Diagramma di Bohr: come si disegnano i gusci elettronici di un elemento

Cos’è il diagramma di Bohr

La Royal Society of Chemistry (RSC) lo chiama diagramma di configurazione elettronica e lo descrive come un modello di come sono disposti gli elettroni attorno al nucleo. Il nucleo si disegna come un cerchietto con dentro il simbolo dell’elemento. Intorno si tracciano cerchi concentrici, i gusci, e su ciascuno si mette un punto o una crocetta per ogni elettrone che ospita. Lo stesso disegno a volte prende il nome di modello di Bohr, o modello «a sistema solare».

Il nome viene da Niels Bohr, che nel 1913 fu il primo a proporre che gli elettroni occupassero gusci fissi. Perché ci arrivò, e come quell’idea spiegava la luce emessa dall’idrogeno, lo racconta il Recap sul modello atomico di Bohr e gli spettri. Qui l’obiettivo è pratico: prendere un elemento e disegnarlo.

Una nota sulle parole. Nel linguaggio della scuola «guscio elettronico» e «livello di energia» indicano la stessa cosa, e la RSC suggerisce di non saltare da un termine all’altro nella stessa spiegazione.

Il primo passo: contare gli elettroni dal numero atomico

Il numero atomico è il numero di protoni nel nucleo. Un atomo neutro ha tanti elettroni quanti protoni, perciò lo stesso numero dice anche quanti punti disegnare in tutto: il potassio, numero atomico 19, ne avrà 19.

Quando un atomo acquista o perde elettroni diventa uno ione e il totale cambia. Tutti gli esempi che seguono riguardano atomi neutri.

Come si riempiono i gusci

La regola di base è una sola. Ogni elettrone va nel guscio libero più basso, cioè il più vicino al nucleo, e solo quando quel guscio è pieno si passa al successivo. Il primo guscio è quello a energia più bassa, e l’energia cresce man mano che ci si allontana dal nucleo.

Quanti elettroni stanno in un guscio? Nella versione del modello che la RSC propone agli studenti tra i 14 e i 16 anni, il primo guscio ne ospita al massimo 2, il secondo 8 e il terzo 8. Il calcio, elemento numero 20, ha gli ultimi due elettroni nel quarto guscio; il potassio, che viene subito prima, ne mette lì uno solo.

Per non disegnare ogni volta, si usa una notazione abbreviata: i numeri di elettroni per guscio, dal più interno al più esterno, separati da virgole o punti. L’azoto si scrive 2,5 e il calcio 2,8,8,2.

Il procedimento della RSC è pensato per i primi 20 elementi della tavola periodica. Anche Chemguide consiglia di costruire le strutture elettroniche di quei 20 elementi livello per livello, con i livelli disegnati in fila come gradini.

Come si disegna il diagramma di Bohr del carbonio

Esempio pratico: il carbonio ha numero atomico 6, quindi un atomo neutro ha 6 elettroni. Si disegna un cerchietto con la C. Il primo guscio prende 2 elettroni e si riempie; i 4 che restano vanno sul secondo cerchio, che ne potrebbe tenere 8. In notazione abbreviata il carbonio è 2,4.

Il conto si può controllare con la configurazione che PubChem riporta per il carbonio, [He] 2s² 2p². La sigla [He] sta per i 2 elettroni del primo livello, quelli dell’elio; 2s² e 2p² sono i 4 del secondo.

Il neon: il secondo guscio al completo

Esempio pratico: il neon ha numero atomico 10. Due elettroni nel primo guscio, otto nel secondo: 2,8. Il secondo cerchio è pieno e non resta nessun elettrone per un terzo.

HyperPhysics chiama questo guscio completo l’«ottetto stabile», e il neon è un gas nobile. Lo stesso vale un passo prima: con 2 elettroni il primo livello è pieno, ed è l’elio, un altro gas nobile chimicamente inerte. Il fluoro, a cui manca un elettrone per l’ottetto, tende ad acquistarne uno. Il sodio ne ha uno di troppo e tende a perderlo: in entrambi i casi il risultato è la stessa disposizione del neon.

Come si disegna il diagramma di Bohr dell’alluminio

Esempio pratico: l’alluminio ha numero atomico 13. Il primo guscio prende 2 elettroni, il secondo 8, e ne restano 3 per il terzo: 2,8,3. Nel disegno ci sono quindi tre cerchi, e sull’ultimo stanno 3 punti.

PubChem dà per l’alluminio la configurazione [Ne] 3s² 3p¹: il blocco [Ne] equivale ai 10 elettroni del neon, a cui si aggiungono i 3 del terzo livello. Il risultato coincide col conteggio fatto con la regola.

La stessa procedura funziona per tutti gli elementi fino al calcio. Nella tabella, la configurazione viene da PubChem; la colonna degli elettroni per guscio è un conteggio fatto applicando la regola, e per azoto e calcio coincide con quello stampato dalla RSC.

Elemento	Numero atomico	Configurazione (PubChem)	Elettroni per guscio
Idrogeno (H)	1	1s¹	1
Elio (He)	2	1s²	2
Carbonio (C)	6	[He] 2s² 2p²	2,4
Azoto (N)	7	[He] 2s² 2p³	2,5
Ossigeno (O)	8	[He] 2s² 2p⁴	2,6
Neon (Ne)	10	[He] 2s² 2p⁶	2,8
Sodio (Na)	11	[Ne] 3s¹	2,8,1
Magnesio (Mg)	12	[Ne] 3s²	2,8,2
Alluminio (Al)	13	[Ne] 3s² 3p¹	2,8,3
Cloro (Cl)	17	[Ne] 3s² 3p⁵	2,8,7
Argon (Ar)	18	[Ne] 3s² 3p⁶	2,8,8
Potassio (K)	19	[Ar] 4s¹	2,8,8,1
Calcio (Ca)	20	[Ar] 4s²	2,8,8,2

Cosa si legge in un diagramma di Bohr

Un diagramma finito dice dove si trova l’elemento. Per la RSC il numero di gusci corrisponde al periodo, cioè alla riga della tavola periodica, mentre gli elettroni del guscio esterno indicano il gruppo. L’alluminio, con i suoi tre gusci, sta nel terzo periodo. Gli elementi del gruppo 1 hanno tutti un solo elettrone nel guscio esterno; nella tabella qui sopra capita a idrogeno, sodio e potassio.

Gli elettroni del guscio esterno si chiamano elettroni di valenza. Quelli dei gusci interni già pieni, scrive la scheda di LibreTexts, non contribuiscono alle proprietà chimiche. Il sodio, per esempio, ha un solo elettrone fuori da un guscio chiuso e per strapparlo bastano 5,14 elettronvolt, secondo HyperPhysics; al cloro ne manca uno per completare il guscio, e quando lo acquista libera 3,62 elettronvolt. Da qui nascono gli ioni Na+ e Cl-, che si attraggono nel legame ionico.

Dal diagramma di Bohr al simbolo di Lewis

Se di un diagramma di Bohr si conservano soltanto gli elettroni del guscio esterno, si ottiene il simbolo di Lewis, che LibreTexts descrive come una sua versione semplificata. I gusci interni completi spariscono dentro la sigla dell’elemento, e i punti di valenza si dispongono attorno in quattro gruppi di uno o due. Otto punti indicano un guscio chiuso, la configurazione di un gas nobile.

Esempio pratico: il diagramma dell’alluminio ha tre cerchi e 13 punti. Il suo simbolo di Lewis è la sigla Al con 3 punti intorno, gli elettroni del terzo guscio.

	Diagramma di Bohr	Simbolo di Lewis
Nucleo	Cerchietto con il simbolo	Solo la sigla
Gusci interni	Disegnati, con tutti i punti	Assorbiti nella sigla
Guscio esterno	Un cerchio con i suoi punti	Punti in quattro gruppi di uno o due
A cosa serve	Vedere come si costruisce l’atomo	Seguire gli elettroni di valenza

Che cosa rappresentano i cerchi

Chemguide boccia in modo netto l’atomo planetario delle illustrazioni divulgative, quello con gli elettroni che ruotano attorno al nucleo. Il diagramma a cerchi resta utile a una condizione, cioè sapere che i cerchi rappresentano livelli di energia e che gli elettroni non viaggiano su di essi. Lo stesso disegno del sodio si può tracciare con i livelli raddrizzati in fila come gradini, e l’idea del movimento sparisce.

Come si muovano davvero gli elettroni nell’atomo non si sa, e per la teoria a cui si rifà Chemguide non è nemmeno possibile saperlo. Il principio di indeterminazione di Heisenberg, detto in breve, impedisce di conoscere con certezza insieme dove si trova un elettrone e dove andrà dopo; un’orbita, quindi, non si può disegnare. La RSC avverte che gli studenti possono immaginare proprio questo, un sistema solare in miniatura, oppure gusci rigidi in cui gli elettroni stanno seduti.

HyperPhysics riconosce che il modello «planetario» descrive male gli elettroni, ma lo considera ancora un buon promemoria per seguire come si costruiscono gli atomi più pesanti. Secondo la biografia ufficiale del Nobel, pubblicata nel 1965, le proprietà fisiche e chimiche degli elementi si spiegavano ancora col quadro di Bohr, ritoccato in seguito soprattutto grazie alle idee di Heisenberg del 1925.

Dove la regola 2, 8, 8 si ferma

Nel modello più avanzato ogni guscio si divide in sottolivelli, fatti a loro volta di orbitali. Un orbitale è una regione di spazio in cui è probabile trovare un elettrone (Chemguide fissa la soglia al 95% di probabilità) e ne contiene al massimo due, con spin opposto.

Il primo livello ha 1 orbitale, il secondo 4, il terzo 9: un 3s, tre 3p e cinque 3d. Facendo il conto, nove orbitali da due elettroni danno al terzo guscio spazio per 18 elettroni, molti più degli 8 della regola scolastica. Il potassio e il calcio mettono comunque elettroni nel quarto guscio perché, in questi due elementi, gli orbitali 3d hanno energia più alta del 4s, che quindi si riempie prima. Nello scandio, numero atomico 21, il rapporto di energia tra i due si rovescia, e uno degli elettroni trova posto in un orbitale 3d. La sua struttura è 2,8,9,2, e la regola scolastica avrebbe fatto prevedere 2,8,8,3. Nel quarto periodo, spiega HyperPhysics, tra il 4s e il 4p si inseriscono dieci elementi, detti di transizione, perché il sottolivello d accoglie 10 elettroni.

Per questo la RSC raccomanda di presentare lo schema 2,8,8,2 per quello che è, un modello e una regola pratica: utile, ma limitato alla superficie di ciò che succede davvero nell’atomo.