Un saluto a tutti. Potrei avere una spiegazione, nei limiti del possibile, del perché elettroni che hanno a disposizione più orbitali di uguale energia, tendono ad occuparli con spin paralleli, invece che con disposizione casuale. Grazie.

La configurazione elettronica secondo i principi dell’aufbau ( dal tedesco: “aufbau” = costruzione) richiede che gli eletroni con lo stesso numero quantico principale n vadano a disporsi prima negli orbitali adiacenti in modo parallelo e successivamente completino il riempimento dell’orbiale in modo anti-parallelo rispetto al precedente elettrone già presente nello stesso orbitale. Il motivo per cui debbano orientarsi antiparallelamente viene spiegato con il principio di esclusione di Pauli.

Questo tipo di configurazione ad orbitali semi-riempiti è dovuta al fatto che in questo caso l’atomo diminuisce la propria energia, mentre se gli elettroni si disponessero immediatamente in senso antiparallelo nello stesso orbitale l’energia dell’atomo aumenterebbe.

La spiegazione è da ricercarsi nelle forze di repulsione coulombiane degli elettroni. Infatti gli elettroni sono soggetti alle forze di repulsione di carica e quindi tendono ad allontanarsi gli uni dagli altri. Il numero di quantizzazione magnetica (spin) consente di minimizzare alcuni effetti di repulsione quando siano sullo stesso orbitale, ma quando ci sono orbiali di pari livello energetico (n) vuoti la repulsione tende a spingerli su orbitali differenti di pari livello.

Tutto questo viene inquadrato e spiegato nel principio di minima energia, che può essere sintetizzato così:

“I sistemi non soggetti ad eccitazione tendono ad adottare la configurazione ad energia più bassa.”

La Fig.1 mostra il concetto appena esposto per un ipotetico orbitale p (senza specificare n) in cui 3 elettroni vadano a posizionarsi nei tre orbitali x, y, z. Come si vede dalla figura la disposizione a spin paralleli in orbitali semiriempiti ha una energia minore rispetto a quella in alto con un orbitale completo ad elettroni antiparalleli ed uno semivuoto.