Lý thuyết Cấu trúc lớp vỏ electron của nguyên tử (Chân trời sáng tạo 2023) hay, chi tiết | Hóa học 10

Lý thuyết Hóa học lớp 10 Bài 4: Cấu trúc lớp vỏ electron của nguyên tử

A. Lý thuyết Cấu trúc lớp vỏ electron của nguyên tử

I. Sự chuyển động của electron trong nguyên tử

1. Sự chuyển động của electron trong nguyên tử

– Theo mô hình nguyên tử của Rutherford – Bohr (mô hình hành tinh nguyên tử), các electron chuyển động trên những quỹ đạo hình tròn hay bầu dục xác định xung quanh hạt nhân.

– Theo mô hình hiện đại, trong nguyên tử, các electron chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân không theo một quỹ đạo xác định, tạo thành đám mây electron.

2. Orbital nguyên tử

– Orbital nguyên tử (Atomic Orbital, viết tắt AO) là khu vực không gian xung quanh hạt nhân nguyên tử mà tại đó xác suất tìm thấy electron là lớn nhất (khoảng 90%).

– Một số AO thường gặp: s, p, d, f

– Các AO có hình dạng khác nhau: AO s có dạng hình cầu, AO p có dạng hình số tám nổi, AO d và f có hình dạng phức tạp.

II. Lớp và phân lớp electron

Trong nguyên tử, các electron được sắp xếp thành từng lớp và phân lớp theo năng lượng từ thấp đến cao.

1. Lớp electron

– Trong nguyên tử, các electron được sắp xếp thành từng lớp (kí hiệu K, L, M, N, O, P, Q) từ gần đến xa hạt nhân, theo thứ tự từ lớp n = 1 đến n = 7.

– Các electron trên cùng một lớp có năng lượng gần bằng nhau.

2. Phân lớp electron

– Mỗi lớp electron phân chia thành các phân lớp, được kí hiệu bằng các chữ cái viết thường: s, p, d, f. Các electron thuộc các phân lớp s, p, d và f được gọi tương ứng là các electron s, p, d và f.

– Các phân lớp s, p, d và f lần lượt có các số AO tương ứng 1, 3, 5 và 7.

– Các electron trên cùng một phân lớp có năng lượng bằng nhau.

– Với 4 lớp đầu (1, 2, 3, 4) số phân lớp trong mỗi lớp bằng số thứ tự của lớp đó.

Ví dụ: Lớp thứ 3 có 3 phân lớp. Lớp thứ 4 có 4 phân lớp.

III. Cấu hình electron nguyên tử

1. Nguyên lí vững bền

– Trong nguyên tử, các electron trên mỗi AO có một mức năng lượng xác định. Người ta gọi mức năng lượng này là mức năng lượng AO nguyên tử.

– Nguyên lí vững bền: Ở trạng thái cơ bản, các electron trong nguyên tử chiếm lần lượt những orbital có mức năng lượng từ thấp đến cao: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p …

– Các electron trên các AO khác nhau của cùng một phân lớp có năng lượng như nhau.

Ví dụ: Phân lớp 3p có 3 AO 3p_x, 3p_y, 3p_z; các electron của các AO p trong phân lớp này tuy có sự định hướng trong không gian khác nhau nhưng chúng có cùng mức năng lượng AO.

2. Nguyên lí Pauli

– Để biểu diễn orbital nguyên tử, người ta sử dụng các ô vuông, gọi là ô lượng tử. Mỗi ô lượng tử ứng với một AO. Mỗi AO chứa tối đa 2 electron.

+ Nếu trong AO chỉ chứa 1 electron thì electron đó gọi là electron độc thân (kí hiệu bởi 1 mũi tên hướng lên ↑).

+ Nếu AO chứa đủ 2 electron thì các electron đó gọi là electron ghép đôi (kí hiệu bởi hai mũi tên ngược chiều nhau ↑↓).

– Nguyên lí Pauli: Mỗi orbital chỉ chứa tối đa 2 electron và có chiều tự quay ngược nhau.

– Dựa vào nguyên lí Pauli, ta dễ dàng xác định được số AO và số electron tối đa trong mỗi lớp và phân lớp:

+ Số AO tối đa trong lớp n là n² (n ≤ 4).

+ Số electron tối đa trong lớp n là 2n² (n ≤ 4).

Ví dụ: Số AO tối đa trong lớp thứ 2 là 2² = 4

Số electron tối đa trong lớp thứ 2 là 2.2² = 8 electron.

3. Quy tắc Hund

– Các phân lớp: s²; p⁶; d¹⁰; f¹⁴ chứa đủ số electron tối đa gọi là phân lớp bão hòa.

– Các phân lớp: s¹; p³; d⁵; f⁷ chứa một nửa số electron tối đa gọi là phân lớp nửa bão hòa.

– Các phân lớp chưa đủ số electron tối đa gọi là phân lớp chưa bão hòa.

– Quy tắc Hund: Trong cùng một phân lớp chưa bão hòa, các electron sẽ phân bố vào các orbital sao cho số electron độc thân là tối đa.

4. Cách viết cấu hình electron nguyên tử

– Cấu hình electron nguyên tử biểu diễn sự phân bố electron trong vỏ nguyên tử trên các phân lớp thuộc các lớp khác nhau.

– Cấu hình electron nguyên tử phải được viết theo thứ tự các lớp electron và phân lớp trong mỗi lớp. Trong đó:

+ Số thứ tự lớp electron được viết bằng các số tự nhiên (n = 1, 2, 3, …)

+ Phân lớp được kí hiệu bằng các chữ cái thường s, p, d, f.

+ Số electron của từng phân lớp được ghi bằng chỉ số ở phía trên, bên phải kí hiệu của phân lớp.

– Quy ước cách biểu diễn sự phân bố electron trên các phân lớp thuộc các lớp như sau:

– Cách viết cấu hình electron:

+ Bước 1: Xác định số electron của nguyên tử.

+ Bước 2: Các electron được phân bố theo thứ tự các AO có mức năng lượng tăng dần, theo các nguyên lí và quy tắc phân bố electron trong nguyên tử.

+ Bước 3: Viết cấu hình electron theo thứ tự các phân lớp trong một lớp và theo thứ tự của các lớp electron.

Ví dụ:

K (Z = 19): Thứ tự mức năng lượng orbital: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹.

Cấu hình electron: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹ hoặc viết gọn là: [Ar]4s¹.

[Ar] là kí hiệu cấu hình electron nguyên tử của nguyên tố argon, là khí hiếm gần nhất đứng trước K.

Cấu hình electron theo orbital:

5. Đặc điểm electron lớp ngoài cùng của nguyên tử

– Dựa vào số lượng electron lớp ngoài cùng của nguyên tử nguyên tố, có thể dự đoán một nguyên tố là kim loại, phi kim hay khí hiếm.

+ Các nguyên tử có 1, 2, 3 electron ở lớp ngoài cùng là các nguyên tử của nguyên tố kim loại (trừ H, He, B).

+ Các nguyên tử có 5, 6, 7 electron ở lớp ngoài cùng thường là nguyên tử của các nguyên tố phi kim.

+ Các nguyên tử có 4 electron ở lớp ngoài cùng có thể là nguyên tử của nguyên tố kim loại hoặc phi kim.

+ Các nguyên tử có 8 electron ở lớp ngoài cùng là nguyên tử của nguyên tố khí hiếm (trừ He có 2 electron ở lớp ngoài cùng).

B. Trắc nghiệm Cấu trúc lớp vỏ electron của nguyên tử

Câu 1. Các phân lớp s, p, d và f lần lượt có các số AO tương ứng là

A. 1; 4; 9; 16

B. 1; 2; 3; 4

C. 1; 3; 5; 7

D. 2; 6; 10; 14

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: C

Các phân lớp s, p, d và f lần lượt có các số AO tương ứng là 1; 3; 5 và 7.

Câu 2. Với 4 lớp đầu (1, 2, 3, 4) số phân lớp trong mỗi lớp bằng

A. 2 lần số thứ tự của lớp đó

B. số thứ tự của lớp đó

C. bình phương số thứ tự của lớp đó

D. không xác định

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: B

Với 4 lớp đầu (1, 2, 3, 4) số phân lớp trong mỗi lớp bằng số thứ tự của lớp đó.

Cụ thể:

Lớp 1 có 1 phân lớp là 1s.

Lớp 2 có 2 phân lớp là 2s, 2p.

Lớp 3 có 3 phân lớp là 3s, 3p, 3d.

Lớp 4 có 4 phân lớp là 4s, 4p, 4d, 4f.

Câu 3. Theo nguyên lí Pauli

A. Mỗi orbital chỉ chứa tối đa 2 electron và có chiều tự quay ngược nhau.

B. Mỗi orbital chỉ chứa tối đa 1 electron.

C. Mỗi orbital chỉ chứa tối đa 2 electron và có cùng chiều tự quay.

D. Mỗi orbital chứa tối đa 3 electron.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: A

Theo nguyên lí Pauli: Mỗi orbital chỉ chứa tối đa 2 electron và có chiều tự quay ngược nhau.

Câu 4. Số electron tối đa trong lớp thứ n (n ≤ 4) là

A. n

B. 2n

C. 2n²

D. n²

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: C

Số electron tối đa trong lớp thứ n (n ≤ 4) là 2n².

Câu 5. Khẳng định sai là

A. Các phân lớp s², p⁶, d¹⁰, f¹⁴ chứa đủ số electron tối đa gọi là phân lớp bão hòa.

B. Các phân lớp s¹, p³, d⁵, f⁷ chứa một nửa số electron tối đa gọi là phân lớp nửa bão hòa.

C. Các phân lớp chưa đủ số electron tối đa gọi là phân lớp chưa bão hòa.

D. Trong cùng một phân lớp chưa bão hòa, các electron sẽ phân bố vào các orbital sao cho số electron độc thân là tối thiểu.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: D

Theo quy tắc Hund: Trong cùng một phân lớp chưa bão hòa, các electron sẽ phân bố vào các orbital sao cho số electron độc thân là tối đa.

Do đó khẳng định D là khẳng định sai.

Câu 6. Phát biểu đúng khi nói về mô hình nguyên tử hiện đại là

A. Các electron chuyển động theo những quỹ đạo hình tròn hay bầu dục xác định xung quanh hạt nhân.

B. Trong nguyên tử, các electron chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân theo một quỹ đạo xác định, tạo thành đám mây electron.

C. Trong nguyên tử, các electron chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân không theo một quỹ đạo xác định, tạo thành đám mây electron.

D. Các electron chuyển động theo những quỹ đạo hình tròn hay bầu dục xác định xung quanh hạt nhân, tạo thành đám mây electron.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: C

Phát biểu đúng khi nói về mô hình nguyên tử hiện đại là:

Trong nguyên tử, các electron chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân không theo một quỹ đạo xác định, tạo thành đám mây electron.

Câu 7. Orbital nguyên tử (kí hiệu là AO) là

A. khu vực không gian xung quanh hạt nhân nguyên tử mà xác suất tìm thấy electron trong khu vực đó là lớn nhất (khoảng 90%);

B. khu vực không gian trong hạt nhân nguyên tử mà xác suất tìm thấy electron trong khu vực đó là lớn nhất (khoảng 90%);

C. khu vực không gian xung quanh hạt nhân nguyên tử mà xác suất tìm thấy electron trong khu vực đó là nhỏ nhất (khoảng 10%);

D. khu vực không gian xung quanh hạt nhân nguyên tử mà xác suất tìm thấy proton trong khu vực đó là nhỏ nhất (khoảng 10%).

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: A

Orbital nguyên tử (kí hiệu là AO) là khu vực không gian xung quanh hạt nhân nguyên tử mà xác suất tìm thấy electron trong khu vực đó là lớn nhất (khoảng 90%).

Câu 8. Hình dưới đây cho biết hình dạng của orbital

A. s;

B. p;

C. d;

D. f.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: A

AO s là orbital có dạng hình cầu.

Câu 9. Trong nguyên tử, các electron được sắp xếp thành từng lớp từ gần đến xa hạt nhân. Kí hiệu của các lớp thứ 1, lớp 2, lớp 3, lớp 4 lần lượt là

A. A, B, C, D;

B. V, X, Y, Z,

C. K, L, M, N

D. M, N, O, P

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: C

Trong nguyên tử, các electron được sắp xếp thành từng lớp từ gần đến xa hạt nhân. Kí hiệu của các lớp thứ 1, lớp 2, lớp 3, lớp 4 lần lượt là K, L, M, N.

Câu 10. Khẳng định nào sau đây là đúng?

A. Các electron trên cùng một lớp có năng lượng bằng nhau, trên cùng một phân lớp có năng lượng gần bằng nhau;

B. Các electron trên cùng một lớp có năng lượng gần bằng nhau, trên cùng một phân lớp có năng lượng bằng nhau;

C. Các electron trên cùng một lớp, phân lớp đều có mức năng lượng bằng nhau;

D. Các electron trên cùng một lớp, phân lớp có mức năng lượng gần bằng nhau.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: B

Khẳng định đúng là:

Các electron trên cùng một lớp có năng lượng gần bằng nhau, trên cùng một phân lớp có năng lượng bằng nhau.

Câu 11. Nguyên tử N có Z = 7. Số electron độc thân trong nguyên tử N là

A. 7

B. 5

C. 3

D. 1

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: C

Cấu hình electron nguyên tử của N là: 1s² 2s² 2p³

Cấu hình theo ô orbital của N là:

Như vậy nguyên tử N có 3 electron độc thân thuộc AO 2p.

Câu 12. Cho nguyên tử Fe có Z = 26. Cấu hình electron của nguyên tử Fe là

A. 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁸

B. 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4d⁸

C. 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶

D. 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s²

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: D

Nguyên tử Fe có Z = 26 ⇒ có 26 electron

Phân bố 26 electron vào các AO theo thứ tự mức năng lượng tăng dần, theo nguyên lí và quy tắc phân bố electron: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶

Sắp xếp lại vị trí của phân lớp 4s² và 3d⁶ theo quy tắc ta được cấu hình electron là:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s².

Câu 13. Nguyên tử X có cấu hình electron 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵. Khẳng định sai là

A. Nguyên tử X có 17 electron;

B. Phân lớp 3p của nguyên tử X chưa bão hòa;

C. Nguyên tử X có 5 electron ở lớp ngoài cùng;

D. Nguyên tử X có 3 lớp electron.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: C

Tổng số electron trên các phân lớp là 2 + 2 + 6 + 2 + 5 = 17 (electron) nên nguyên tử X có 17 electron. ⇒ A đúng

Phân lớp 3p có 5 electron chưa đủ số electron tối đa (6 electron) nên phân lớp 3p chưa bão hòa. ⇒ B đúng

Lớp ngoài cùng là lớp thứ 3 có tổng số electron là 2 + 5 = 7 (electron) nên nguyên tử X có 7 electron ở lớp ngoài cùng. ⇒ C sai

Lớp ngoài cùng là lớp thứ 3 nên nguyên tử X có 3 lớp electron. ⇒ D đúng

Câu 14. Nguyên tố Y có 2 lớp electron, lớp thứ hai có 5 electron. Số hiệu nguyên tử của Y là

A. 2

B. 5

C. 7

D. 9

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: C

Có 2 lớp electron ⇒ lớp ngoài cùng là lớp thứ 2.

Mà lớp thứ 2 có 5 electron ⇒ cấu hình electron lớp ngoài cùng là: 2s² 2p³

⇒ Cấu hình electron đầy đủ là: 1s² 2s² 2p³ ⇒ số electron = 2 + 2 + 3 = 7

Số hiệu nguyên tử Z = số electron = 7.

Câu 15. Cho nguyên tố A có Z = 11. A là nguyên tố

A. kim loại

B. phi kim

C. khí hiếm

D. có thể là kim loại hoặc phi kim

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: A

A có Z = 11 ⇒ có 11 electron

Cấu hình electron của A là: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ ⇒ A có 1 electron lớp ngoài cùng.

Mà các nguyên tử có 1, 2, 3 electron lớp ngoài cùng là các nguyên tử của nguyên tố kim loại (trừ H, He, B).

Do đó, A là nguyên tố kim loại.

Bài giảng Hóa học 10 Bài 4: Cấu trúc lớp vỏ electron của nguyên tử – Chân trời sáng tạo

Xem thêm các bài tóm tắt lý thuyết Hóa học 10 Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Bài 3: Nguyên tố hóa học

Bài 5: Cấu tạo bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Bài 6: Xu hướng biến đổi một số tính chất của nguyên tử các nguyên tố, thành phần và một số tính chất của hợp chất trong chu kì và nhóm

Bài 7: Định luật tuần hoàn – ý nghĩa của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học