Cấu hình electron | Cách viết cấu hình electron nguyên tử

Cấu hình electron là kiến thức nền tảng trong chương Cấu tạo nguyên tử của Hóa học 10, biểu diễn sự phân bố electron vào các lớp và phân lớp electron trong nguyên tử. Để viết cấu hình electron nguyên tử, học sinh cần nắm được thứ tự mức năng lượng, nguyên lí vững bền, nguyên lí Pauli và quy tắc Hund.

Bài viết trình bày cấu hình electron là gì, cách viết cấu hình electron, cách xác định electron lớp ngoài cùng cùng các ví dụ và bài tập vận dụng theo bộ sách Kết nối tri thức.

Cấu hình electron là gì?

Cấu hình electron (hay cấu hình e) của nguyên tử biểu diễn sự phân bố electron trên các phân lớp thuộc các lớp electron khác nhau. Cách biểu diễn này cho biết những phân lớp có electron và số electron thuộc từng phân lớp [1] [4].

Đối với nguyên tử trung hòa, số electron bằng số proton và bằng số hiệu nguyên tử Z. Vì vậy, khi biết Z, có thể xác định tổng số electron cần phân bố để viết cấu hình electron [1].

Cấu hình electron thường được viết cho nguyên tử ở trạng thái cơ bản, tức trạng thái có năng lượng thấp nhất. Electron được phân bố vào các orbital theo nguyên lí vững bền, nguyên lí Pauli và quy tắc Hund [3] [4].

Cách biểu diễn cấu hình electron

Một thành phần trong cấu hình electron được biểu diễn theo dạng tổng quát: nℓᵃ

Trong đó:

• n là số thứ tự của lớp electron.

• ℓ là kí hiệu phân lớp, có thể là s, p, d hoặc f.

• a là số electron có trong phân lớp đó [4].

Ví dụ, kí hiệu 2p⁴ cho biết phân lớp p thuộc lớp electron thứ hai và chứa 4 electron. Số viết phía trên chỉ số electron trong phân lớp đứng ngay trước nó, không phải tổng số electron của cả lớp.

Nguyên tử sodium có số hiệu nguyên tử Z = 11 nên nguyên tử trung hòa chứa 11 electron. Cấu hình electron của sodium là: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹

Tổng các số viết phía trên là 2 + 2 + 6 + 1 = 11, đúng bằng tổng số electron của nguyên tử. Giá trị n lớn nhất là 3 nên sodium có ba lớp electron, trong đó lớp ngoài cùng chứa một electron.

Ý nghĩa của cấu hình electron

Từ cấu hình electron, có thể xác định số lớp electron, số electron trong từng phân lớp và số electron lớp ngoài cùng. Đây là những thông tin quan trọng khi nghiên cứu cấu tạo nguyên tử [1].

Sự phân bố electron, đặc biệt là electron lớp ngoài cùng, có liên hệ chặt chẽ với tính chất hóa học và khả năng tạo liên kết của nguyên tố. Các nguyên tố có cấu hình lớp ngoài cùng tương tự thường có một số tính chất hóa học gần giống nhau [1] [3].

Đối với nguyên tử trung hòa, tổng các số viết phía trên trong cấu hình cho biết tổng số electron. Từ đó, có thể suy ra số hiệu nguyên tử và xác định nguyên tố tương ứng.

Như vậy, cấu hình electron không chỉ mô tả cấu trúc lớp vỏ nguyên tử mà còn là cơ sở để giải thích quy luật tuần hoàn và dự đoán sơ bộ tính chất của nguyên tố.

Lớp, phân lớp và orbital nguyên tử

Lớp electron

Các electron có mức năng lượng gần nhau được xếp vào cùng một lớp electron. Mỗi lớp được đặc trưng bởi số thứ tự n, còn gọi là số lượng tử chính, với các giá trị nguyên dương 1, 2, 3, 4… [1] [3].

Các lớp có n = 1, 2, 3 và 4 lần lượt được kí hiệu bằng chữ cái K, L, M và N. Lớp nằm gần hạt nhân thường có mức năng lượng thấp hơn lớp nằm xa hạt nhân [1].

Số electron tối đa trong một lớp được xác định bằng công thức 2n². Chẳng hạn, lớp K có thể chứa tối đa 2 electron, còn lớp L chứa tối đa 8 electron [1] [3].

Bảng: Các lớp electron và số electron tối đa

Phân lớp electron

Mỗi lớp electron được chia thành một hoặc nhiều phân lớp. Các phân lớp được kí hiệu bằng những chữ cái thường s, p, d và f [1] [4].

Lớp có số thứ tự n chứa n phân lớp. Vì vậy, lớp K có phân lớp 1s; lớp L có 2s và 2p; lớp M có 3s, 3p và 3d; lớp N có 4s, 4p, 4d và 4f [1].

Các electron thuộc cùng một phân lớp có mức năng lượng bằng nhau. Tuy nhiên, những phân lớp khác nhau trong cùng một lớp có mức năng lượng khác nhau; thông thường, mức năng lượng tăng theo thứ tự s, p, d rồi f [1] [3].

Mỗi loại phân lớp có sức chứa electron xác định. Phân lớp s chứa tối đa 2 electron; p chứa 6 electron; d chứa 10 electron và f chứa 14 electron [1] [4].

Orbital nguyên tử

Orbital nguyên tử, kí hiệu AO, là khu vực không gian xung quanh hạt nhân mà xác suất tìm thấy electron tương đối lớn. Orbital không phải là quỹ đạo chuyển động cố định của electron quanh hạt nhân [3] [4].

Mỗi orbital chỉ chứa tối đa hai electron. Khi cùng tồn tại trong một orbital, hai electron phải có chiều spin ngược nhau, thường được biểu diễn bằng hai mũi tên ↑↓ [1] [4].

Orbital không có electron được biểu diễn bằng ô trống. Orbital chứa một electron được biểu diễn bằng ↑, còn orbital chứa hai electron được biểu diễn bằng ↑↓. Cách kí hiệu này sẽ được sử dụng khi trình bày nguyên lí Pauli và quy tắc Hund.

Mối quan hệ giữa lớp, phân lớp và orbital

Lớp electron gồm các phân lớp, còn mỗi phân lớp lại gồm một số orbital. Phân lớp s có 1 orbital; p có 3 orbital; d có 5 orbital và f có 7 orbital [3] [4].

Do mỗi orbital chứa tối đa hai electron, sức chứa của phân lớp được tính bằng số orbital nhân với 2. Chẳng hạn, phân lớp p có 3 orbital nên chứa tối đa 3 × 2 = 6 electron.

Bảng: Số orbital và số electron tối đa của các phân lớp

Các nguyên lí và quy tắc phân bố electron

Để viết đúng cấu hình electron ở trạng thái cơ bản, cần xác định thứ tự mức năng lượng của các orbital và cách electron được sắp xếp trong từng orbital. Quá trình này tuân theo nguyên lí vững bền, nguyên lí Pauli và quy tắc Hund [1] [3].

Nguyên lí vững bền

Theo nguyên lí vững bền, ở trạng thái cơ bản, electron trong nguyên tử lần lượt chiếm các orbital có mức năng lượng từ thấp đến cao [1] [4].

Thứ tự mức năng lượng thường dùng là:

1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s…

Khi phân bố electron, cần điền đủ electron vào phân lớp có năng lượng thấp hơn trước khi chuyển sang phân lớp có năng lượng cao hơn. Tuy nhiên, mỗi phân lớp không được vượt quá sức chứa tối đa: s², p⁶, d¹⁰ và f¹⁴ [1].

Ví dụ, nguyên tử potassium có Z = 19 nên chứa 19 electron. Sau khi điền đủ 18 electron vào các phân lớp từ 1s đến 3p, electron thứ 19 được phân bố vào 4s: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹

Electron cuối cùng đi vào 4s thay vì 3d vì orbital 4s có mức năng lượng thấp hơn orbital 3d khi bắt đầu quá trình điền electron ở nguyên tử trung hòa [3] [4].

Nguyên lí Pauli

Theo nguyên lí Pauli, mỗi orbital chỉ chứa tối đa hai electron. Nếu một orbital có hai electron thì chúng phải có chiều spin ngược nhau [1] [3].

Có thể biểu diễn hai electron trong cùng một orbital bằng một ô vuông chứa hai mũi tên ngược chiều: [↑↓]

Cách biểu diễn [↑↑] trong cùng một orbital là không đúng vì hai electron có cùng chiều spin. Việc đặt ba electron vào một orbital cũng vi phạm nguyên lí Pauli.

Ví dụ, phân lớp 1s của helium chứa hai electron và được viết là 1s². Ô orbital của phân lớp này được biểu diễn bằng [↑↓], cho thấy orbital 1s đã bão hòa.

Nguyên lí Pauli giải thích vì sao phân lớp s có một orbital chỉ chứa tối đa 2 electron. Tương tự, phân lớp p có ba orbital nên chứa tối đa 6 electron; phân lớp d chứa tối đa 10 electron và phân lớp f chứa tối đa 14 electron [3] [4].

Quy tắc Hund

Quy tắc Hund được áp dụng khi phân bố electron vào các orbital có cùng mức năng lượng trong một phân lớp. Electron sẽ chiếm riêng từng orbital trước, với chiều spin giống nhau, rồi mới bắt đầu ghép đôi [1] [4].

Phân lớp p gồm ba orbital. Khi phân bố ba electron vào phân lớp p, mỗi electron được đặt vào một orbital riêng biệt:

p³: [↑] [↑] [↑]

Không được ghép đôi hai electron trong một orbital khi vẫn còn orbital cùng phân lớp đang trống. Vì vậy, cách biểu diễn [↑↓] [↑] [ ] đối với p³ không phù hợp với quy tắc Hund.

Ví dụ, nitrogen có Z = 7 và cấu hình electron là: 1s² 2s² 2p³

Ba electron thuộc phân lớp 2p được phân bố độc thân vào ba orbital:

2p³: [↑] [↑] [↑]

Với oxygen, cấu hình electron là 1s² 2s² 2p⁴. Sau khi ba orbital 2p đều có một electron, electron thứ tư mới ghép đôi với một electron đã có:

2p⁴: [↑↓] [↑] [↑]

Cách phân bố này làm cho số electron độc thân trong các orbital cùng phân lớp đạt giá trị lớn nhất trước khi xảy ra sự ghép đôi [3] [4].

Thứ tự mức năng lượng của các orbital

Thứ tự mức năng lượng không hoàn toàn giống thứ tự các lớp electron. Chẳng hạn, 4s thuộc lớp thứ tư nhưng có mức năng lượng thấp hơn 3d khi electron bắt đầu được phân bố vào nguyên tử trung hòa [1] [3].

Vì vậy, theo thứ tự năng lượng, electron được điền vào 4s trước 3d. Tuy nhiên, khi trình bày các phân lớp thường được sắp xếp theo thứ tự lớp electron, tùy theo quy ước sử dụng trong tài liệu học tập [1] [2].

Trong phạm vi 20 nguyên tố đầu tiên, electron chỉ được phân bố đến phân lớp 4s. Do đó, học sinh cần ghi nhớ thứ tự: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s

Khi viết cấu hình electron, nguyên lí vững bền xác định orbital được điền trước; nguyên lí Pauli quy định số electron tối đa trong mỗi orbital; còn quy tắc Hund hướng dẫn cách sắp xếp electron trong các orbital của cùng một phân lớp.

Ba nguyên tắc này phải được áp dụng đồng thời. Sau khi phân bố, cần kiểm tra tổng số electron, sức chứa của từng phân lớp và cách ghép đôi trong các orbital để bảo đảm cấu hình electron chính xác.

Cách viết cấu hình electron nguyên tử

Viết cấu hình electron là quá trình phân bố toàn bộ electron của nguyên tử vào các phân lớp theo thứ tự năng lượng. Để tránh nhầm lẫn, người học nên thực hiện lần lượt từ xác định số electron, phân bố electron đến kiểm tra cấu hình [1] [2].

Các bước viết cấu hình electron

Bước 1. Xác định số electron của nguyên tử

Đối với nguyên tử trung hòa, số electron bằng số hiệu nguyên tử Z. Ví dụ, nguyên tử chlorine có Z = 17 nên cần phân bố 17 electron [1].

Nếu đề bài cho ion, cần điều chỉnh số electron theo điện tích. Ion dương đã nhường electron, còn ion âm đã nhận thêm electron. Chẳng hạn, Na⁺ có 10 electron, trong khi Cl⁻ có 18 electron.

Bước 2. Phân bố electron theo thứ tự mức năng lượng

Electron được điền lần lượt vào các phân lớp theo thứ tự mức năng lượng tăng dần: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s…

Khi phân bố, cần tuân theo sức chứa tối đa của từng phân lớp: s², p⁶, d¹⁰ và f¹⁴ [1] [4].

Bước 3. Viết cấu hình electron

Sau khi phân bố đủ electron, các phân lớp được viết kèm số electron ở phía trên. Trong chương trình Hóa học 10, cấu hình thường được trình bày theo thứ tự từng lớp electron [1] [2].

Ví dụ, iron có Z = 26. Electron được phân bố theo thứ tự năng lượng như sau: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶

Khi sắp xếp cấu hình theo từng lớp electron, có thể viết: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s²

Bước 4. Kiểm tra kết quả

Cần cộng tất cả các số viết phía trên để kiểm tra tổng số electron. Đồng thời, phải bảo đảm không phân lớp nào vượt quá sức chứa tối đa và thứ tự phân bố phù hợp với nguyên lí vững bền [1] [3].

Ví dụ cách viết cấu hình electron

Ví dụ 1: Nguyên tử oxygen

Oxygen có Z = 8 nên nguyên tử trung hòa chứa 8 electron. Các electron được phân bố lần lượt vào 1s, 2s và 2p: 1s² 2s² 2p⁴

Tổng số electron là 2 + 2 + 4 = 8. Giá trị n lớn nhất là 2 nên oxygen có hai lớp electron. Lớp ngoài cùng gồm 2s² 2p⁴, chứa tổng cộng 6 electron.

Ô orbital của phân lớp 2p được biểu diễn như sau:

2p⁴: [↑↓] [↑] [↑]

Cách phân bố này tuân theo quy tắc Hund vì ba orbital 2p được điền một electron trước khi electron thứ tư bắt đầu ghép đôi [3] [4].

Ví dụ 2: Nguyên tử chlorine

Chlorine có Z = 17 nên chứa 17 electron. Phân bố electron theo thứ tự mức năng lượng thu được: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵

Tổng các số viết phía trên là 2 + 2 + 6 + 2 + 5 = 17. Chlorine có ba lớp electron và lớp ngoài cùng là 3s² 3p⁵, gồm 7 electron.

Ô orbital của phân lớp 3p được biểu diễn:

3p⁵: [↑↓] [↑↓] [↑]

Như vậy, nguyên tử chlorine còn một electron độc thân trong phân lớp 3p.

Ví dụ 3: Nguyên tử calcium

Calcium có Z = 20 nên cần phân bố 20 electron. Cấu hình electron là: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²

Electron thứ 19 và 20 được điền vào phân lớp 4s trước 3d vì 4s có mức năng lượng thấp hơn 3d tại giai đoạn này [3] [4].

Calcium có bốn lớp electron. Lớp ngoài cùng là 4s² và chứa 2 electron.

Cách viết cấu hình electron rút gọn

Với nguyên tử có nhiều electron, có thể thay phần cấu hình bên trong bằng kí hiệu của khí hiếm gần nhất đứng trước nguyên tố. Kí hiệu khí hiếm được đặt trong ngoặc vuông [3] [4].

Ví dụ, cấu hình đầy đủ của sodium là: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹

Phần 1s² 2s² 2p⁶ giống cấu hình của neon nên có thể viết rút gọn: [Ne] 3s¹

Tương tự, chlorine có cấu hình rút gọn là: [Ne] 3s² 3p⁵

Calcium có cấu hình rút gọn là: [Ar] 4s²

Cách viết rút gọn giúp cấu hình ngắn gọn hơn nhưng vẫn thể hiện rõ các electron nằm ngoài lõi khí hiếm. Khi mới học, nên viết cấu hình đầy đủ trước để kiểm tra tổng số electron và hạn chế sai sót.

Bảng: Cấu hình electron của một số nguyên tử

Lưu ý khi viết cấu hình electron

Không nên nhầm thứ tự mức năng lượng với thứ tự trình bày cấu hình. Electron được điền vào 4s trước 3d, nhưng khi viết theo từng lớp, phân lớp 3d có thể được đặt trước 4s [1] [2].

Tổng các số viết phía trên phải bằng số electron cần phân bố. Ngoài ra, mỗi phân lớp phải tuân theo sức chứa tối đa và các electron trong orbital phải phù hợp với nguyên lí Pauli, quy tắc Hund.

Một số nguyên tố có cấu hình electron ngoại lệ, tiêu biểu như chromium và copper. Các trường hợp này liên quan đến độ bền của phân lớp d bán bão hòa hoặc bão hòa và cần được xem xét riêng [3] [4].

Cách xác định số electron lớp ngoài cùng và ý nghĩa

Electron lớp ngoài cùng là những electron thuộc lớp có số thứ tự n lớn nhất trong cấu hình electron. Chúng có vai trò quan trọng trong quá trình tạo liên kết và quyết định phần lớn tính chất hóa học của nguyên tố [1] [3].

Cách xác định số electron lớp ngoài cùng

Trước hết, cần viết đúng cấu hình electron theo các bước viết cấu hình electron nguyên tử. Sau đó, tìm lớp có giá trị n lớn nhất và cộng số electron trong tất cả các phân lớp thuộc lớp đó.

Ví dụ, sodium có cấu hình: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹

Giá trị n lớn nhất là 3. Lớp ngoài cùng chỉ gồm phân lớp 3s¹ nên sodium có 1 electron lớp ngoài cùng.

Chlorine có cấu hình: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵

Lớp ngoài cùng có n = 3, gồm 3s² và 3p⁵. Vì vậy, chlorine có 2 + 5 = 7 electron lớp ngoài cùng.

Ý nghĩa của số electron lớp ngoài cùng

Đối với các nguyên tố nhóm A, số electron lớp ngoài cùng giúp dự đoán xu hướng nhường, nhận hoặc dùng chung electron khi hình thành liên kết [1].

Trong phạm vi kiến thức phổ thông, lớp electron ngoài cùng của nguyên tử có tối đa 8 electron; riêng lớp K bão hòa khi có 2 electron [1].

Bảng: Mối liên hệ giữa electron lớp ngoài cùng và tính chất nguyên tố

Sodium có 1 electron lớp ngoài cùng nên dễ nhường 1 electron, thể hiện tính kim loại. Oxygen có cấu hình 1s² 2s² 2p⁴, gồm 6 electron lớp ngoài cùng, nên có xu hướng nhận thêm hoặc dùng chung electron và thể hiện tính phi kim.

Neon có cấu hình 1s² 2s² 2p⁶. Lớp ngoài cùng chứa 8 electron và đã bão hòa nên neon tương đối bền, ít tham gia phản ứng hóa học trong điều kiện thông thường [1] [3].

Cấu hình electron không chỉ mô tả sự phân bố electron mà còn giúp nhận biết đặc điểm hóa học cơ bản của nguyên tố. Tuy nhiên, các quy luật trên chủ yếu áp dụng thuận tiện cho nguyên tố nhóm A.

Cách xác định vị trí nguyên tố từ cấu hình electron

Từ cấu hình electron của nguyên tử trung hòa, có thể xác định vị trí cơ bản của nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Tổng số electron cho biết số hiệu nguyên tử Z và số thứ tự ô nguyên tố; số lớp electron cho biết số thứ tự chu kì. Với các nguyên tố nhóm A, số electron lớp ngoài cùng giúp xác định nhóm tương ứng [1].

Ví dụ, chlorine có cấu hình electron 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵. Nguyên tử có 17 electron nên chlorine ở ô số 17; có ba lớp electron nên thuộc chu kì 3; lớp ngoài cùng có 7 electron nên thuộc nhóm VIIA (nhóm 17).

Bài tập cấu hình electron có lời giải

Các bài tập dưới đây giúp củng cố cách xác định sức chứa electron, viết cấu hình electron, biểu diễn ô orbital và dự đoán tính chất nguyên tố.

Tính số orbital và số electron tối đa

Phương pháp giải

Một lớp electron có số thứ tự n chứa tối đa n² orbital và 2n² electron.

Số orbital của các phân lớp được xác định như sau:

• Phân lớp s có 1 orbital, chứa tối đa 2 electron.

• Phân lớp p có 3 orbital, chứa tối đa 6 electron.

• Phân lớp d có 5 orbital, chứa tối đa 10 electron.

• Phân lớp f có 7 orbital, chứa tối đa 14 electron.

Ví dụ 1. Lớp electron có n = 3 chứa tối đa bao nhiêu orbital và bao nhiêu electron?

Lời giải

Số orbital tối đa của lớp thứ ba là: n² = 3² = 9 orbital

Số electron tối đa của lớp thứ ba là: 2n² = 2 × 3² = 18 electron

Vậy lớp có n = 3 chứa tối đa 9 orbital và 18 electron.

Lớp này gồm các phân lớp 3s, 3p và 3d. Tổng số orbital là: 1 + 3 + 5 = 9 orbital

Ví dụ 2. Phân lớp 4d chứa tối đa bao nhiêu electron?

Lời giải

Kí hiệu d cho biết đây là phân lớp d. Mọi phân lớp d đều có 5 orbital và mỗi orbital chứa tối đa 2 electron.

Số electron tối đa là: 5 × 2 = 10 electron

Vậy phân lớp 4d chứa tối đa 10 electron.

Lưu ý: Số thứ tự lớp không làm thay đổi sức chứa của một loại phân lớp. Vì vậy, 2p, 3p và 4p đều chứa tối đa 6 electron.

Viết cấu hình electron khi biết số hiệu nguyên tử

Phương pháp giải

Bước 1. Xác định số electron của nguyên tử trung hòa bằng số hiệu nguyên tử Z.

Bước 2. Phân bố electron theo thứ tự mức năng lượng: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p…

Bước 3. Kiểm tra tổng các số viết phía trên. Tổng này phải bằng số electron của nguyên tử.

Ví dụ 1. Viết cấu hình electron của nguyên tử phosphorus có Z = 15.

Lời giải

Nguyên tử phosphorus trung hòa có 15 electron. Phân bố lần lượt 15 electron vào các phân lớp thu được: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³

Kiểm tra: 2 + 2 + 6 + 2 + 3 = 15 electron

Vậy cấu hình electron của phosphorus là 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³.

Ví dụ 2. Viết cấu hình electron của nguyên tử potassium có Z = 19.

Lời giải

Nguyên tử potassium có 19 electron. Electron được phân bố theo thứ tự mức năng lượng: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹

Phân lớp 4s được điền electron trước 3d. Tổng các số viết phía trên bằng 19 nên cấu hình đã viết phù hợp.

Lưu ý: Không viết 3d¹ trước 4s¹ đối với potassium. Khi bắt đầu phân bố electron ở vùng này, electron được điền vào 4s trước 3d.

Biểu diễn cấu hình electron theo ô orbital

Phương pháp giải

Mỗi orbital được biểu diễn bằng một ô vuông. Một electron được kí hiệu bằng ↑ hoặc ↓, còn hai electron trong cùng một orbital được biểu diễn bằng ↑↓.

Khi điền electron, cần tuân theo nguyên lí Pauli và quy tắc Hund. Electron phải chiếm riêng từng orbital cùng phân lớp với chiều spin giống nhau trước khi bắt đầu ghép đôi.

Ví dụ 1. Biểu diễn cấu hình electron của nitrogen theo ô orbital.

Lời giải

Nitrogen có Z = 7 nên cấu hình electron là: 1s² 2s² 2p³

Sơ đồ ô orbital:

1s: [↑↓]

2s: [↑↓]

2p: [↑] [↑] [↑]

Ba electron trong phân lớp 2p được phân bố vào ba orbital riêng biệt theo quy tắc Hund.

Ví dụ 2. Biểu diễn phân lớp 2p của oxygen có cấu hình 2p⁴.

Lời giải

Phân lớp p có ba orbital. Ba electron đầu tiên được điền riêng vào ba orbital, sau đó electron thứ tư mới ghép đôi:

2p⁴: [↑↓] [↑] [↑]

Phân lớp 2p của oxygen có hai electron độc thân.

Lưu ý: Các cách viết [↑↓] [↑↓] [ ] hoặc [↑↓] [↑] [ ] đối với 2p⁴ đều không đúng vì không tuân theo quy tắc Hund hoặc không đủ số electron.

Dự đoán tính chất từ cấu hình electron

Phương pháp giải

Trước hết, tìm lớp có giá trị n lớn nhất rồi cộng số electron trong các phân lớp thuộc lớp đó.

Đối với nguyên tố nhóm A, nguyên tử có 1, 2 hoặc 3 electron lớp ngoài cùng thường là kim loại. Nguyên tử có 5, 6 hoặc 7 electron lớp ngoài cùng thường là phi kim.

Nguyên tử có 8 electron lớp ngoài cùng thường thuộc nhóm khí hiếm. Riêng helium có 2 electron nhưng lớp K đã bão hòa nên cũng là khí hiếm.

Ví dụ 1. Dự đoán tính chất của nguyên tố có cấu hình electron 1s² 2s² 2p⁶ 3s².

Lời giải

Giá trị n lớn nhất là 3. Lớp ngoài cùng có cấu hình 3s² nên chứa 2 electron.

Nguyên tử có xu hướng nhường 2 electron để đạt cấu hình bền của khí hiếm gần nhất. Vì vậy, nguyên tố này có tính kim loại.

Cấu hình trên thuộc về magnesium, kí hiệu Mg.

Ví dụ 2. Dự đoán tính chất của nguyên tố có cấu hình electron 1s² 2s² 2p⁵.

Lời giải

Lớp ngoài cùng có n = 2, gồm 2s² và 2p⁵. Tổng số electron lớp ngoài cùng là: 2 + 5 = 7 electron

Nguyên tử có xu hướng nhận thêm 1 electron hoặc dùng chung electron khi tạo liên kết. Vì vậy, nguyên tố này là phi kim.

Cấu hình trên thuộc về fluorine, kí hiệu F.

Lưu ý: Quy tắc dự đoán dựa vào số electron lớp ngoài cùng được áp dụng thuận tiện cho các nguyên tố nhóm A. Không nên áp dụng máy móc cho mọi nguyên tố chuyển tiếp.

Xác định nguyên tố từ cấu hình electron

Phương pháp giải

Đối với nguyên tử trung hòa, cộng tất cả số electron trong cấu hình để tìm tổng số electron. Giá trị này bằng số hiệu nguyên tử Z.

Sau khi xác định Z, có thể tra bảng tuần hoàn để nhận biết tên và kí hiệu của nguyên tố.

Ví dụ 1. Xác định nguyên tố có cấu hình electron 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴.

Lời giải

Tổng số electron của nguyên tử là: 2 + 2 + 6 + 2 + 4 = 16 electron

Nguyên tử trung hòa có Z = 16. Đây là nguyên tố sulfur, kí hiệu S.

Giá trị n lớn nhất là 3 nên sulfur thuộc chu kì 3. Lớp ngoài cùng có 3s² 3p⁴, gồm 6 electron nên sulfur là một phi kim.

Ví dụ 2. Nguyên tử X có tổng số electron ở các phân lớp p là 11. Biết X thuộc chu kì 3, hãy xác định X.

Lời giải

Nguyên tố thuộc chu kì 3 có thể chứa electron trong các phân lớp 2p và 3p.

Phân lớp 2p đã bão hòa nên có 6 electron. Số electron trong phân lớp 3p là: 11 − 6 = 5 electron

Cấu hình electron của X là: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵

Tổng số electron là 17 nên X có Z = 17. Vậy X là chlorine, kí hiệu Cl.

Ví dụ 3. Nguyên tử Y có ba lớp electron và một electron lớp ngoài cùng. Xác định Y, biết Y thuộc nhóm A.

Lời giải

Nguyên tử có ba lớp electron nên thuộc chu kì 3. Một electron lớp ngoài cùng cho thấy cấu hình ngoài cùng có dạng 3s¹.

Cấu hình electron đầy đủ của Y là: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹

Tổng số electron là 11 nên Y có Z = 11. Vậy Y là sodium, kí hiệu Na.

Lưu ý: Khi đề bài cho dữ kiện về số lớp electron, số electron lớp ngoài cùng hoặc số electron trong một phân lớp, cần kết hợp các thông tin thay vì chỉ cộng số electron một cách máy móc.

Bài tập tự luyện

Bài 1. Lớp electron có n = 4 chứa tối đa bao nhiêu orbital và bao nhiêu electron?

Đáp án: 16 orbital và 32 electron.

Bài 2. Viết cấu hình electron của nguyên tử aluminium có Z = 13.

Đáp án: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹.

Bài 3. Biểu diễn phân lớp 3p⁴ theo ô orbital.

Đáp án: [↑↓] [↑] [↑].

Bài 4. Nguyên tố có cấu hình 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ thuộc loại kim loại, phi kim hay khí hiếm?

Đáp án: Khí hiếm vì lớp ngoài cùng có 8 electron và đã bão hòa. Đây là argon, kí hiệu Ar.

Bài 5. Xác định nguyên tố có cấu hình electron [Ne] 3s² 3p³.

Đáp án: Cấu hình đầy đủ có 10 + 2 + 3 = 15 electron. Nguyên tố có Z = 15 là phosphorus, kí hiệu P.

Cấu hình electron là kiến thức quan trọng giúp học sinh hiểu cách electron phân bố trong các lớp và phân lớp, từ đó xác định electron lớp ngoài cùng, vận dụng nguyên lí vững bền, nguyên lí Pauli và quy tắc Hund để viết cấu hình electron nguyên tử chính xác. Nắm vững cách viết cấu hình electron và thứ tự mức năng lượng sẽ tạo nền tảng để học tốt các nội dung về cấu tạo nguyên tử, bảng tuần hoàn và liên kết hóa học. Học sinh có thể tiếp tục hệ thống kiến thức và luyện tập thêm trong chuyên đề Hóa học 10 tại ZIM Academy.