|
|
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 $AO-2s$ như hình vẽ sau :
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 $n^2$ obitan. Mỗi obitan theo nguyên lí Pau-li có tối đa $2$ electron. Do đó : Lớp $n$ có tối đa $2$ $n^2$ 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. Ta có thể biểu diễn số electron tối đa trong các phân lớp bằng các ô lượng tử như hình vẽ dưới
Một cách khác, để biểu diễn trạng thái electron của obitan $1s$ chứa 2 electron ta dùng kí hiệu : $1s^2$. 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 : $2p^6.$
Các phân lớp : $s^2, p^6, d^{10}, f^{14}$ 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 $s^1, p^3, d^7, f^{12}....$
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 $1s^1$; Biểu diễn bằng ô lượng tử là : 
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 $1s^2\rightarrow $
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. Do đó sự phân bố electron trên các obitan của liti là :
Một cách tương tự, ta có thể viết được sự phân bố electron trên các obitan của các nguyên tố tiếp theo. Thí dụ :
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.
Thí dụ sự phân bố electron trên các obitan của nguyên tử cacbon, nitơ như sau :
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 $(s^2, p^2,...)$
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
Thì dụ :
$Na (Z=11)$ có 11 electron. Cấu hình electron của Na như sau : $1s^22s^22p^63s^1$
$Fe (Z=26)$ có 26 electron. Do có sự chèn mức năng lượng, các electron được phân bố như sau : $1s^22s^22p^63s^23p^64s^23d^6$
Sau đó phải sắp xếp các phân lớp theo từng lớp : $1s^22s^22p^63s^23p^63d^64s^2$
Hoặc viết gọn là : $[Ar] 3d^64s^2$
$[Ar]$ 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.
|