Cùng congthuctoanlyhoa khám phá Lý thuyết và Bài tập Cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử chi tiết, đầy đủ. Bài viết cung cấp cho các em cái nhìn sâu sắc về Chuyển động của electron trong nguyên tử, Lớp và phân lớp electron, Cấu hình electron nguyên tử và các bài tập về Cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử. Bài viết này sẽ hỗ trợ cho các em trong việc học tốt môn Hoá học lớp 10.
A/ Lý thuyết 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 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).
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, 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.
– Trong 1 orbital chỉ chứa tối đa 2 electron có chiều tự quay ngược nhau (nguyên lí loại trừ Pau – li).
+ Nếu orbital có 1 electron thì biểu diễn bằng 1 mũi tên đi lên.
+ Nếu orbital có 2 electron thì được 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:
2. Phân lớp electron
– Các phân lớp trong mỗi lớp electron được kí hiệu bằng các chữ cái viết thường, theo thứ tự: s, p, d, f.
– 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.
+ 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 được 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 px, py, pz
+ Phân lớp d: có 5 AO
+ Phân lớp f: có 7 AO
– Trong lớp electron thứ n có n2 AO (n ≤ 4)
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 22 AO.
III. Cấu hình electron nguyên tử
– Cấu hình electron 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 AO có mức năng lượng từ thấp đến cao (nguyên lí vững bền).
– Trong cùng một phân lớp, các electron sẽ phân bố trên các AO 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 và số electron trong mỗi lớp và mỗi phân lớp.
– Quy ước cách biểu diễn sự phân bố electron trên các phân lớp thuộc các lớp như sau:
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…
– Bước 3: Điền các electron vào phân lớp theo nguyên lí vững bền cho đến electron cuối cùng
Ví dụ: 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 năng lượng.
– Điền các electron: 1s22s22p4, có thể thay 1s2 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 Mg (Z = 12): 1s22s22p63s2 có thể được biểu diễn theo AO như sau:
3. Đặc điểm electron lớp ngoài cùng của nguyên tử
– Các electron lớp 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 ở lớp ngoài cùng là nguyên tử của nguyên tố khí hiếm (trừ He có 2 electron ở lớp ngoài cùng).
+ Các nguyên tử có 1, 2, 3 electron ở lớp ngoài cùng thường là nguyên tử của các nguyên tố kim loại (trừ H, He, B).
+ 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.
A/ Bài tập Cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử
Bài 1: Trong nguyên tử các electron chuyển động như thế nào? Sự sắp xếp các electron ở các lớp, các phân lớp tuân theo nguyên lí và quy tắc nào?
Phương pháp giải:
– Electron chuyển động rất nhanh, không theo quỹ đạo xác định
– Electron sắp xếp thành từng lớp và phân lớp theo năng lượng từ thấp đến cao
Lời giải chi tiết:
– Trong nguyên tử, electron luôn chuyển động rất nhanh quanh hạt nhân, không theo quỹ đạo xác định và sắp xếp thành từng lớp, mỗi lớp có một số electron nhất định
– Các electron trong nguyên tử ở trạng thái cơ bản lần lượt chiếm các orbital có mức năng lượng từ thấp đến cao (nguyên lí vững bền)
– Trong cùng 1 phân lớp, các electron sẽ phân bổ 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).
Bài 2: Mô hình hiện đại mô tả sự chuyển động của electron trong nguyên tử như thế nào?
Phương pháp giải:
Electron chuyển động rất nhanh, không theo quỹ đạo xác định
Lời giải chi tiết:
Theo mô hình hiện đại, trong nguyên tử, electron chuyển động rất nhanh, không theo quỹ đạo xác định. Người ta có thể xác định được vùng không gian xung quanh hạt nhân mà ở đó xác suất có mặt electron là lớn nhất (khoảng 90%)
Bài 3: Hãy cho biết tổng số electron tối đa chứa trong
a) Phân lớp p
b) Phân lớp d
Phương pháp giải:
a) Phân lớp p có 3 orbital
b) Phân lớp d có 5 orbital
=> Mỗi orbital chứa tối đa 2 electron
Lời giải chi tiết:
a) Phân lớp p có 3 AO px, py, pz. Trong đó mỗi AO chứa tối đa 2 electron
=> Số electron tối đa chứ trong phân lớp p = 3 x 2 = 6 electron
b) Phân lớp d có 5 AO. Trong đó mỗi AO chứa tối đa 2 electron
=> Số electron tối đa chứ trong phân lớp d = 5 x 2 = 10 electron
Vậy là các em đã tìm hiểu xong bài học về Lý thuyết và Bài tập Cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử. Mong các em sẽ học ngày càng tốt hơn nữa môn Hoá học 10.