Bài 3: Cấu trúc lớp vỏ electron của nguyển tử

I. Chuyển động của electron trong nguyên tử

- Theo mô hình nguyên tử của Rutherford – Bohr: Các electron chuyển động trên những quỹ đạo hình tròn hay bầu dục xác định xung quanh hạt nhân

- Theo mô hình hiện đại: Các electron chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân không theo một quỹ đạo xác định, tạo thành hình đám mây electron

II. Orbital nguyên tử (AO)

- Khái niệm: 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 AO được biểu diễn bằng một ô vuông, gọi là ô orbital

+ Nguyên lí loại trừ Pauli: Trong 1 orbital chỉ chứa tối đa 2 electron có chiều tự quay ngược nhau

+ Nếu orbital có 1 electron thì biểu diễn \(\boxed{{ \uparrow ^{}}}\)

+ Nếu orbital có 2 electron thì biểu diễn \(\boxed{ \uparrow  \downarrow }\)

- Một số AO thường gặp và hình dạng:

III. Lớp và phân lớp electron

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

a. Lớp electron

- Các electron thuộc cùng một lớp có năng lượng gần bằng nhau

- Lớp electron được kí hiệu là các số thứ tự 1, 2, 3…, 7 với tên gọi là các chữ in hoa như sau:

b. Phân lớp electron

- Mỗi lớp electron phân chia thành các phân lớp, được kí hiệu bằng các chữ cái thường: s, p, d, f

- Các electron thuộc các phân lớp s, p, d, f được gọi tương ứng là các electron s, electron p, electron d, electron f

- Các electron thuộc 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. Cụ thể

+ Lớp thứ nhất (lớp K, n=1) có 1 phân lớp s

+ Lớp thứ hai (lớp L, n=2) có 2 phân lớp s, p

+ Lớp thứ ba (lớp M, n=3) có 3 phân lớp s, p, d

+ Lớp thứ tư (lớp N, n=4) có 4 phân lớp s, p, d, f

- Số electron của phân lớp được ghi bằng số ở phía bên phải của phân lớp (s², p⁶)

c. Số electron tối đa trong một phân lớp, trong một lớp

- Số electron tối đa trong một phân lớp

+ Phân lớp đã đủ số electron tối đa gọi là phân lớp electron bão hòa.

- Số electron tối đa trong một lớp

+ Lớp electron đã đủ số electron tối đa gọi là lớp electron bão hòa

+ Lớp electron bão hòa khi các phân lớp trong lớp đó đã bão hòa

IV. Cấu hình electron của nguyên tử

a. Khái niệm

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

b. Các nguyên lý, quy tắc áp dụng cho việc viết cấu hình electron

- Nguyên lý vững bền: Các electron nguyên tử ở trạng thái cơ bản lần lượt chiếm các mức năng lượng từ thấp đến cao

- Nguyên lý Pauli: Trên 1 orbital nguyên tử chứa tối đa 2 electron và có chiều tự quay khác chiều nhau xung quanh trục riêng của mỗi electron

- Quy tắc Hund: Trong cùng 1 phân lớp, các electron điền vào các orbital sao cho số electron độc thân là lớn nhất

c. Cách viết cấu hình electron nguyên tử

- Bước 1: Xác định số electron trong nguyên tử

- Bước 2: Viết thứ tự các lớp và phân lớp electron theo chiều tăng của năng lượng:

- Bước 3: Điền các electron vào các phân lớp theo nguyên lý vững bền cho đến electron cuối cùng

Ví dụ: Viết cấu hình electron của nguyên tử K (Z=19)

- Bước 1: Tổng số electron của nguyên tử K là 19

- Bước 2: Viết thứ tự các lớp và phân lớp electron đến phân lớp 4s theo chiều tăng của năng lượng: 1s2s2p3s3p4s

- Bước 3: Điền các electron: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹

d. Biểu diễn cấu hình electron theo ô orbital

- Ý nghĩa: Biểu diễn cấu hình electron theo ô orbital là một cách biểu diễn sự phân bố electron theo orbital, từ đó biết được số electron độc thân của nguyên tử

- Cách biểu diễn:

+ Bước 1: Viết cấu hình electron của nguyên tử

+ Bước 2: Biểu diễn mỗi AO bằng một ô vuông, các AO trong cùng phân lớp thì viết liền nhau, câc AO khác phân lớp thì viết tách nhau. Thứ tự các ô orbital từ trái sang phải theo thứ tự như ở cấu hình electron

+ Bước 3: Điền electron vào từng ô orbital theo thứ tự lớp và phân lớp, mỗi electron biểu diễn bằng một mũi tên. Trong mỗi phân lớp, electron được phân bố sao cho số electron độc thân là lớn nhất, electron được điền vào các ô orbital theo thứ tự từ trái sang phải. Trong một ô orbital, electron đầu tiên được biểu diễn bằng mũi tên quay lên, electron thứ hai được biểu diễn bằng mũi tên quay xuống

Ví dụ: Biểu diễn cấu hình theo ô orbital của C

+ Bước 1: Cấu hình electron của C: 1s²2s²2p²

+ Bước 2: Biểu diễn AO

+ Bước 3: Điền electron vào từng ô orbital

Như vậy, nguyên tử carbon có 2 electron độc thân thuộc AO 2p

V. Dự đoán tính chất hóa học cơ bản của nguyên tố dựa theo cấu hình electron

- Nguyên tố mà nguyên tử đủ 8 electron lớp ngoài cùng là khí hiếm (trừ He)

- Nguyên tố mà nguyên tử có 1, 2, 3 electron lớp ngoài cùng thường là nguyên tố kim loại

- Nguyên tố mà nguyên tử có 5, 6, 7 electron lớp ngoài cùng thường là nguyến tố phi kim