Bài 7. Năng lượng của các electron trong nguyên tử, cấu hình electron nguyên tử

I. NĂNG LƯỢNG CỦA ELECTRON TRONG NGUYÊN TỬ

1- Mức năng lượng obitan nguyên tử

Trong  nguyên tử, các electron trên mỗi obitan có một mức năng lượng xác định. Người ta gọi mức năng lượng này là mức năng lượng obitan nguyên tử (mức năng lượng AO)

Các electron trên các obitan khác nhau của cùng một phân lớp có năng lượng như nhau. Thí dụ : Ứng với n=2, ta có 2 phân lớp là 2s và 2p. Phân lớp 2s chỉ có một obitan 2s, còn phân lớp 2p có 3 obitan : 2p_x,2p_y,2p_z. Các electron của các obitan p trong phân lớp này tuy có sự định hướng trong không gian khác nhau, nhưng chúng có cùng mức năng lượng AO.

2. Trật tự các mức năng lượng obitan nguyên tử

Thực nghiệm và lí thuyết cho thấy khi số hiệu nguyên tử Z tăng, các mức năng lượng AO tăng dần theo trình tự sau :

              1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d....

Từ trình tự mức năng lượng AO trên cho thấy khi điện tích hạt nhân tăng có sự chèn mức năng lượng, mức 4s trở nên thấp hơn 3d, mức 5s thấp hơn 4d,6s thấp hơn 4f,5d,...

II. CÁC NGUYÊN LÍ VÀ QUY TẮC PHÂN BỐ ELECTRON TRONG NGUYÊN TỬ

Sự phân bố các electron trong nguyên tử tuân theo nguyên lí Pau-li, nguyên lí vững bền và quy tắc Hun (F.Hund).

1. Nguyên lí Pau-li

a) Ô lượng tử

Để biểu diễn obitan nguyên tử một cách đơn giản, người ta còn dùng ô vuông nhỏ, được gọi là ô lượng tử. Một ô lượng tử ứng với một AO. Thí dụ : Ứng với n=1 chỉ có một onitan 1s, ta vẽ một ô vuông. Ứng với n=2 có một obitan 2s và ba obitan 2p(2p_x,2p_y,2p_z), ta vẽ một ô vuông thuộc phân lớp 2s và ba ô vuông này được vẽ liền nhau, để chỉ rằng các obitan 2p có cùng mức năng lượng AO, nhưng cao hơn AO−2s \

b) Nguyên lí Pau-li

Trên một obitan chỉ có thể có nhiều nhất là hai electron và hai electron này chuyển động tự quay khác chiều nhau xung quanh trục riêng của mỗi electron. Người ta biểu thị chiều tự quay khác nhau quanh trục riêng của hai electron bằng 2 mũi tên nhỏ : Một mũi tên có chiều đi lên, một mũi tên có chiều đi xuống. Trong một obitan đã có 2 electron, thì 2 electron đó gọi là electron ghép đôi. Khi obitan chỉ có một electron thì electron đó gọi là electron độc thân.

c) Số electron tối đa trong một lớp và trong một phân lớp

- Số electron tối đa trong một lớp electron : Ta đã biết lớp n² obitan. Mỗi obitan theo nguyên lí Pau-li có tối đa 2 electron. Do đó : Lớp n có tối đa 2 n² electron.

- Số electron tối đa trong một phân lớp electron. Cũng theo nguyên lí Pau-li, ta có thể biết được số electron tối đa trong một phân lớp. Phân lớp s chỉ có một obitan, vậy chỉ có tối đa 2 electron. Phân lớp p có 3 obitan nên có tối đa 6 electron, tương tự phân lớp d có tối đa 10 electron, phân lớp f có tối đa 14 electron.

Một cách khác, để biểu diễn trạng thái electron của obitan 1s chứa 2 electron ta dùng kí hiệu : 1s². Ở đây, số 1 đứng bên trái chỉ lớp n=1, chữ s chỉ obitan s, số 2 ở phía trên bên phải chỉ số electron có chứa trong obitan 1s. Giả sử phân lớp 2p có 6 electron, ta viết : 2p⁶.

Các phân lớp : s²,p⁶,d¹⁰,f¹⁴ có đủ số electron tối đa gọi là phân lớp bão hoà. Còn phân lớp chưa đủ số electron tối đa gọi phân lớp chưa bão hoà. Thí dụ các phân lớp s¹,p³,d⁷,f¹²....

2. Nguyên lí vững bền

Ở trạng thái cơ bản, trong nguyên tử các electron chiếm lần lượt những obitan có mức năng lượng từ thấp đến cao.

Thí dụ :

Nguyên tử hiđro (Z=1) có 1 electron, electron này sẽ chiếm obitan 1s(AO−1s) có mức năng lượng thấp. Do đó có thể biểu diễn sự phân bố electron của nguyên tử hiđro là 1s¹

Nguyên tử heli (Z=2) có 2 electron. Theo nguyên lí Pau-li, hai electron này cùng chiếm obitan 1s có mức năng lượng thấp nhất. Bởi vậy sự phân bố electron trên obitan của heli là 1s²

Nguyên tử liti (Z=3) có 3 electron, 2 electron trước chiếm obitan 1s và đã bão hoà, electron còn lại chiếm obitan 2s tiếp theo có mức năng lượng cao hơn.

Tuy nhiên, không nhất thiết lúc nào cũng phải biểu diễn các AO−2p phải cao hơn AO−2s,... vì sẽ cồng kềnh. Người ta chỉ biểu diễn sự cao, thấp của các ô lượng tử khi cần thể hiện mức năng lượng khác nhau của từng phân lớp electron.

3. Quy tắc Hun

Trong cùng một phân lớp, các electron sẽ phân bố trên các obitan sao cho số electron độc thân là tối đa và các electron này phải có chiều tự quay giống nhau.

Các electron độc thân trong một nguyên tử được kí hiệu bằng các mũi tên cùng chiều, thường được viết hướng lên trên.

III. CẤU HÌNH ELECTRON NGUYÊN TỬ

1. 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.

Quy ước cách viết cấu hình electron nguyên tử :

- Số thứ tự lớp electron được viết bằng các chữ số (1,2,3...)

- Phân lớp được kí hiệu bằng chữ cái thường (s,p,d,f)

- Số electron được ghi bằng chỉ số ở phía trên, bên phải kí hiệu của phân lớp (s2,p2,...)

Cách viết cấu hình electron nguyên tử :

- Xác định số electron của nguyên tử.

- Các electron được phân bố theo thứ tự tăng dần các mức năng lượng AO, theo các nguyên lí và quy tăc phân bố electron trong nguyên tử.

- Viết cấu hình electron theo thứ tự các phân lớp trong một lớp và theo thứ tự của các lớp electron

Na(Z=11) có 11 electron. Cấu hình electron của Na như sau : 1s²2s²2p⁶3s¹

Fe(Z=26) có 26 electron. Do có sự chèn mức năng lượng, các electron được phân bố như sau : 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁶

Sau đó phải sắp xếp các phân lớp theo từng lớp : 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s²

Hoặc viết gọn là : [Ar]3d⁶4s²

[Ar] là kí hiệu cấu hình electron nguyên tử của nguyên tố agon, là khí hiếm gần nhất đứng trước Fe.

2. Cấu hình electron nguyên tử của một số nguyên tố

Dựa vào các nguyên lí và quy tắc nêu ở trên ta có thể xây dựng cấu hình electron nguyên tử của các nguyên tố khác. Dưới đây là cấu hình electron nguyên tử của 20 nguyên tố đầu tiên trong bảng tuần hoàn.

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

3. Đặc điểm của lớp electron ngoài cùng

Các electron ở lớp ngoài cùng quyết định tính chất hoá học của một nguyên tố.

a) Đối với nguyên tử của các nguyên tố, số electron lớp ngoài cùng tối đa là 8. Các nguyên tử có 8 electron lớp ngoài cùng đều rất bền vững, chúng hầu như không tham gia vào các phản ứng hoá học. Đó là các nguyên tử khí hiếm ( trừ He có số electron lớp ngoài cùng là 2)

b) Các nguyên tử có 1,2,3 electron ở lớp ngoài cùng là các nguyên tử kim loại ( trừ H, He và B)

c) Các nguyên tử có 5,6,7 electron ở lớp ngoài cùng là các nguyên tử phi kim.

d) Các nguyên tử có 4 electron ớ lớp ngoài cùng có thể là nguyên tử kim loại hay phi kim.