosforo
Un periodo sotto ossigeno e azoto, con lo stesso schema esterno dopo un nucleo completo di neon. Fosforo (15): [Ne] 3s² 3p³, tre frecce 3p singole, 3 spaiati. Zolfo (16): [Ne] 3s² 3p⁴, una coppia 3p e due frecce singole, 2 spaiati. Il diagramma completo mostra sotto di loro i dieci elettroni interni in 1s, 2s e 2p.
Diagramma orbitalico di cloro, fluoro e bromo
Gli alogeni si fermano a un elettrone dal sottolivello p completo, ns² np⁵. Fluoro (9): 1s² 2s² 2p⁵. Cloro (17): [Ne] 3s² 3p⁵. Bromo (35): [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁵, con un 3d completo disegnato tra 4s e 4p. In tutti e tre due caselle p contengono una coppia e la terza una freccia: 1 elettrone spaiato.
Diagramma orbitalico di sodio, magnesio, potassio e calcio
Sodio (11): [Ne] 3s¹, una freccia nel 3s. Magnesio (12): [Ne] 3s², appaiati, nessun elettrone spaiato. Potassio (19): [Ar] 4s¹ e calcio (20): [Ar] 4s². Nessuno dei due ha caselle 3d: fino allo scandio il 4s sta sotto il 3d, quindi il 19° elettrone va nel 4s, non nel 3d.
Diagramma orbitalico e configurazione elettronica del ferro
26 elettroni: [Ar] 4s² 3d⁶. Il 4s è appaiato; nelle cinque caselle 3d i primi cinque elettroni entrano uno per casella e il sesto si appaia nella prima: 4 elettroni spaiati, per questo l'atomo di ferro è paramagnetico. Fe²⁺ è [Ar] 3d⁶, perde per primi i due elettroni 4s e resta con 4 spaiati; Fe³⁺ è [Ar] 3d⁵, una freccia in ogni casella 3d, 5 spaiati.
Diagramma orbitalico di cromo e rame
Le due eccezioni della prima serie di transizione. Cromo (24): [Ar] 4s¹ 3d⁵, non 4s² 3d⁴, sei frecce singole. Rame (29): [Ar] 4s¹ 3d¹⁰, non 4s² 3d⁹, un 3d completo e 1 elettrone spaiato. Se nomini l'eccezione viene disegnata come misurata; se chiedi atteso e reale insieme ottieni le due righe dell'esempio del cromo qui sopra.
Diagramma orbitalico di titanio, manganese, cobalto, nichel e zinco
Riempito il 4s, le caselle 3d ricevono una freccia ciascuna prima di qualsiasi coppia. Titanio (22): [Ar] 4s² 3d², 2 spaiati. Manganese (25): [Ar] 4s² 3d⁵, 5 spaiati. Cobalto (27): [Ar] 4s² 3d⁷, 3 spaiati. Nichel (28): [Ar] 4s² 3d⁸, 2 spaiati. Zinco (30): [Ar] 4s² 3d¹⁰, nessuno, quindi lo zinco è diamagnetico.
Diagramma orbitalico di neon e argon
I gas nobili riempiono tutte le caselle che hanno. Neon (10): 1s² 2s² 2p⁶, cinque caselle e dieci frecce appaiate. Argon (18): 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶, nove caselle, tutte appaiate. Senza elettroni spaiati sono entrambi diamagnetici, e le loro configurazioni diventano i nuclei [Ne] e [Ar] con cui iniziano i diagrammi abbreviati degli elementi successivi.
Schema dell'Aufbau (ordine di riempimento)
Non un atomo ma l'ordine in cui si riempie ogni atomo: i sottolivelli scritti in righe per livello (1s; 2s 2p; 3s 3p 3d; 4s 4p 4d 4f …) e attraversati da frecce diagonali, che si leggono 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s. Traduce la regola n + l (di Madelung): si riempie prima il valore n + l più basso e, a parità, quello con n minore, quindi il 4s (4 + 0) viene prima del 3d (3 + 2).
Diagramma dei livelli energetici degli orbitali
Le stesse caselle impilate lungo un asse dell'energia invece che allineate in una riga, come nella figura dello zolfo qui sopra: ogni sottolivello alla sua altezza, le tre caselle p o le cinque d affiancate allo stesso livello perché degeneri. È la versione che mostra perché nel potassio il 4s sta sotto il 3d e quanto distano l'ultimo sottolivello pieno e il primo vuoto.
Riempimento degli orbitali ed elettroni spaiati, dall'idrogeno al bromo
Configurazioni dello stato fondamentale come le riportano i manuali di chimica generale, con le frecce dell'ultimo sottolivello riempito (□ è una casella vuota). Gli elettroni spaiati sono le frecce singole dell'intero diagramma.
| Elemento | Elettroni | Configurazione abbreviata | Caselle dell'ultimo sottolivello | Elettroni spaiati |
|---|---|---|---|---|
| H | 1 | 1s¹ | 1s: ↑ | 1 |
| He | 2 | 1s² | 1s: ↑↓ | 0 |
| Li | 3 | [He] 2s¹ | 2s: ↑ | 1 |
| B | 5 | [He] 2s² 2p¹ | 2p: ↑ □ □ | 1 |
| C | 6 | [He] 2s² 2p² | 2p: ↑ ↑ □ | 2 |
| N | 7 | [He] 2s² 2p³ | 2p: ↑ ↑ ↑ | 3 |
| O | 8 | [He] 2s² 2p⁴ | 2p: ↑↓ ↑ ↑ | 2 |
| F | 9 | [He] 2s² 2p⁵ | 2p: ↑↓ ↑↓ ↑ | 1 |
| Ne | 10 | [He] 2s² 2p⁶ | 2p: ↑↓ ↑↓ ↑↓ | 0 |
| Na | 11 | [Ne] 3s¹ | 3s: ↑ | 1 |
| Mg | 12 | [Ne] 3s² | 3s: ↑↓ | 0 |
| Al | 13 | [Ne] 3s² 3p¹ | 3p: ↑ □ □ | 1 |
| Si | 14 | [Ne] 3s² 3p² | 3p: ↑ ↑ □ | 2 |
| P | 15 | [Ne] 3s² 3p³ | 3p: ↑ ↑ ↑ | 3 |
| S | 16 | [Ne] 3s² 3p⁴ | 3p: ↑↓ ↑ ↑ | 2 |
| Cl | 17 | [Ne] 3s² 3p⁵ | 3p: ↑↓ ↑↓ ↑ | 1 |
| Ar | 18 | [Ne] 3s² 3p⁶ | 3p: ↑↓ ↑↓ ↑↓ | 0 |
| K | 19 | [Ar] 4s¹ | 4s: ↑ | 1 |
| Ca | 20 | [Ar] 4s² | 4s: ↑↓ | 0 |
| Ti | 22 | [Ar] 4s² 3d² | 3d: ↑ ↑ □ □ □ | 2 |
| Cr | 24 | [Ar] 4s¹ 3d⁵ (eccezione) | 4s: ↑, 3d: ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ | 6 |
| Mn | 25 | [Ar] 4s² 3d⁵ | 3d: ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ | 5 |
| Fe | 26 | [Ar] 4s² 3d⁶ | 3d: ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ | 4 |
| Co | 27 | [Ar] 4s² 3d⁷ | 3d: ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑ | 3 |
| Ni | 28 | [Ar] 4s² 3d⁸ | 3d: ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ | 2 |
| Cu | 29 | [Ar] 4s¹ 3d¹⁰ (eccezione) | 4s: ↑, 3d: cinque coppie | 1 |
| Zn | 30 | [Ar] 4s² 3d¹⁰ | 3d: cinque coppie | 0 |
| Br | 35 | [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁵ | 4p: ↑↓ ↑↓ ↑ | 1 |
Dallo scandio allo zinco il 3d si riempie dopo il 4s, e solo cromo e rame escono dalla fila. Scandio ([Ar] 4s² 3d¹, 1 spaiato) e vanadio ([Ar] 4s² 3d³, 3 spaiati) seguono lo schema. Per un catione si tolgono prima gli elettroni con n più alto: Cu⁺ e Zn²⁺ sono entrambi [Ar] 3d¹⁰.
Diagramma orbitalico, configurazione elettronica e modello di Bohr a confronto
Tutti e tre descrivono gli stessi elettroni. La configurazione elettronica li scrive come una riga di testo (1s² 2s² 2p⁴), il diagramma orbitalico disegna ogni orbitale con le sue frecce, il modello di Bohr disegna solo i livelli come anelli, senza sottolivelli e senza spin. La notazione a caselle è la forma con caselle e frecce, e nella maggior parte dei corsi è un altro nome del diagramma orbitalico.
| Diagramma orbitalico | Configurazione elettronica | Modello di Bohr | |
|---|---|---|---|
| Che cosa mostra | Ogni orbitale come casella, ogni elettrone come freccia | Sottolivelli con il numero di elettroni in apice | Livelli come anelli, elettroni come punti |
| Ossigeno | 1s ↑↓, 2s ↑↓, 2p ↑↓ ↑ ↑ | 1s² 2s² 2p⁴, oppure [He] 2s² 2p⁴ | 2 punti sul primo anello, 6 sul secondo |
| Spin | Indicato dalle frecce in su e in giù | Non indicato | Non indicato |
| Elettroni spaiati | Si contano le frecce singole | Si ricavano con la regola di Hund | Non si leggono |
| Sottolivelli (s, p, d) | Gruppi di 1, 3 e 5 caselle | Scritti come 1s, 2p, 3d … | Nessuno, solo livelli |
| Rispetto a un diagramma degli orbitali molecolari | Un solo atomo; un diagramma MO mette gli orbitali di due atomi nelle colonne esterne e li combina | Le molecole hanno invece configurazioni MO, scritte σ2s² σ*2s² … | Nessun equivalente molecolare |
Disegna il diagramma orbitalico quando la domanda riguarda lo spin o il magnetismo. «Quanti elettroni spaiati ha il ferro?» richiede le cinque caselle 3d disegnate; «qual è la configurazione elettronica del ferro?» richiede solo [Ar] 4s² 3d⁶.
Che cos'è un diagramma orbitalico?
Un diagramma orbitalico (detto anche diagramma a caselle o rappresentazione a caselle quantiche) mostra dove si trovano gli elettroni di un atomo: una casella o una lineetta per orbitale, raggruppate in sottolivelli (1s, 2s, 2p, 3s …) in ordine di riempimento, con ogni elettrone disegnato come una semifreccia il cui verso indica lo spin. Contiene lo stesso conteggio della configurazione elettronica, 1s² 2s² 2p⁴ per l'ossigeno, più ciò che la configurazione tace: quali orbitali ospitano una coppia e quali un solo elettrone spaiato.
In breve
- Tre regole sistemano ogni freccia. Aufbau: si riempie prima il sottolivello a energia più bassa. Pauli: al massimo due elettroni per orbitale, con spin opposti. Hund: in un gruppo di orbitali con la stessa energia entra un elettrone in ciascuno prima di qualsiasi coppia, tutti con lo stesso spin.
- Il 4s si riempie prima del 3d, e si svuota anche prima. Potassio e calcio mettono gli elettroni esterni nel 4s e con lo scandio comincia il 3d. Quando un metallo di transizione forma un catione perde per primi gli elettroni 4s: Fe è [Ar] 4s² 3d⁶, Fe²⁺ è [Ar] 3d⁶.
- I sottolivelli s, p, d e f hanno 1, 3, 5 e 7 orbitali. Un sottolivello s contiene quindi 2 elettroni, p 6, d 10 e f 14: per questo i blocchi della tavola periodica sono larghi 2, 6, 10 e 14 elementi.
- Gli elettroni spaiati rendono un atomo paramagnetico. Basta contare le frecce singole: l'azoto ne ha 3, l'ossigeno 2, il ferro 4, il cromo 6. Un atomo con tutte le frecce appaiate, come il neon o lo zinco, è diamagnetico.
- Cromo e rame non seguono l'ordine semplice. Cr è [Ar] 4s¹ 3d⁵ e Cu è [Ar] 4s¹ 3d¹⁰: un 3d semipieno o completo ha energia più bassa della configurazione prevista dall'ordine di riempimento. Molibdeno e argento, subito sotto, fanno lo stesso con 5s e 4d.
Domande sui diagrammi orbitalici
Come si disegna un diagramma orbitalico?
Conta gli elettroni, disegna i sottolivelli in ordine di riempimento (1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d …) con una casella per orbitale e riempi dal basso: due frecce opposte per casella, e una freccia in ogni casella di un gruppo p o d prima che una qualsiasi si appai. Fermati quando le frecce sono pari al numero atomico, scrivi sotto la configurazione e conta le frecce singole per avere gli elettroni spaiati.
Che cos'è la notazione a caselle degli orbitali?
È la configurazione elettronica disegnata con caselle o lineette, una per orbitale e con l'etichetta del sottolivello, in cui ogni elettrone è una freccia in su o in giù. L'ossigeno in questa notazione è 1s ↑↓, 2s ↑↓, 2p ↑↓ ↑ ↑. I manuali che la usano chiamano «configurazione elettronica» o «notazione spdf» la forma scritta, 1s² 2s² 2p⁴.
Che differenza c'è tra diagramma orbitalico e configurazione elettronica?
La configurazione elettronica dice quanti elettroni contiene ogni sottolivello; il diagramma orbitalico mostra anche come sono disposti al suo interno. Entrambi danno 2p⁴ per l'ossigeno, ma solo il diagramma mostra un orbitale 2p con una coppia e due con un solo elettrone, da cui vengono i 2 elettroni spaiati dell'ossigeno.
Che cos'è lo schema dell'Aufbau?
È lo schema dell'ordine di riempimento dei sottolivelli: i sottolivelli scritti in righe per livello e attraversati da frecce diagonali, che si leggono 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s e così via. Segue la regola n + l. Serve a costruire un diagramma orbitalico, non è il diagramma di un atomo in particolare.
Perché il 4s si riempie prima del 3d?
Perché in potassio e calcio il 4s ha energia più bassa del 3d: il suo n + l vale 4, contro 5 per il 3d. Quando il 3d comincia a riempirsi, dallo scandio in poi, gli orbitali 3d scendono sotto il 4s, ed è per questo che i cationi dei metalli di transizione perdono per primi gli elettroni 4s: Fe²⁺ è [Ar] 3d⁶, non [Ar] 4s² 3d⁴.
Perché cromo e rame sono eccezioni?
Un 3d semipieno o completo è più stabile della configurazione prevista dall'ordine di riempimento, quindi un elettrone 4s passa nel 3d. Il cromo è [Ar] 4s¹ 3d⁵ invece di 4s² 3d⁴, il rame [Ar] 4s¹ 3d¹⁰ invece di 4s² 3d⁹. Lì le energie di 4s e 3d sono così vicine che la stabilità in più degli spin 3d paralleli fa pendere la bilancia.
Quanti elettroni spaiati ha il ferro?
Quattro. Il ferro è [Ar] 4s² 3d⁶: il 4s è appaiato e, dei sei elettroni 3d, i primi cinque vanno in caselle separate e il sesto si appaia con uno di loro, lasciando quattro frecce singole. Fe³⁺, [Ar] 3d⁵, ne ha cinque, una in ogni casella 3d.
Come si disegna il diagramma orbitalico di uno ione?
Si parte dal diagramma dell'atomo neutro e si aggiungono o tolgono frecce secondo la carica. Gli anioni mettono gli elettroni in più nella prima casella libera: Cl⁻ è [Ne] 3s² 3p⁶. I cationi li perdono a partire dall'n più alto, quindi i metalli di transizione perdono il 4s prima del 3d: Fe³⁺ è [Ar] 3d⁵, cinque frecce singole e nessuna casella 4s.
Che cosa mostra il diagramma orbitalico degli elettroni di valenza?
Solo il livello esterno: le caselle s e p con n più alto, con il nucleo scritto come simbolo del gas nobile. Per lo zolfo è [Ne] seguito da 3s ↑↓ e 3p ↑↓ ↑ ↑, i suoi 6 elettroni di valenza di cui 2 spaiati. Per i metalli di transizione di solito si disegnano anche le caselle 3d, perché quegli elettroni partecipano ai legami.
Perché le due frecce nella stessa casella hanno verso opposto?
Per il principio di esclusione di Pauli: due elettroni nello stesso orbitale devono avere spin opposti, +½ e −½, disegnati come una freccia in su e una in giù. Nessun orbitale accoglie un terzo elettrone, quindi una casella non contiene mai più di due frecce.
Fonti
- 5.17: Hund's Rule and Orbital Filling Diagrams, Introductory Chemistry (CK-12) — LibreTexts
- Orbital Diagrams, General Chemistry — Chemistry Steps
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