Bài 4: 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.

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 orbital 2p_x, 2p_y, 2p_z; các electron của các orbital 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

- Nguyên lí vững bền: Ở trạng thái cơ bản, các electron trong nguyên tử chiếm lần lượt những orbital có năng lượng từ thấp đến cao: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p ...

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 orbital

 - Nguyên lí Pauli: Mỗi orbital chỉ chứa tối đa 2 electron và có chiều tự quay ngược nhau.

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

n	Tên lớp	Tên phân lớp	Số AO trong mỗi phân lớp	Số electron tối đa trong mỗi phân lớp	Số electron tối đa trong mỗi lớp
1	K	s	1	2	2
2	L	s p	1 3	2 6	8
3	M	s p d	1 3 5	2 6 10	18
4	N	s p d f	1 3 5 7	2 6 10 14	32

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

- Số electron tối đa trong lớp n là 2n² (n ≤ 4).

4. Quy tắc Hund

- Các phân lớp s², p⁶, d¹⁰, d¹⁴ chứa đủ số electron tối đa gọi là phân lớp bão hoà.

- Các phân lớp s¹, p³, d⁵, f⁷ chứa một nửa số electron tối đa gọi là phân lớp nửa bão hoà.

- Các phân lớp chứa đủ số electron tối đa gọi là phân lớp chưa bão hoà.

Sự phân bố electron vào các AO trong phân lớp p

- Quy tắc Hund: Trong cùng một phân lớp chưa bão hoà, các electron sẽ phân bố vào các orbital sao cho số electron độc thân là tối đa.

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.

- Quy ước cách biểu diễn sự phân bố electron trên các phân lớp thuộc các lớp như sau:

- Cách viết cấu hình electron:

Bước 1: Xác định số electron của nguyên tử.

Bước 2: Các electron được phân bố theo thứ tự các AO có mức năng lượng tăng dần, theo các nguyên lí và quy tắc phân bố electron trong nguyên tử.

Bước 3: Viết cấu hình electron theo thứ tự các phân lớp trong một lớp và theo thứ tự của các lớp electron.

Ví dụ 2: Viết cấu hình electron 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 của năng lượng:

1s 2s 2p 3s 3p 4s ...

- Điền các electron: 1s²2s²2p⁴ (bỏ phần thừa 3s 3p 4s).

- Có thể thay 1s² bằng kí hiệu [He]. Cấu hình electron của nguyên tử O là 1s²2s²2p⁴ hoặc [He]2s²2p⁴.

Cấu hình electron theo ô orbital của oxygen:

 

6. Đặc điểm cấu hình electron lớp ngoài cùng của nguyên tử

- Khi tham gia các phản ứng hoá học, thông thường electron lớp ngoài cùng của các nguyên tử sẽ thay đổi, chúng có vai trò quyết định đến tính chất hoá học đặc trưng của nguyên tố (tính kim loại, tính phi kim,...).

- 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).

1. Lớp electron: chứa các electron có mức năng lượng gần bằng nhau.

2. Phân lớp electron: chứa các electron có mức năng lượng bằng nhau.

3. Số orbital trong một phân lớp: s (1); p (3); d (5); f (7) và số orbital trong một lớp n² (n ≤ 4).

4. Cấu hình electron của nguyên tử tuân theo nguyên lí Pauli, nguyên lí vững bền và quy tắc Hund.

5. 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.

 6. 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.