Cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử

I. Chuyển động của electron trong nguyên tử

Đầu thế kỉ XX, người ta vẫn cho rằng các electron chuyển động xung quanh hạt nhân nguyên tử theo những quỹ đạo tròn hay bầu dục, giống như quỹ đạo của các hành tinh quay xung quanh Mặt Trời.

Mô hình hành tinh nguyên tử Nitrogen

Theo mô hình hiện đại, trong nguyên tử, electron chuyển động rất nhanh, không theo quỹ đạo xác định. Vùng không gian xung quanh hạt nhân có xác suất tìm thấy electron là lớn nhất (khoảng 90%) và có thể hình dung vùng không gian đó như một đám mây electron, được gọi là orbital nguyên tử (kí hiệu là AO).

Mô hình đám mây electron của nguyên tử hydrogen

1. Hình dạng orbital nguyên tử

Dựa trên sự khác nhau về hình dạng, sự định hướng của orbital trong nguyên tử để phân loại orbital thành orbital s, orbital p, orbital d và orbital f. Các orbital s có dạng hình cầu và orbital p có dạng hình số 8 nổi.

2. Ô orbital

Một AO được biểu diễn bằng một ô vuông, gọi là ô orbital .

• Một orbital chỉ chứa tối đa 2 electron ⇒ 2 electron này gọi là cặp electron ghép đôi.
• Nếu orbital có 1 electron thì biểu diễn bằng một mũi tên đi lên ⇒ 1 electron này gọi là electron độc thân.
• Nếu AO không chứa electron nào ⇒ gọi là AO trống.

II. Lớp và phân lớp electron

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

1. Lớp electron

Những electron ở lớp gần hạt nhân bị hút mạnh hơn về phía hạt nhân, vì thế có năng lượng thấp hơn so với những electron ở lớp xa hạt nhân.

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

Số thứ tự lớp từ trong ra ngoài và được biểu thị bằng các số nguyên n = 1, 2, 3, …, 7 với tên gọi là các chữ cái in hoa như sau:

2. Phân lớp electron

Các phân lớp trong mỗi lớp electron được kí hiệu bằng các chữ cái thường, theo thứ tự: s, p, d, f.

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

Số phân lớp trong mỗi lớp bằng số thứ tự của lớp (n ≤ 4):

• Lớp thứ nhất (lớp K, với n = 1) có một phân lớp, được kí hiệu là 1s.
• Lớp thứ hai (lớp L, với n = 2) có hai phân lớp, được kí hiệu là 2s và 2p.
• Lớp thứ ba (lớp M, với n = 3) có ba phân lớp, được kí hiệu là 3s, 3p và 3d.
• Lớp thứ tư (lớp N, với n = 4) có bốn phân lớp, được kí hiệu là 4s, 4p, 4d và 4f.

Các electron ở phân lớp s gọi là electron s, các electron ở phân lớp p gọi là electron p, …

3. Số lượng orbital trong một phân lớp, trong một lớp

Trong một phân lớp, các orital có cùng mức năng lượng.

• Phân lớp s có 1 AO s:

• Phân lớp p có 3 AO p_x, p_y, p_z:

• Phân lớp d có 5 AO:

• Phân lớp f có 7 AO:

Trong lớp electron thứ n có n² AO (n ≤ 4).

Ví dụ 1: Lớp L (n = 2) có 2 phân lớp 2s và 2p. Trong đó, phân lớp 2s có 1 AO, phân lớp 2p có 3 AO nên tổng số orbital trong lớp L là:

1 + 3 = 4 hay 2² AO.

Ví dụ 2: Cho biết tổng số electron tối đa trong các phân lớp s, p, d và f.

Hướng dẫn:

Trong 1 orbital chỉ chứa tối đa 2 electron.

Phân lớp s có 1 AO → Số electron tối đa trong phân lớp s là: 1.2 = 2.

Phân lớp p có 3 AO → Số electron tối đa trong phân lớp p là: 3.2 = 6.

Phân lớp d có 5 AO → Số electron tối đa trong phân lớp d là: 5.2 = 10.

Phân lớp f có 7 AO → Số electron tối đa trong phân lớp f là: 7.2 = 14.

Ví dụ 3: Lớp electron có số electron tối đa gọi là lớp electron bão hòa. Tính tổng số electron tối đa trong mỗi lớp L và M.

Hướng dẫn

Lớp L (n = 2) có hai phân lớp 2s và 2p, có n² = 2² = 4 AO.

→ Tổng số electron tối đa trong lớp L là: 4.2 = 8 (electron).

Lớp M (n = 3) có ba phân lớp 3s, 3p và 3d, có n² = 3² = 9 AO.

→ Tổng số electron tối đa trong lớp M là: 9.2 = 18 (electron).

III. Cấu hình electron của nguyên tử

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

Cấu hình electron của nguyên tử cho biết số lớp electron, thứ tự phân lớp electron và số electron trong mỗi lớp và mỗi phân lớp.

Cấu hình electron nguyên tử Hydrogen

1. Viết cấu hình electron của nguyên tử

Ví dụ 1: Viết cấu hình electron của nguyên tử nitrogen (Z = 7).

Hướng dẫn

Tổng số electron của nguyên tử N là 7.

Viết thứ tự các lớp và phân lớp electron: 1s²2s²2p³.

Có thể thay 1s² bằng kí hiệu [He]. Cấu hình electron của nguyên tử N là 1s²2s²2p³ hoặc [He]2s²2p³ hoặc (2, 5).

Electron cuối cùng điền vào phân lớp p nên nitrogen là nguyên tố p.

Ví dụ 2: Viết cấu hình electron của nguyên tử Potassium (Z = 19).

Hướng dẫn

Tổng số electron của nguyên tử K là 19.

Viết thứ tự các lớp và phân lớp electron: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹.

Có thể thay 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ bằng kí hiệu [Ar]. Cấu hình electron của nguyên tử K là 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹ hoặc [Ar]4s¹ hoặc (2, 8, 8, 1).

Electron cuối cùng điền vào phân lớp s nên potassium là nguyên tố s.

2. Biểu diễn cấu hình electron theo ô orbital

Ví dụ: Cho các nguyên tố Sulfur (S) (Z= 16), Iron (Fe) (Z = 26). Viết cấu hình electron nguyên tử của các nguyên tố trên?. Biểu diễn cấu hình electron theo ô ô orbital.

Hướng dẫn

• Nguyên tố S (Z = 16):

Cấu hình electron: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴ hoặc [Ne]3s²3p⁴

Biểu diễn theo ô orbital

• Nguyên tố Fe (Z = 26)

Cấu hình electron:

Năng lượng: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁶ hoặc [Ar]4s²3d⁶

Cấu hình e: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s² hoặc [Ar]3d⁶4s²

Biểu diễn theo ô orbital

3. Đặc điểm của lớp electron ngoài cùng

Dựa vào đặc điểm về cấu hình electron lớp ngoài cùng để dự đoán tính chất hóa học cơ bản của nguyên tố:

• Nguyên tố mà nguyên tử đủ 8 electron lớp ngoài cùng là khí hiếm (trừ He).
• guyên tố mà nguyên tử có 1, 2, 3 electron lớp ngoài cùng thường là nguyên tố kim loại.
• Các nguyên tố mà nguyên tử có 4 electron lớp ngoài cùng có thể là kim loại hoặc phi kim.
•  Nguyên tố mà nguyên tử có 5, 6, 7 electron lớp ngoài cùng thường là nguyên tố phi kim.

Ví dụ: Nguyên tử nguyên tố X có Z = 17.

Hướng dẫn

Cấu hình electron của nguyên tử X là: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵ hoặc [Ne]3s²3p⁵.

Nguyên tử nguyên tố X có 7 electron lớp ngoài cùng

→ X là nguyên tố phi kim.