Hoá học 10 · Cấu tạo nguyên tử
Cấu trúc lớp vỏ electron và cấu hình electron
Orbital nguyên tử, lớp và phân lớp electron, các nguyên lí điền electron và cách viết cấu hình electron của 20 nguyên tố đầu tiên.
Orbital nguyên tử
Theo mô hình hiện đại, electron chuyển động rất nhanh quanh hạt nhân, không theo quỹ đạo xác định. Orbital nguyên tử là khu vực không gian xung quanh hạt nhân mà xác suất có mặt electron là lớn nhất (khoảng 90%).
- Orbital s có dạng hình cầu.
- Orbital p có dạng hình số tám nổi, gồm ba orbital định hướng theo ba trục.
- Mỗi orbital chứa tối đa 2 electron có chiều tự quay ngược nhau (nguyên lí Pauli).
Lớp và phân lớp electron
Các electron có năng lượng gần bằng nhau xếp thành một lớp. Lớp thứ n (n = 1, 2, 3, 4) lần lượt kí hiệu K, L, M, N; lớp càng gần hạt nhân năng lượng càng thấp.
| Lớp | Phân lớp | Số electron tối đa |
|---|---|---|
| K (n = 1) | 1s | 2 |
| L (n = 2) | 2s, 2p | 8 |
| M (n = 3) | 3s, 3p, 3d | 18 |
| N (n = 4) | 4s, 4p, 4d, 4f | 32 |
Phân lớp s có 1 orbital (tối đa 2 electron), p có 3 orbital (6 electron), d có 5 orbital (10 electron), f có 7 orbital (14 electron). Lớp thứ n có tối đa 2n² electron.
Quy tắc viết cấu hình electron
- Nguyên lí vững bền: electron điền vào các orbital có năng lượng từ thấp đến cao theo thứ tự 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s…
- Nguyên lí Pauli: mỗi orbital chứa tối đa 2 electron ngược chiều.
- Quy tắc Hund: trong cùng một phân lớp, electron phân bố sao cho số electron độc thân là tối đa.
Ví dụ: sodium (Z = 11) có cấu hình 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹, viết gọn [Ne] 3s¹; iron (Z = 26) có cấu hình [Ar] 3d⁶ 4s².
🧪 Thí nghiệm ảo – mô phỏng
- Kéo thanh Z từ 1 đến 20 và quan sát electron lần lượt điền vào 1s, 2s, 2p, 3s, 3p rồi 4s.
- Chọn Z = 7 (nitrogen): ba electron 2p nằm ở ba ô riêng, chiều giống nhau, đúng quy tắc Hund.
- Thử Z = 24 và Z = 29: cấu hình đặc biệt 3d⁵ 4s¹ và 3d¹⁰ 4s¹ do phân lớp bán bão hoà và bão hoà bền vững.
📐 Công thức cần nhớ
✍️ Ví dụ có lời giải
Ví dụ 1. Viết cấu hình electron của chlorine (Z = 17). Cho biết số electron lớp ngoài cùng.
Xem lời giải
- Điền lần lượt: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵.
- Lớp ngoài cùng là lớp 3 có 2 + 5 = 7 electron.
✅ Đáp số: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵; 7 electron, là phi kim
Ví dụ 2. Nguyên tử X có cấu hình electron lớp ngoài cùng là 4s¹ và thuộc nhóm A. Xác định Z và tên nguyên tố.
Xem lời giải
- Cấu hình đầy đủ: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹.
- Tổng số electron là 19, suy ra Z = 19.
✅ Đáp số: Potassium (K), Z = 19
⚠️ Lỗi thường gặp
- Viết cấu hình theo thứ tự điền mà quên sắp xếp lại theo lớp: iron viết đúng là 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s².
- Điền 3d trước 4s: phân lớp 4s có năng lượng thấp hơn nên được điền trước 3d.
- Ghép đôi electron trong phân lớp p khi vẫn còn ô trống, trái quy tắc Hund.