Hướng dẫn cấu hình electron trong nguyên tử chính xác

1. Thứ tự của các mức năng lượng trong một nguyên tử

Khi nói đến cấu hình electron, điều quan trọng đầu tiên là hiểu thứ tự của các mức năng lượng trong nguyên tử. Trong trạng thái cơ bản, các electron của nguyên tử sẽ chiếm các mức năng lượng theo thứ tự từ thấp đến cao. Theo quy luật cấu trúc nguyên tử, mức năng lượng tại các lớp electron sẽ tăng dần từ 1 đến 7. Đồng thời, năng lượng của các phân lớp cũng được sắp xếp theo thứ tự từ s, p, d, đến f.

Thứ tự sắp xếp các phân lớp theo chiều hướng tăng của năng lượng được xác định như sau: 1s, 2s, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s,… Điều này có nghĩa là mặc dù 3d là một phân lớp ở lớp 3, nhưng do sự chèn ép của điện tích hạt nhân, mức năng lượng của 4s lại thấp hơn so với 3d. Điều này là một điểm quan trọng mà người học hóa học cần ghi nhớ khi xác định cấu hình electron của các nguyên tố.

2. Cấu hình electron nguyên tử

Cấu hình electron nguyên tử là một cách để mô tả sự phân bố của các electron trong nguyên tử theo các phân lớp khác nhau. Việc viết cấu hình electron không chỉ giúp phân loại các nguyên tố mà còn hỗ trợ trong việc dự đoán tính chất hóa học của chúng.

2.1. Cấu hình electron nguyên tử biểu diễn điều gì?

Cấu hình electron của một nguyên tử phản ánh khả năng phân bố các electron trên các phân lớp trong các lớp khác nhau. Mỗi nguyên tố có một cấu hình electron riêng, điều này liên quan chặt chẽ đến số hiệu nguyên tử (Z) của nó.

2.2. Cách viết cấu hình electron nguyên tử

2.2.1. Quy ước cách viết cấu hình electron nguyên tử

Để viết cấu hình electron nguyên tử một cách chính xác, người học cần tuân theo những quy tắc nhất định:

• Số thứ tự các lớp electron được thể hiện bằng các chữ số: 1, 2, 3,…
• Phân lớp được ký hiệu bằng các chữ cái in thường: s, p, d, f.
• Số electron trong mỗi phân lớp được ghi bằng chỉ số ở phía trên góc bên phải, ví dụ: s², p⁶, d¹⁰…

2.2.2. Viết cấu hình electron cần tuân theo quy tắc nào?

Để viết cấu hình electron chính xác, cần phải nắm vững các nguyên lý và quy tắc cơ bản:

• Nguyên lý Pauli: Một obitan chỉ có thể chứa tối đa là 2 electron và chúng phải có chiều tự quay khác nhau.
• Quy tắc Hund: Tại cùng một phân lớp, electron sẽ được phân bố trên các obitan sao cho số electron độc thân là tối đa.
• Nguyên lý vững bền: Trong trạng thái cơ bản, các electron chiếm các obitan có mức năng lượng từ thấp đến cao.

2.2.3. Các bước viết cấu hình electron nguyên tử

Để viết cấu hình electron, ta có thể thực hiện theo các bước sau:

• Phân lớp s chứa tối đa 2 electron.
• Phân lớp p chứa tối đa 6 electron.
• Phân lớp d chứa tối đa 10 electron.
• Phân lớp f chứa tối đa 14 electron.

2.2.4. Cách xác định nguyên tố s, p, d, f

Các nguyên tố hóa học được phân loại dựa trên phân lớp mà electron cuối cùng của chúng nằm ở:

• Nguyên tố s: có electron cuối cùng thuộc phân lớp s.
• Nguyên tố p: có electron cuối cùng thuộc phân lớp p.
• Nguyên tố d: có electron cuối cùng thuộc phân lớp d.
• Nguyên tố f: có electron cuối cùng thuộc phân lớp f.

Lưu ý: Một số nguyên tố có cấu hình electron khác biệt, như Cr (Z = 24) và Cu (Z = 29), trong đó electron sẽ được phân bố để đạt tính ổn định cao hơn.

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

Lớp electron ngoài cùng của một nguyên tử có vai trò cực kỳ quan trọng trong việc xác định tính chất hóa học của nguyên tố. Đối với hầu hết các nguyên tố, lớp ngoài cùng có tối đa 8 electron, điều này giúp các nguyên tố này đạt được cấu hình bền vững.

Các nguyên tố thuộc nhóm khí hiếm có cấu hình electron hoàn hảo với 8 electron ở lớp ngoài cùng, khiến chúng rất ít phản ứng hóa học. Những nguyên tố khác có ít hơn 8 electron sẽ dễ dàng nhận hoặc nhường electron để đạt được cấu hình bền vững hơn, tùy thuộc vào vị trí của chúng trong bảng tuần hoàn.

Các nguyên tử có từ 1 đến 3 electron ở lớp ngoài cùng thường là kim loại, trong khi những nguyên tử có 5 đến 7 electron sẽ có xu hướng là phi kim. Việc hiểu lớp electron ngoài cùng không chỉ giúp trong việc phân loại các nguyên tố mà còn giúp dự đoán các phản ứng hóa học mà chúng có thể tham gia.

4. Bảng cấu hình electron nguyên tử của 20 nguyên tố đầu tiên

Để minh họa cho khái niệm cấu hình electron, dưới đây là bảng cấu hình electron của 20 nguyên tố đầu tiên mà bạn thường gặp:

5. Sơ đồ tư duy cấu hình electron nguyên tử

Sơ đồ tư duy là một công cụ hữu ích để hình dung cấu hình electron của các nguyên tử. Việc sử dụng sơ đồ giúp dễ dàng hơn trong việc ghi nhớ thứ tự của các phân lớp và số electron trong mỗi lớp. Sơ đồ này có thể giúp học sinh nắm vững kiến thức một cách trực quan hơn.

6. Bài tập áp dụng lý thuyết cấu hình electron nguyên tử

6.1. Bài tập cơ bản và nâng cao SGK Hóa 10

Ví dụ 1: Một nguyên tử của nguyên tố X có 3 lớp electron. Lớp ngoài cùng có 4 electron. Hãy xác định số hiệu nguyên tử của nguyên tố X và viết cấu hình electron của X.

Hướng dẫn giải:

Vì lớp ngoài cùng có 4 electron, tổng số electron sẽ là: 2 (lớp 1) + 8 (lớp 2) + 4 (lớp 3) = 14. Vậy số hiệu nguyên tử Z = 14. Cấu hình electron của X là 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p².

Ví dụ 2: Một nguyên tố d có 4 lớp electron, phân lớp ngoài cùng đã bão hòa electron. Tính tổng số electron s và electron p của nguyên tố d ở trên.

Hướng dẫn giải:

Nguyên tố d sẽ có 4 lớp electron → electron cuối cùng thuộc phân lớp 3d. Cấu hình electron của nguyên tố này có dạng: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁰ 4s². Tổng số electron s và electron p là 20.

Ví dụ 3: Nguyên tử X có ký hiệu là X₂₆⁵⁶. Viết cấu hình electron của X và cho biết X là nguyên tố kim loại hay phi kim.

Hướng dẫn giải:

Do có sự chèn mức năng lượng nên electron được phân bố như sau: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶. Cấu hình electron của X: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s² hay [Ar] 3d⁶ 4s². Số electron lớp ngoài cùng của nguyên tử X là 2, do đó X là nguyên tố kim loại.

Ví dụ 4: Số lượng electron thuộc lớp ngoài cùng trong nguyên tử của các nguyên tố có số hiệu nguyên tử Z lần lượt bằng 3, 6, 9, 18 là bao nhiêu?

Hướng dẫn giải:

Dựa trên số hiệu nguyên tử Z, ta có thể viết được cấu hình electron:

• Z = 3: 1s² 2s¹ → có 1 electron ở lớp ngoài cùng.
• Z = 6: 1s² 2s² 2p² → có 4 electron ở lớp ngoài cùng.
• Z = 9: 1s² 2s² 2p⁵ → có 7 electron ở lớp ngoài cùng.
• Z = 18: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ → có 8 electron ở lớp ngoài cùng.

Ví dụ 5: Có bao nhiêu loại nguyên tố hóa học mà nguyên tử của nó có lớp ngoài cùng thuộc lớp M?

Hướng dẫn giải:

Lớp M là lớp n = 3. Có 8 nguyên tố hóa học mà nguyên tử của chúng có lớp ngoài cùng thuộc lớp M.

• 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹
• 1s² 2s² 2p⁶ 3s²
• 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹
• 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p²
• 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³
• 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵
• 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶

6.2. Bài tập trắc nghiệm về Cấu hình electron nguyên tử

CÂU 1: Ở trạng thái cơ bản, cấu hình electron của nguyên tử Na (Z = 11) là:

• A. 1s² 2s² 2p⁵ 3s²
• B. 1s² 2s² 2p⁴ 3s¹
• C. 1s² 2s² 2p⁶ 3s²
• D. 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹

CÂU 2: Nguyên tố X có Z = 17. Số electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tố X là:

• A. 1.
• B. 5.
• C. 3.
• D. 7.

CÂU 3: Nguyên tử Z₂₃ có cấu hình electron là: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹. Z có:

• A. 11 nơtron, 12 proton.
• B.