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, các electron chuyển động trên những quỹ đạo hình tròn hay bầu dục xác định xung quanh hạt nhân.

Mô hình hành tinh nguyên tử của Rutherford, Bohr

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.

Mô hình đám mây electron của nguyên tử hydrogen

2. Orbital nguyên tử

Các electron chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân với xác suất tìm thấy không giống nhau, tạo thành đám mây electron.

Khu vực không gian xung quanh hạt nhân mà tại đó xác suất có mặt (xác suất tìm thấy) electron khoảng 90% gọi là orbital nguyên tử.

Dựa trên sự khác nhau về hình dạng và sự định hướng trong không gian của các orbital, người ta phân loại thành orbital s, orbital p, orbital d và orbital f.

Hình dạng AO s và AO p

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

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.

Minh hoạ các lớp electron ở vỏ nguyên tử

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 là 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.

Kí hiệu một số lớp và phân lớp electron trong nguyên tử

III. Cấu hình electron nguyên tử

1. Nguyên lí vững bền

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

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

Ví dụ 1: Phân lớp 2p có 3 AO 2px, 2py, 2pz; 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.

Mối quan hệ về mức năng lượng của các orbital trong những phân lớp khác nhau

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 tương ứng với một AO. Mỗi AO chứa tối đa 2 electron.
• Nếu trong AO chỉ chứa một electron thì gọi electron dó là electron độc thân (kí hiệu bởi một mũi tên hướng lên ↑).
• Nếu AO chứa đủ hai electron thì các electron đó gọi là electron ghép đôi (kí hiệu bởi hai mũi tên ngược chiều nhau ↑↓).

Cách biểu diễn hai electron trong 1 orbital

3. Số AO và số electron tối đa trong một phân lớp và trong mỗi lớp

Bảng Số AO và số electron tối đa của các lớp n = 1 đến n = 4

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.

4. 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.

Sự phân bố electron vào các AO trong phân lớp p

5. 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:

Ví dụ: Viết cấu hình electron của nguyên tử oxygen (Z = 8).

O (Z = 8) thứ tự mức năng lượng orbital: 1s²2s²2p⁴

hoặc viết gọn là: [He]2s²2p⁴.

Cấu hình electron theo ô orbital của oxygen:

6. Đặc điểm cấu hình 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 tố có 1, 2, 3 electron ở lớp ngoài cùng thường là nguyên tử của các nguyên tố kim loại.
• 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).

Ví dụ:  Viết được cấu hình electron nguyên tử của nguyên tố hóa học nitrogen và aluminium  dự đoán được tính chất hóa học cơ bản của chúng.

Hướng dẫn 

Cấu hình electron nguyên tử của nitrogen (Z = 7) là 1s²2s²2p³.

⇒ Lớp ngoài cùng có 5 electron.

⇒ Nitrogen là phi kim.

Cấu hình electron nguyên tử của aluminium (Z = 13) là 1s²2s²2p⁶3s²3p¹.

⇒ Lớp ngoài cùng có 3 electron.

⇒ Aluminium là kim loại.