cấu hình electron của nguyên tử, hóa học phổ thông

Cấu hình electron của nguyên tử

Cấu hình electron của nguyên tử là chuỗi số đại diện cho các obitan electron. Obitan electron là các khu vực không gian có hình dạng khác nhau bao quanh hạt nhân nguyên tử, trong đó các electron được sắp xếp một cách trật tự. Qua cấu hình electron bạn có thể nhanh chóng xác định được có bao nhiêu obitan electron trong nguyên tử, và số electron trong từng obitan. Một khi hiểu được các nguyên lý cơ bản của cấu hình electron, bạn sẽ tự viết được cấu hình electron và có thể làm các bài kiểm tra hóa học một cách tự tin.

I. Thứ tự các mức năng lượng trong nguyên tử

– Các electron trong nguyên tử ở trạng thái cơ bản lần lượt chiếm các mức năng lượng từ thấp đến cao.

– Từ trong ra ngoài, mức năng lượng của các lớp tăng theo thứ tự từ 1 đến 7 và năng lượng của phân lớp theo thứ tự s, p, d, f.

Hình 1.10 sơ đồ phân bố năng lượng ở các lớp và các phân lớp

– Khi điện tích hạt nhân tăng, có sự chèn mức năng lượng nên mức năng lượng 4s thấp hơn 3d.

– Thứ tự sắp xếp mức năng lượng (phân mức năn lượng): 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s…

– Thứ tự các lớp electron: 1s 2s 2p 3s 3p 3d 3f 4s 4p 4d 4f…

II. Cấu hình Electron nguyên tử

1. Cấu hình Electron nguyên tử

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

• Quy ước cách viết cấu hình electron nguyên tử:

– Số thứ tự lớp electron được ghi bằng chữ số (1, 2, 3,…)

– Phân lớp được ghi bằng các chữ cái thường (s, p, d, f).

– Số electron trong một phân lớp được ghi bằng số ở phía trên bên phải của phân lớp (s²,p⁵,…)

• Cách viết cấu hình electron nguyên tử bao gồm các bước:

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

– Bước 2: Các electron được phân bố lần lượt vào các phân lớp theo chiều tăng của năng lượng trong nguyên tử (1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s…) và tuân theo quy tắc sau:

•  Phân lớp s chứa tối đa 2 electron;
•  Phân lớp p chứa tối đa 6 electron;
•  Phân lớp d chứa tối đa 10 electron;
•  Phân lớp f chứa tối đa 14 electron.

– Bước 3: Viết cấu hình electron biểu diễn sự phân bố electron trên các phân lớp thuộc các lớp khác nhau.

• Một số lưu ý khi viết cấu hình electron:

– Cần xác định đúng số e của nguyên tử hay ion (số electron(e) = số proton(p) = Z).

– Nắm vững các nguyên lí và quy tắc, kí hiệu của lớp và phân lớp.

– Quy tắc bão hòa và bán bão hòa trên d và f: Cấu hình e bền khi các e điền vào phân lớp d và f đạt bão hòa (d, f) hoặc bán bão hòa (d, f).

* Ví dụ: Viết cấu hình e nguyên tử của các nguyên tố sau:

° Nguyên tử Hidro có Z = 1, có 1e ⇒ Cấu hình electron của nguyên tử H là: 1s¹

° Nguyên tử Heli có Z = 2, có 2e  ⇒ Cấu hình electron của nguyên tử H là: 1s² đã bão hòa.

° Nguyên tử Liti có Z = 3, có 3e ⇒ Cấu hình electron của nguyên tử H là: 1s²2s¹

° Nguyên tử Neon có Z = 10, có 10e ⇒ Cấu hình electron của nguyên tử Ne là: 1s²2s²2p⁶

° Nguyên tử Clo có Z = 17, có 17e ⇒ Cấu hình electron của nguyên tử Cl là: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵

– Cấu hình electron viết gọn của Clo: [Ne]3s²3p⁵

– Electron cuối cùng của Clo điền vào phân lớp p ⇒ Clo là nguyên tố p.

– [Ne] là ký hiệu cấu hình e của nguyên tử Neon, là khí hiếm gần nhất đứng trước Clo.

° Nguyên tử sắt Fe có Z = 26, có 26e ⇒ Cấu hình electron của nguyên tử Fe là: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁶

– Cấu hình electron viết gọn của Fe: [Ar]3d⁶4s²

– Electron cuối cùng của Fe điền vào phân lớp d ⇒ Sắt (Fe) là nguyên tố d.

• Cách xác định nguyên tố s, p, d, f:

– Nguyên tố s: có electron cuối cùng điền vào phân lớp s

– Nguyên tố p: có electron cuối cùng điền vào phân lớp p

– Nguyên tố d: có electron cuối cùng điền vào phân lớp d

– Nguyên tố f: có electron cuối cùng điền vào phân lớp f

* Lưu ý trường hợp đặc biệt: Các nguyên tố có cấu hình nguyên tử bán bão hòa:

– Cr (Z = 24) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁴4s² chuyển thành 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹.

– Cu (Z = 29) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁹4s² chuyển thành 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹.

2. Cấu hình electron nguyên tử của 20 nguyên tố đầu

3. Đặc điểm của electron lớp ngoài cùng của nguyên tử

– Đối với nguyên tử của tất cả các nguyên tố, lớp electron ngoài cùng có nhiều nhất là 8 electron.

– Các nguyên tử có 1, 2, 3 electron ở lớp ngoài cùng và nguyên tử heli không tham gia vào các phản ứng há học ( trừ 1 số điều kiện đặc biệt) ví cấu hình electron của các nguyên tử này rất bền. Đó là các nguyên tố khí hiếm chỉ có một nguyên tử.

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

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

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

⇒ Như vậy, lớp electron ngoài cùng quyết định tính chất hóa học của một nguyên tố, và khi biết cấu hình electron của nguyên tử có thể dự đoán được loại nguyên tố.

Mối quan hệ giữa cấu hình e với vị trí của nguyên tố

Giữa cấu hình electron nguyên tử và vị trí của nguyên tố trong bảng tuần hoàn có mối quan hệ qua lại với nhau. Dựa vào cấu hình electron nguyên tử của nguyên tố có thể xác định được vị trí của nguyên tố đó trong bảng tuần hoàn và ngược lại. Cụ thể như sau:

– Số thứ tự ô nguyên tố = tổng số e của nguyên tử.

– Số thứ tự chu kì = số lớp e.

– Số thứ tự nhóm:

+ Nếu cấu hình e lớp ngoài cùng có dạng ns^anp^b (a = 1 → 2 và b = 0 → 6): Nguyên tố thuộc nhóm (a + b)A.

+ Nếu cấu hình e kết thúc ở dạng (n – 1)d^xns^y (x = 1 → 10; y = 1 → 2): Nguyên tố thuộc nhóm B:

* Nhóm (x + y)B nếu 3 ≤ (x + y) ≤ 7.

* Nhóm VIIIB nếu 8 ≤ (x + y) ≤ 10.

* Nhóm (x + y – 10)B nếu 10 < (x + y).

Mối quan hệ giữa cấu hình e và tính chất nguyên tố

Dựa vào cấu hình electron nguyên tử của nguyên tố có thể xác định được một số tính chất đặc trưng của nguyên tố đó. Cụ thể là:

1. Loại nguyên tố

– Nguyên tử có 1, 2, 3 e ở lớp ngoài cùng: là nguyên tố kim loại (trừ H, He).

– Nguyên tử có 5, 6, 7 e ở lớp ngoài cùng: thường là nguyên tố phi kim.

– Nguyên tử có 8e ở lớp ngoài cùng: là nguyên tố khí hiếm (cả trường hợp He có 2e).

– Nguyên tử có 4e ở lớp ngoài cùng là phi kim nếu thuộc chu kì 2, 3 và là kim loại nếu thuộc các chu kì khác.

2. Công thức một số loại hợp chất và tính chất của hợp chất đó

Nếu nguyên tố R thuộc nhóm nA:

– Hóa trị trong oxit cao nhất là n → công thức oxit cao nhất là R₂O_n.

– Hóa trị trong hợp chất khí với H (chỉ áp dụng với phi kim) là (8 – n) → công thức hợp chất khí với H là RH_8-n.

– Công thức hidroxit cao nhất: R(OH)_n (nếu n < 4 thì giữ nguyên công thức; nếu n > 3 thì chuyển thành dạng axit H_nRO_n và tối giản công thức bằng cách bớt đi số phân tử H₂O phù hợp).

– Nếu n < 4: oxit và hidroxit cao nhất thường có tính bazơ; nếu n > 3: oxit và hidroxit cao nhất thường có tính axit.

Bảng cấu hình electron của các nguyên tố