Bài 3. Cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử
Tìm hiểu về sự phân bố electron trong nguyên tử, lớp và phân lớp electron, cấu hình electron nguyên tử.
Lý thuyết Cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử
1. Sự chuyển động của electron trong nguyên tử
Electron chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân và không theo quỹ đạo xác định. Tại một thời điểm, ta chỉ có thể xác định xác suất có mặt của electron tại một vị trí nào đó trong không gian xung quanh hạt nhân.
Orbital nguyên tử (AO): Là khu vực không gian xung quanh hạt nhân mà tại đó xác suất có mặt của electron là lớn nhất (khoảng 90%).
Mỗi orbital chứa tối đa 2 electron.
2. Lớp và phân lớp electron
Lớp electron
Các electron trong nguyên tử được sắp xếp thành từng lớp, theo thứ tự từ gần hạt nhân ra xa:
- Lớp thứ nhất (n = 1): Lớp K
- Lớp thứ hai (n = 2): Lớp L
- Lớp thứ ba (n = 3): Lớp M
- Lớp thứ tư (n = 4): Lớp N
- ...
Số electron tối đa trong mỗi lớp: $2n^2$ electron
- Lớp K (n=1): tối đa 2 electron
- Lớp L (n=2): tối đa 8 electron
- Lớp M (n=3): tối đa 18 electron
- Lớp N (n=4): tối đa 32 electron
Phân lớp electron
Mỗi lớp electron được chia thành các phân lớp, kí hiệu bằng các chữ cái: s, p, d, f
| Phân lớp | Số orbital | Số electron tối đa |
|---|---|---|
| s | 1 | 2 |
| p | 3 | 6 |
| d | 5 | 10 |
| f | 7 | 14 |
Thành phần các lớp electron:
- Lớp K (n=1): 1s
- Lớp L (n=2): 2s, 2p
- Lớp M (n=3): 3s, 3p, 3d
- Lớp N (n=4): 4s, 4p, 4d, 4f
3. Nguyên lí và quy tắc sắp xếp electron
a) Nguyên lí vững bền (Nguyên lí Aufbau)
Ở trạng thái cơ bản, các electron trong nguyên tử chiếm lần lượt các orbital có mức năng lượng từ thấp đến cao.
Thứ tự mức năng lượng tăng dần của các phân lớp:
1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f < 6d < 7p
b) Nguyên lí Pauli
Trên một orbital chứa tối đa 2 electron và chúng có chiều tự quay (spin) ngược nhau.
c) Quy tắc Hund
Trong cùng một phân lớp, các electron sẽ phân bố vào các orbital sao cho số electron độc thân (electron không ghép đôi) là tối đa và các electron này có chiều tự quay giống nhau.
4. Cấu hình electron nguyên tử
Định nghĩa: Cấu hình electron nguyên tử là sự phân bố electron trên các phân lớp thuộc các lớp khác nhau.
Cách viết: $\text{(phân lớp)}^{\text{số electron}}$
Ví dụ:
- H (Z=1): 1s¹
- C (Z=6): 1s² 2s² 2p²
- O (Z=8): 1s² 2s² 2p⁴
- Na (Z=11): 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹
- Cl (Z=17): 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵
- Ar (Z=18): 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶
Lưu ý:
- Số electron = số proton = số hiệu nguyên tử Z
- Electron lớp ngoài cùng (electron hóa trị) quyết định tính chất hóa học của nguyên tố
- Các nguyên tử có 8 electron lớp ngoài cùng (hoặc 2 electron đối với He) có cấu hình bền vững (khí hiếm)
5. Ý nghĩa của cấu hình electron
Cấu hình electron giúp:
- Xác định vị trí của nguyên tố trong bảng tuần hoàn (chu kì, nhóm)
- Dự đoán tính chất hóa học của nguyên tố
- Giải thích khả năng tạo liên kết hóa học
- Xác định hóa trị và số oxi hóa của nguyên tố
Xác định vị trí:
- Số thứ tự chu kì = Số lớp electron
- Số thứ tự nhóm: Phụ thuộc vào số electron lớp ngoài cùng và phân lớp cuối cùng
Các dạng bài tập
Dạng 1: Dạng 1: Viết cấu hình electron nguyên tử
Phương pháp giải:
Phương pháp giải:
- Xác định số electron = Z (số hiệu nguyên tử)
- Điền electron vào các phân lớp theo thứ tự mức năng lượng tăng dần:
- 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s...
- Chú ý số electron tối đa: s² p⁶ d¹⁰ f¹⁴
- Viết cấu hình theo dạng: 1s² 2s² 2p⁶ 3s²...
Ví dụ:
Giải:
a) N (Z=7): Có 7 electron
Cấu hình electron: 1s² 2s² 2p³
b) Al (Z=13): Có 13 electron
Cấu hình electron: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹
c) Ca (Z=20): Có 20 electron
Cấu hình electron: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²
Giải:
Cấu hình electron lớp ngoài cùng là 3s² 3p⁵
Các lớp bên trong đã bão hòa: 1s² 2s² 2p⁶
Cấu hình electron đầy đủ: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵
Tổng số electron = 2 + 2 + 6 + 2 + 5 = 17
Vậy Z = 17 (nguyên tố Clo)
Giải:
a) Na⁺: Na có 11e, Na⁺ mất 1e → còn 10e
Cấu hình electron Na⁺: 1s² 2s² 2p⁶
b) Cl⁻: Cl có 17e, Cl⁻ nhận thêm 1e → có 18e
Cấu hình electron Cl⁻: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶
c) Al³⁺: Al có 13e, Al³⁺ mất 3e → còn 10e
Cấu hình electron Al³⁺: 1s² 2s² 2p⁶
Dạng 2: Dạng 2: Xác định vị trí nguyên tố trong bảng tuần hoàn
Phương pháp giải:
Phương pháp giải:
- Số thứ tự chu kì = Số lớp electron
- Số thứ tự nhóm:
- + Nếu electron cuối cùng điền vào phân lớp s hoặc p: Nhóm A
- + Số thứ tự nhóm A = Số electron lớp ngoài cùng
- + Nếu electron cuối cùng điền vào phân lớp d: Nhóm B (kim loại chuyển tiếp)
- Phân loại nguyên tố:
- + Khí hiếm: 8 electron lớp ngoài (trừ He có 2e)
- + Kim loại: 1, 2, 3 electron lớp ngoài
- + Phi kim: 5, 6, 7 electron lớp ngoài
Ví dụ:
Giải:
Cấu hình electron của X (Z=15): 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³
- Số lớp electron: 3 → X thuộc chu kì 3
- Số electron lớp ngoài cùng: 2 + 3 = 5 → X thuộc nhóm VA
- X có 5 electron lớp ngoài → X là phi kim (nguyên tố Photpho - P)
Giải:
- Chu kì 3 → Y có 3 lớp electron
- Nhóm VIIA → Y có 7 electron lớp ngoài cùng
Cấu hình electron: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵
Tổng số electron = 2 + 2 + 6 + 2 + 5 = 17
Vậy Z = 17 (nguyên tố Clo - Cl)
Giải:
Nguyên tố X:
- Chu kì 3, nhóm IIA → 3 lớp electron, 2 electron lớp ngoài
Cấu hình: 1s² 2s² 2p⁶ 3s²
Z(X) = 12 (Magie - Mg)
Nguyên tố Y:
- Chu kì 3, nhóm VIA → 3 lớp electron, 6 electron lớp ngoài
Cấu hình: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴
Z(Y) = 16 (Lưu huỳnh - S)
Dạng 3: Dạng 3: Bài toán thực tế về cấu hình electron
Phương pháp giải:
Phương pháp giải:
- Phân tích đề bài để xác định thông tin về cấu hình electron
- Viết cấu hình electron dựa trên các quy tắc
- Áp dụng kiến thức về electron hóa trị để giải thích tính chất
- Liên hệ với ứng dụng thực tế của nguyên tố
Ví dụ:
Giải:
Cấu hình electron của Na (Z=11): 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹
Na có 1 electron ở lớp ngoài cùng (3s¹). Electron này liên kết yếu với hạt nhân, dễ bị tách ra để tạo thành ion Na⁺ có cấu hình bền vững của khí hiếm (giống Ne).
Phản ứng: Na → Na⁺ + 1e⁻
Cấu hình Na⁺: 1s² 2s² 2p⁶ (bền vững)
Do đó, Na rất dễ nhường electron, phản ứng mạnh với nước và oxi trong không khí.
Giải:
Cấu hình electron của Ne (Z=10): 1s² 2s² 2p⁶
Ne có 8 electron ở lớp ngoài cùng (lớp L: 2s² 2p⁶), đây là cấu hình electron bền vững (quy tắc octet).
Với cấu hình bền vững này, Ne không có xu hướng nhận thêm hay nhường bớt electron, do đó không tham gia phản ứng hóa học trong điều kiện thường.
Tính trơ này làm cho Ne an toàn để sử dụng trong đèn quảng cáo, tạo ánh sáng màu đỏ cam đặc trưng khi có dòng điện chạy qua.