Elettroni di valenza

     Quando si affronta il tema della configurazione elettronica degli elementi chimici, si introduce anche il concetto di elettroni di valenza di un atomo: sono quegli elettroni che partecipano alla formazione dei legami chimici e che determinano le proprietà chimiche dell’elemento. Gli atomi di quasi tutti gli elementi tendono ad aggregarsi tra loro in modo da formare molecole e quando raggiungono un’opportuna distanza, gli elettroni dei loro ultimi orbitali si influenzano reciprocamente e le loro strutture elettroniche si modificano.

     Se un elemento nella formazione di legami perde o acquista elettroni, il numero di elettroni persi o acquistati costituisce la valenza ionica dell’elemento. In questo caso si formano composti ionici che rappresentano solo una parte dei numerosissimi composti chimici. Molto spesso gli atomi formano legami chimici condividendo una o più coppie di elettroni, formando composti covalenti. La valenza covalente di un atomo è il numero di coppie di elettroni che l’atomo ha in comune con altri atomi.

     Come individuare gli elettroni di valenza di un atomo? Bisogna distinguere due casi: il primo riguarda gli elementi appartenenti ai gruppi principali (indicati con i numeri romani da I a VIII) o elementi rappresentativi; il secondo riguardante gli elementi di transizione (compresi tra i gruppi principali II e III).

1° caso. È il caso più semplice: gli elettroni di valenza di questi elementi sono indicati dal numero romano posto all’apice della colonna. Perciò: Na, K, Rb (I gruppo) hanno valenza 1; Be, Mg, Ca (II gruppo) hanno valenza 2; B e Al (III gruppo) hanno valenza 3 e così via fino al gruppo dei gas nobili, gli atomi dei cui elementi hanno valenza 8 (ad eccezione dell’elio che ha solo due elettroni).

Se invece non si vogliono utilizzare i numeri romani ma quelli arabi che intestano i gruppi, la situazione è la seguente:

– Gruppo 1: 1 elettrone di valenza

– Gruppo 2: 2 elettroni di valenza

– Gruppo 13: 3 elettroni di valenza

– Gruppo 14: 4 elettroni di valenza

– Gruppo 15: 5 elettroni di valenza

– Gruppo 16: 6 elettroni di valenza

– Gruppo 17: 7 elettroni di valenza

– Gruppo 18: 8 elettroni di valenza (tranne l’elio che ne ha 2)

     Comunque la valenza corrisponde al numero di elettroni dell’ultimo livello energetico, indicato dal numero quantico principale (n) collocati nei sottolivelli s e p, che insieme possono avere al massimo otto elettroni.

Ad esempio se considero la configurazione elettronica del potassio (Z=19): K = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹,  il livello energetico più esterno è il 4s che ha un solo elettrone (valenza 1).

Il bromo invece (Z=35): Br = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁵  ha come livello energetico più esterno il 4s e il 4p che hanno rispettivamente 2 e 5 elettroni (valenza 7).

     Si noti che il numero del periodo a cui l’elemento appartiene indica qual è il livello energetico più esterno occupato dagli elettroni. In altre parole, gli elettroni di valenza occupano il livello di energia corrispondente al periodo dell’elemento. Gli elementi di uno stesso gruppo, inoltre, hanno la stessa configurazione elettronica esterna, perciò la stessa valenza e, soprattutto, proprietà chimiche simili.

Graficamente gli elettroni di valenza si possono rappresentare con i simboli di Lewis (figura in alto).

     2° caso: gli elettroni di valenza degli elementi di transizione. Il numero degli elettroni di valenza non è immediato come nel caso precedente. Gli elementi di transizione fanno parte dei gruppi che vanno dal n. 3 al n. 12 e spesso possono avere più di un numero di valenza perché possono mettere in gioco un numero diverso di elettroni per formare diversi composti. In ogni caso, consultando il n. di ossidazione sulla tavola periodica, gli elettroni di valenza non possono superare il massimo numero di ossidazione dell’elemento.

     Nella maggior parte dei casi, gli elementi di transizione presentano il guscio di valenza con due elettroni, per cui formano composti in cui assumono n. di ossidazione +2. Ma non è una regola generale perché per questi elementi gli elettroni di valenza oltre a comprendere quelli del sottolivello s possono riguardare quelli del sottolivello d , quindi i loro elettroni di valenza possono essere presenti in più di uno strato elettronico.

In generale gli elettroni di valenza degli elementi di transizione, a seconda del gruppo, possono essere:

– Gruppo 3: 3 elettroni di valenza

– Gruppo 4: da 2 a 4 elettroni di valenza

– Gruppo 5: da 2 a 5 elettroni di valenza

– Gruppo 6: da 2 a 6 elettroni di valenza

– Gruppo 7: da 2 a 7 elettroni di valenza

– Gruppo 8: da 2 a 3 elettroni di valenza

– Gruppo 9: da 2 a 3 elettroni di valenza

– Gruppo 10: da 2 a 3 elettroni di valenza

– Gruppo 11: da 1 a 2 elettroni di valenza

– Gruppo 12: 2 elettroni di valenza

Considerando alcuni degli elementi di transizione più diffusi, gli elettroni di valenza più frequenti (corrispondenti allo stato di ossidazione più comune) sono:

Fe= 2 e 3; Mn= 2, 4, 7; Cu= 2; Zn= 2; Ni= 2; Co= 2 e 3; Cr= 3 e 6; V= 3 e 5.

Credit immagine tavola_blocchi: www.tavolaperiodica.unicam.it ; Lewis: didattica-online.polito.it .