BÀI 4. CẤU TRÚC LỚP VỎ ELECTRON NGUYÊN TỬ

MỞ ĐẦU

Trong nguyên tử, các electron chuyển động như thế nào và chiếm những mức năng lượng nào? Trình tự sắp xếp các mức năng lượng này ra sao? Việc phân bố các electron trong nguyên tử tuân theo những nguyên lí và quy tắc nào?

Giải nhanh:

- Electron chuyển động trên những quỹ đạo hình tròn hay bầu dục xác định xung quanh hạt nhân.

- Các electron được sắp xếp thành từng lớp và phân lớp theo năng lượng từ thấp đến cao.

- Trình tự sắp xếp các mức năng lượng:

+ Các electron trên cùng một phân lớp có năng lượng bằng nhau.

+ Các electron trên cùng một lớp có năng lượng gần bằng nhau.

1. SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA ELECTRON TRONG NGUYÊN TỬ

Thảo luận 1: Quan sát Hình 4.1 và 4.2, so sánh điểm giống và khác nhau giữa mô hình Rutherford - Bohr với mô hình hiện đại mô tả sự chuyển động của electron trong nguyên tử.

Giải nhanh:

- Giống: electron chuyển động quanh hạt nhân.

- Khác: 

+ Theo Rutherford – Bohr: hạt nhân nằm ở giữa, electron chuyển động quanh hạt nhân trên quỹ đạo đường đi xác định có hình tròn hoặc hình bầu dục.

+ Theo mô hình hiện đại: electron chuyển động hỗn loạn không có quỹ đạo xác định quanh hạt nhân. Ta chỉ xác định được khoảng không gian mà electron chuyển động trong đó.

Vận dụng: Hệ Mặt Trời gồm Mặt Trời ở trung tâm và các thiên thể quay quanh theo những quỹ đạo xác định. Hãy cho biết mô hình nguyên tử của nhà khoa học nào được gọi là mô hình nguyên tử, tương tự như hệ Mặt Trời?

Giải nhanh:

Mô hình nguyên tử theo Rutherford – Bohr

Thảo luận 2: Quan sát Hình 4.3, phân biệt khái niệm đám mây electron và khái niệm orbital nguyên tử.

Giải nhanh:

- Đám mây electron được tạo thành khi các electron chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân với xác suất tìm thấy không giống nhau.

- Orbital nguyên tử là khu vực không gian xung quanh hạt nhân mà tại đó xác suất có mặt electron khoảng 90%.

Thảo luận 3: Cho biết khái niệm orbital nguyên tử xuất phát từ mô hình nguyên tử của Rutherford - Bohr hay mô hình nguyên tử hiện đại.

Giải nhanh:

Xuất phát từ mô hình nguyên tử hiện đại.

Thảo luận 4: Quan sát Hình 4.4, hãy cho biết điểm giống và khác nhau giữa các orbital p (p_x, p_y, p_z)

Giải nhanh:

- Giống: đều có dạng hình số tám.

- Khác: 

+ Orbital p_x có dạng hình số tám hướng theo trục x.

+ Orbital p_y có dạng hình số tám hướng theo trục y.

+ Orbital p_z có dạng hình số tám hướng theo trục z.

2. LỚP VÀ PHÂN LỚP ELECTRON

Thảo luận 5: Quan sát hình 4.5, nhận xét cách gọi tên các lớp electron bằng các chữ cái tương ứng với các lớp từ 1 đến 7.

Giải nhanh:

Các electron được sắp xếp theo từng lớp kí hiệu K, L, M, N, O, P, Q từ gần đến xa hạt nhân theo thứ tự từ lớp n = 1 đến n = 7.

Thảo luận 6: Từ hình 4.5, cho biết lực hút của hạt nhân với electron ở lớp nào là lớn nhất và lớp nào là nhỏ nhất.

Giải nhanh:

Lớp K là lớn nhất và lớp Q là nhỏ nhất.

Thảo luận 7: Quan sát Hình 4.6, nhận xét về số lượng phân lớp trong các lớp từ 1 đến 4.

Giải nhanh:

Với 4 lớp đầu số phân lớp trong mỗi lớp bằng số thứ tự của lớp đó.

3. CẤU HÌNH ELECTRON NGUYÊN TỬ

Thảo luận 8: Quan sát Hình 4.7, nhận xét chiều tăng năng lượng của các electron trên các A0 ở trạng thái cơ bản (trạng thái có năng lượng thấp nhất).

Giải nhanh:

Các electron trong nguyên tử chiếm lần lượt những orbital có mức năng lượng từ thấp đến cao: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p…

Thảo luận 9: Quan sát Hình 4.8, cho biết cách biểu diễn 2 electron trong một orbital dựa trên cơ sở nào?

Giải nhanh:

Sử dụng các ô vuông, gọi là ô lượng tử, mỗi ô lượng tử ứng với một AO, mỗi AO chứa tối đa 2 electron.

Thảo luận 10: Quan sát Hình 4.9, hãy cho biết nguyên tử oxygen có bao nhiêu electron ghép đôi vào bao nhiêu electron độc thân?

Giải nhanh:

Có 2 electron ghép đôi và 2 electron độc thân.

Thảo luận 11: Từ Bảng 4.1, hãy chỉ ra mối quan hệ giữa số thứ tự lớp và số electron tối đa trong mỗi lớp.

Giải nhanh:

Mối quan hệ: lớp n có tối đa 2n² electron.

Luyện tập: Nguyên tử nitrogen có 2 lớp electron trong đó có 2 phân lớp s và 1 phân lớp p. Các phân lớp s đều chứa số electron tối đa, còn phân lớp p chỉ chứa một nửa số electron tối đa. Nguyên tử nitrogen có bao nhiêu electron?

Giải nhanh:

Có 7 electron.

Thảo luận 12: Quan sát Hình 4.10, hãy nhận xét số lượng electron độc thân ở mỗi trường hợp.

Giải nhanh:

- Trường hợp (a): phân lớp bão hòa chứa đủ số electron tối đa.

- Trường hợp (b): phân lớp nửa bão hòa chứa một nửa số electron tối đa.

- Trường hợp (c): phân lớp chưa bão hòa chưa đủ số electron tối đa.

Thảo luận 13: Hãy đề nghị cách phân bố electron vào các orbial để số electron độc thân là tối đa.

Giải nhanh:

Cách phân bố: biểu diễn các electron bằng mũi tên đi lên vào lần lượt các orbital trước, sau đó mới quay lại biểu diễn các electron bằng mũi tên đi xuống vào các orbital.

Luyện tập: Trong các trường hợp (a) và (b) dưới đây, trường hợp nào có sự phân bố electron vào các orbital tuân theo và không tuân theo quy tắc Hund.

Giải nhanh:

Trường hợp (b).

Thảo luận 14: Cấu hình electron của một nguyên tử cho biết những thông tin gì?

Giải nhanh:

Cho biết sự phân bố electron trong vỏ nguyên tử trên các phân lớp thuộc các lớp khác nhau

Luyện tập: Viết cấu hình electron nguyên tử của nguyên tố aluminium (Z = 13) và biểu diễn cấu hình electron của aluminium theo ô orbital. Từ đó, xác định số electron độc thân của nguyên tử này.

Giải nhanh:

- Cấu hình electron nguyên tử: 1s²2s²2p⁶3s²3p¹

- Cấu hình theo ô orbital:

- Số electron độc thân: 1.

Thảo luận 15: Quan sát Bảng 4.2, hãy cho biết dựa trên cơ sở nào để dự đoán phosphorus là nguyên tố phi kim.

Giải nhanh:

Dựa trên phosphorus có 5 electron lớp ngoài cùng.

Vận dụng: Lithium là một nguyên tố có nhiều công dụng, được sử dụng trong chế tạo máy bay và trong một số loại pin nhất định. Pin Lithium - Ion (pin Li - Ion) đang ngày càng phổ biến, nó cung cấp năng lượng cho cuộc sống của hàng triệu người mỗi ngày thông qua các thiết bị như máy tính xách tay, điện thoại di động, xe Hybrid, xe điện, ... nhờ trọng lượng nhẹ, cung cấp năng lượng cao và khả năng sạc lại. Dựa vào cấu hình electron nguyên tử (Bảng 4.2), hãy dự đoán lithium là kim loại, phi kim hay khí hiếm?

Giải nhanh:

Lithium là kim loại.

BÀI TẬP

Câu 1: Trong các cách biểu diễn electron vào các orbital của phần lớp 2p ở trạng thái cơ bản, hãy chọn cách phân bố đúng:

Giải nhanh:

Cách phân bố đúng: (1)

Câu 2: Cho nguyên tố X có 2 lớp eletron, lớp thứ 2 có 6 electron. Xác định số hiệu nguyên tử của X.

Giải nhanh:

Số hiệu nguyên tử X: 8.

Câu 3: Ở trạng thái cơ bản, nguyên tử của những nguyên tố nào dưới đây có electron độc thân?

a) Boron; b) Oxygen; c) Phosphorus; d) Chlorine.

Giải nhanh:

Cả 4 nguyên tố đều có electron độc thân.

Câu 4: Viết cấu hình electron nguyên tử của các nguyên tố: carbon ( Z=6), sodium (Z=11) và oxygen (Z=8). Cho biết số electron lớp ngoài cùng trong nguyên tử các các nguyên tố trên. Chúng là kim loại, phi kim hay khí hiếm?

Giải nhanh:

C: 1s²2s²2p² có 4 electron lớp ngoài cùng ⇒ phi kim.

Na: 1s²2s²2p⁶3s¹ có 1 electron lớp ngoài cùng ⇒  kim loại.

O: 1s²2s²2p⁴ có 6 electron lớp ngoài cùng ⇒ phi kim.