Espansione della sfera di valenza

Stati di valenza degli elementi tipici più importanti: ESPANSIONE DELLA SFERA DI VALENZA

La configurazione elettronica di un atomo quando si combina con altri atomi non sempre è quella dello stato fondamentale; molto spesso le combinazioni fra gli atomi sono da riferirsi a stati elettronici eccitati, così che il numero di legami che essi formano è determinato non dal numero di elettroni spaiati presenti nello stato fondamentale, ma dal numero di elettroni spaiati proprio dello stato eccitato di valenza, che determina la capacità di combinazione degli atomi, ossia la loro valenza.

La differenza tra la configurazione elettronica esterna di valenza dello stato eccitato e quella dello stato fondamentale è determinata dal fatto che due o più elettroni, che nello stato fondamentale sono accoppiati nello stesso orbitale, vengono disaccoppiati per promozione di uno o di alcuni elettroni agli orbitali più vicini in energia.

Qui di seguito vengono riportati i casi di particolare interesse per: Be, B, C, N, P, O, S, F, Cl.

Berilio

La configurazione elettronica del Berilio nel suo stato fondamentale corrisponde allo schema 1s²2s², in essa non è presente alcun elettrone spaiato disponibile per la formazione di legami e potremmo dire che nello stato fondamentale l’atomo di berilio è zerovalente. Nella realtà si riscontra che il berilio può formare due legami covalenti (come ad esempio nella molecola allo stato gassoso BeCl₂ ) quindi è bivalente (valenza due), ciò è da riferirsi allo stato elettronico eccitato 1s²2s¹2p¹, che deriva dallo stato fondamentale per promozione di un elettrone dall’orbitale 2s ad uno dei tre orbitali vuoti 2p disponibili aventi energia di poco superiore

Boro

L’atomo di boro nel suo stato fondamentale mostra configurazione elettronica 1s²2s²2p¹, con un solo elettrone spaiato (a cui corrisponde una monovalenza che però non si trova in nessuno dei composto del boro). Nella realtà si riscontra che il boro può formare tre legami covalenti (come ad esempio nella molecola BF₃) quindi è trivalente, questo corrisponde ad uno stato eccitato, con tre elettroni spaiati, che deriva dallo stato fondamentale per promozione di un elettrone dall’orbitale 2s ad uno dei due orbitali  2p disponibili aventi energia di poco superiore

Carbonio

Nel caso del carbonio lo stato di tetravalenza tipico dei suoi composti, deriva dallo stato fondamentale (nel quale l’elemento risulterebbe bivalente, per la presenza di due soli elettroni spaiati), per  promozione d’un elettrone dall’orbitale 2s al terzo orbitale 2p vuoto.

Azoto

L’atomo d’azoto nella configurazione dello stato fondamentale, 1s²2s²2p³, ha tre elettroni non accoppiati, che determinano la tipica trivalenza propria dell’elemento, per l’atomo d’azoto non è realizzabile la promozione d’un elettrone dall’orbitale 2s ad un altro orbitale libero, perché il primo orbitale che si incontra lungo la scala delle energie crescenti è il 3s, che corrisponde ad un livello energetico troppo elevato da quello del 2s, pertanto l’atomo neutro di azoto non può raggiungere stati di valenza superiore.

Fosforo

L’atomo di fosforo nella configurazione dello stato fondamentale, [Ne]3s²3p³ ha tre elettroni non accoppiati, che determinano la trivalenza dell’elemento, però il fosforo può aumentare a cinque il suo stato di valenza (pentavalenza) utilizzando gli orbitali 3d vuoti, lo stato eccitato coinvolto ha configurazione elettronica di valenza del tipo 3s¹3p³3d¹, derivante dalla promozione di un elettrone dall’orbitale di valenza 3s ad uno dei cinque orbitali vuoti 3d che si trovano ad un livello energetico molto vicino.

Ossigeno

L’ossigeno per la sua configurazione elettronica e la non disponibilità di orbitali liberi a bassa energia che consentano la promozione di elettroni dagli orbitali 2s o 2p è un elemento tipicamente bivalente

Zolfo

Lo zolfo a differenza dell’ossigeno può, per formare dei legami, promuovere elettroni su orbitali d, che si trovano ad un livello di energia non molto distante da quello degli orbitali 3s e 3p, con la conseguente realizzazione di stati di tetravalenza e di esavalenza

Fluoro e Alogeni

Il fluoro è sempre e soltanto monovalente, non essendo possibile la promozione di elettroni dagli orbitali 2p o 2s ad orbitali successivi vuoti, per i loro livelli energetici troppo elevati, gli altri alogeni (cloro, bromo,iodio), a causa della disponibilità di orbitali d a livelli energetici non troppo alti, sono caratterizzati da stati di valenza superiori, esempio del cloro: