Bài 3: Cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử

I. Chuyển động của electron trong nguyên tử

Đến 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 xoay quanh mặt trời.

Mô hình hành tinh nguyên tử

Mô hình hành tinh nguyên tử đã có ảnh hưởng rất lớn, thúc đẩy sự phát triển lý thuyết cấu tạo nguyên tử, nhưng không đầy đủ để giải thích nhiều tính chất của nguyên tử.

Theo mô hình hiện đại, trong nguyên tử, electron chuyển động rất nhanh, không theo quỹ đạo xác định. Tuy nhiên người ta vẫn có thể xác định được vùng không gian xung quanh hạt nhân mà ở đó xác suất có mặt electron là lớn nhất. Vùng không gian xung quanh hạt nhân tìm thấy electron có thể hình dung như một đám mây electron, được gọi là orbital nguyên tử. Orbital nguyên tử được kí hiệu là AO (Atomic orbital).

Mô hình đám mây electron của nguyên tử hydrogen

1. Hình dạng orbital nguyên tử

Khi chuyển động trong nguyên tử, các electron có những mức năng lượng khác nhau đặc trưng cho trạng thái chuyển động của nó.

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

Hình dạng orbital s và p

2. Ô orbital

Một AO được biểu diễn bằng một ô vuông, gọi là ô orbital \(◻.\)

Trong 1 orbital chỉ chứa tối đa 2 electron có chiều tự quay ngược nhau (nguyên lí loại trừ Pauli). Nếu orbital có 1 electron thì biểu diễn bằng 1 mũi tên đi lên, nếu orbital có 2 electron thì biểu diễn bằng 2 mũi tên ngược chiều nhau, mũi tên đi lên viết trước.

II. Lớp và phân lớp electron

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

1. Lớp electron

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

Các electron thuộc cùng 1 lớp có mức năng lượng gần bằng nhau.

Người ta thường đánh 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:

n                   1          2          3          4          5          6          7

Tên lớp         K         L          M         N          O         P          Q

2. Phân lớp electron

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

Các electron trên cùng 1 phân lớp có mức năng lượng bằng nhau.

Số phân lớp trong mỗi lớp bằng số thứ tự của lớp \(\left(n\le4\right)\):

• 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 2 phân lớp, được kí hiệu là 2s và 2p.
• Lớp thứ ba (lớp M, với n = 3) có 3 phân lớp, được kí hiệu là 3s, 3p và 3d.
• Lớp thứ tư (lớp N, với n = 4) có 4 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 orbital 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 \(n^2\) AO \(\left(n\le4\right)\).

Ví dụ: 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 \(2^2\) AO.

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.

Các electron trong nguyên tử ở trạng thái cơ bản lần lượt chiếm các orbital có năng lượng từ thấp đến cao (nguyên lí vững bền).

Trong cùng một phân lớp, các electron sẽ phân bố trên các orbital sao cho số electron độc thân là tối đa và các electron này có chiều tự quay giống nhau (quy tắc Hund).

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

1. Viết cấu hình electron của 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: 1s 2s 2p 3s 3p 4s ...
• Điền các electron vào phân lớp theo nguyên lí vững bền cho đến electron cuối cùng. 

        Ví dụ: viết cấu hình e của nguyên tử oxygen (Z = 8)

                  Tổng số electron của nguyên tử O là 8, viết thứ tự các lớp và phân lớp electron đến phân lớp 4s theo chiều tăng năng lượng. Điền các                          electron \(1s^22s^22p^4\), có thể thay \(1s^2\) bằng kí hiệu [He]. Electron cuối cùng điền vào phân lớp p nên oxygen là nguyên tố p.

Cấu hình electron của 20 nguyên tố đầu tiên trong bảng tuần hoàn

2. Biểu diễn cấu hình electron theo ô orbital

Ví dụ: cấu hình electron của nguyên tử nitrogen có Z = 7: \(1s^22s^22p^3\) có thể được biểu diễn theo ô orbital như sau:

2 ô orbital 1s và 2s có đủ 2 electron được biểu diễn bằng 2 mũi tên ngược chiều nhau (nguyên lí Pauli). 3 electron còn lại được sắp xếp vào 3 ô orbital 2p bằng 3 mũi tên đi lên để số electron độc thân là tối đa (quy tắc Hund).

3. Đặc điểm của lớp electron ngoài cùng

Các electron ngoài cùng quyết định tính chất hóa học cơ bản của nguyên tố (kim loại, phi kim, khí hiếm).

Các nguyên tử có 8 electron lớp ngoài cùng đều rất bền vững, chúng hầu như không tham gia vào các phản ứng hóa học, đó là các nguyên tử khí hiếm (riêng He có số e lớp ngoài cùng là 2).

Các nguyên tố mà nguyên tử có 1,2, 3 electron lớp ngoài cùng là kim loại (trừ H, He, B).

Các nguyên tố mà nguyên tử có 5, 6, 7 electron lớp ngoài cùng thường là phi kim.

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

Trong quá trình học tập, nếu có bất kỳ thắc mắc nào, các em hãy để lại câu hỏi ở mục hỏi đáp để cùng thảo luận và trả lời nhé. Chúc các em học tốt!