II. Bài tập trắc nghiệm
4.4.4.Cách viết cấu hình electron của nguyên tử
a) Nguyên lý vững bền: trong nguyên tử, electron đợc điền vào các AO có mức năng lợng thấp trớc, sau đó mới đợc điền vào các AO có mức năng lợng cao hơn ở trạng thái cơ
4.4.4.Cách viết cấu hình electron của nguyên tử
a. Trớc hết cần xác định đúng tổng số electron của nguyên tử
Tổng số electron = số đơn vị điện tích dơng hạt nhân Z Chú ý: Cần phân biệt giữa nguyên tử với ion.
Ví dụ 10: Nguyên tử Nguyên tử Na có Z = 11, do đó có 11e; ion Na+, có Z = 11 chỉ có 10e
Theo nguyên lý Pauli, trong 1AO có nhiều nhất 2e với số lợng tử spin s
m
khác dấu nhau.
Trong một phân lớp, số electron nhiều nhất là 2(2+1)
. Phân lớp electron (còn gọi là vỏ electron) có đủ số electron cực đại đợc gọi là phân lớp bão hoà (vỏ bão hoà). Vỏ bão hoà đợc gọi là vỏ kín,vỏ cha bão hoà đợc gọi là vỏ hở.
Ví dụ 11: Từ cấu hình electron của nguyên tử nitơ (Z = 7): 1s2 2s22p3 cho biết, phân lớp 1s, 2s là các phân lớp bão hoà (vỏ kín) còn phân lớp 2p cha bão hoà (vỏ hở)
Ví dụ 12: Hãy tính số electron bão hoà cho vỏ s, p, d, f và viết cấu hình electron cho mỗi vỏ đó.
Trả lời
áp dụng công thức tính số e tối đa cho một phân lớp =2(2+1)
, ta có; Phân lớp s, = 0 → 2(2.0 + 1) = 2 → cấu hình vỏ kín: ns2
Phân lớp p, = 1 → 2(2.1 + 1) = 6 → cấu hình vỏ kín: np6
Phân lớp d, = 2 → 2(2.2 + 1) = 10 → cấu hình vỏ kín: nd10
Phân lớp f, = 3 → 2(2.3 + 1) = 14 → cấu hình vỏ kín: nf14
Cần nhớ tổng số electron nhiều nhất trong một lớp = 2n2 với n là số lợng tử chính. Chú ý: Số lợng này có đủ khi lớp đã bão hoà, còn trong quá trình xây dợng cấu hình, với n ≥ 3 số lợng này cha đúng (xem ví dụ 14)
b, Khi viết cấu hình electron: cần dựa vào bốn nguyên lý, quy tắc đã nêu và số lợng electron
Ví dụ 13: Xét cấu hình electron của: a, F b, K
Ta có: a, F có Z = 9 → có 9e. Dùng ô lợng tử biểu diễn cấu hình electron của F:
Hay: 1s2 2s22p5. Vì 1s2 ứng với sự bão hoà số e ở lớp thứ nhất (n = 1), đó cũng là cấu hình electron của nguyên tử He, nên có thể viết:
F 1s2 2s22p5 hay [He] 2s22p5
b, Tơng tự nh trên, ta có K với z = 19 → có 19e Dùng ô lợng tử
Vậy cấu hình của K là:
K 1s2 2s22p6 3s23p6 4s1 hay [Ar] 4s1
Cần lu ý: Phải điền electron thứ 19 (e19) vào AO-4s chứ không phải AO-3d, vì năng lợng của AO-4s nhỏ hơn AO-3d.
Trong cấu hình electron của K, phân lớp 4s chỉ có 1e, cha bão hoà, phân lớp này lại nằm ở ngoài cùng nên electron ở phân lớp 4s đợc gọi là electron hoá trị của K
Nhìn vào cấu hình electron của F, lớp L (n = 2) có 7e, cha bão hoà (thiếu 1e). Lớp L ở ngoài cùng nên 7e này đợc gọi là electron hoá trị của F.
Nh vậy: Electron ở phân lớp hay ở lớp ngoài cùng cha bão hoà đợc gọi là electron hoá trị của nguyên tử.
Ví dụ 14: a, Hãy viết cấu hình electron của: Ca, Cr, Fe.
Từ các kết quả đó có thể rút ra đợc những trơng hợp nào có thể có khi xét cấu hình electron của nguyên tử ?
b, Từ cấu hình electron của Cr và Fe có thể rút ra đ ợc kết luận nào về electron hoá trị? Kết hợp với kết luận vừa xét ở ví dụ 13, có thể khái quát hoá khái niệm electron hoá trị nh thế nào?
Trả lời
a, + Ca có Z = 20, nguyên tố nối tiếp K trong bảng hệ thống tuần hoàn, nên dễ dàng xác định đợc cấu hình electron của Ca là: [Ar] 4s2
+ Cr có Z = 24 → Cr có 24e. Làm tơng tự nh với K, ta có:
Vậy cấu hình electron của Cr là: [Ar]3d5 4s1
Khi viết cấu hình electron của Cr cần lu ý hai điểm sau:
- Trong cấu hình electron của Ca vừa xét đã có sự bão hoà phân lớp (vỏ) 4s2, còn cấu hình electron của Cr lại chỉ có 4s1, cha bão hoà, mặc dù Cr với Z = 24 đứng sau Ca với Z = 20.
Nh vậy: Cấu hình electron của Cr là một trờng hợp bất thờng
- So sánh với cấu hình electron của Ca, ở đó sau [Ar] tiếp đến 4s2, còn ở Cr thì sau [Ar] phải đến 3d5 mớitới 4s1
Đây là kết quả của sự sắp xếp lại thứ tự năng lợng các phân lớp sau khi điền electron.
Thứ tự này bị đảo giữa hai phân lớp ns và (n-1)d trong trật tự năng lợng đã nêu ra ở quy tắc Klechkowski
+ Fe tơng tự nh trên ta có cấu hình electron của Fe là [Ar]3d6 4s2
Sự sắp xếp 3d6 trớc 4s2 là do có sự đảo thứ tự nh vừa xét với Cr.
Từ các kết quả vừa xét, nhận thấy có hai trờng hợp xảy ra khi viết cấu hình electron của nguyên tử:
Trờng hợp 1: Bình thờng, có chú ý đến sự đảo thứ tự AO sau khi điền electron nh ở Fe.
Trờng hợp 2: Bất thờng về số lợng electron ở một số phân lớp hay lớp, nh Cr.
b, Với Cr: vỏ 3d có 5e, vỏ 4s có 1e. Hai vỏ này đều cha bão hoà, ở hai lớp khác nhau (n = 3 và n = 4). Cả 6e đều có vai trò là electron hoá trị (dẫn chứng: Cr tạo ra đợc hợp chất trong đó Cr có số oxi hoá +6, nh K2Cr2O7, ...).
Với Fe: cũng tơng tự Cr, Fe có vỏ 3d với 6e và vỏ 4s với 2e. Cả 8e này đều có thể đóng vai trì là electron hoá trị.
Cũng xảy ra tình trạng này đối với các nguyên tố khác mà nguyên tử có cấu
hình electron trong đó cả vỏ (n - 1)d cha bão hoà, còn vỏ ns bên ngoài bão hoà (ns2) hay cha bão hoà (ns1). Có thể biểu diễn cấu hình đó nh sau:
Trong đó: x nguyên, 0 < x < 10
Từ các trờng hợp nêu ra ở trên, có thể rút ra kết luận:
Electron hoá trị(ngoài)thuộc lớp, phân lớp cha bão hoà.
Khi viết cấu hình electron cần chú ý là nếu không viết ở dạng ô lợng tử thì khó xác định đợc là cấu hình đó có ứng với trạng thái cơ bản của nguyên tố hay không. Do đó nên xét đồng thời cả cách viết ở dạng thu gọn ( ...
b an n ′′
)và dùnh ô lợng tử, xem các ví dụ trên.
Trạng thái kích thích của một hệ lợng tử (nguyên tử, ion, phân tử) thờng đợc hiểu là trạng thái ở đó có sự chuyển dời của electron từ phân mức hay mức năng lợng thấp lên mức hay phân mức năng lợng cao hơn.
Ví dụ 15: Với cacbon ↑↓ ↑↓ ↑ ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ Trạng thái cơ bản là: Trạng thái kích thích là: 1s 2s 2p
Khái niệm " Trạng thái kích thích của một nguyên tử" là một khái niệm rộng,rộng hơn khái niệm trạng thái hoá trị hay trạng thái lai hoá
c. Xác định cấu hình e lectron khi biết 4 số lợng tử của electron cuối cùng điền vào vỏ nguyên tử.
Ví dụ 16: Cho bộ 4 số lợng tử của electron cuối cùng điền vào nguyên tử:
1. n = 2; = 1; m = 0; s m = 1/2 2. n = 2; = 1; m = 0; s m = -1/2
3. n = 3; = 2;
m
= 2; s
m
= -1/2
Hãy xác định số hiệu nguyên tử của các nguyên tố ứng với các bộ số lợng tử trên. Trả lời
1. Electron này thuộc phân lớp 2p ( vì n = 2; = 1)
Xác định vị trí của electron này trên phân lớp 2p dựa vào
m và s m ↑ ↑ = m -1 0 1
Vậy phân lớp 2p có 2e, với cấu hình 2p2(vì muốn có electron ứng với số lợng tử
m
= 0, thì electron có số lợng tử
m
= -1 phải đợc điền trớc, theo quy tắc Hun-1) Do đó cấu hình electron đầy đủ của nguyên tử ứng với electron này là: 1s2 2s22p2
Cuối cùng, đếm số electron (6e = 2 + 2 + 2) → Z = 6 ( nguyên tố: C)
Trờng hợp 2 và 3 của ví dụ 16 các bạn sinh viên hãy tự làm. Từ đó hãy tự rút ra các b- ớc cần tiến hành khi gặp bài toán dạng này. Các bạn cũng có thể tự ra lấy đề bài kiểm tra cho mình nhng cần chú ý lấy các giá trị của các số lợng tử sao cho phù hợp nhau về mối quan hệ.