Hóa học lớp 10 · KNTT · Chương 1

Lý thuyết Hóa học 10 Bài 3: Cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử

Chương 1: Cấu tạo nguyên tử · Kết nối tri thức với cuộc sống

Tóm tắt lý thuyết Hóa học 10 Bài 3: Cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử theo chương trình SGK Kết nối tri thức với cuộc sống. Hệ thống hoá toàn bộ kiến thức trọng tâm, phương trình phản ứng hóa học KaTeX chuẩn, bảng biểu trực quan và câu hỏi củng cố có lời giải chi tiết.

Lớp

10 11 12

Môn

Toán học Vật lý Hóa học Ngữ văn Tiếng Anh Sinh học Lịch sử Địa lý Giáo dục kinh tế & pháp luật Tin học Công nghệ

I. Chuyển động của electron trong nguyên tử

- Đến đầu thế kỉ XX, người ta vẫn cho rằng các electron chuyển động xung quanh hạt nhân theo những quỹ đạo tròn hay bầu dục, giống như quỹ đạo của các hành tinh quay xung quanh mặt trời.

- Mô hình hành tinh nguyên tử có ảnh hưởng rất lớn, thúc đẩy sự phát triển lí thuyết cấu tạo nguyên tử, nhưng không đầy đủ để giải thích nhiều tính chất của nguyên tử.

- Theo mô hình hiện đại, trong nguyên tử, các electron chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân không theo một quỹ đạo xác định.

- Orbital nguyên tử (Atomic Orbital, viết tắt AO) là khu vực không gian xung quanh hạt nhân nguyên tử mà tại đó xác suất tìm thấy electron là lớn nhất (khoảng 90%).

1. Hình dạng orbital nguyên tử

- Khi chuyển động trong nguyên tử, các electron có những mức năng lượng khác nhau đặc trưng cho trạng thái chuyển động của nó.

- Dựa trên sự khác nhau về hình dạng, sự định hướng của orbital trong nguyên tử để phân loại orbital thành orbital s, orbital p, orbital d và orbital f.

- Các orbital s có dạng hình cầu và orbital p có dạng hình số 8 nổi.

2. Ô orbital

- Một AO được biểu diễn bằng một ô vuông, gọi là ô orbital.

- Trong 1 orbital chỉ chứa tối đa 2 electron có chiều tự quay ngược nhau (nguyên lí loại trừ Pau – li).

+ Nếu orbital có 1 electron thì biểu diễn bằng 1 mũi tên đi lên.

+ Nếu orbital có 2 electron thì được biểu diễn bằng 2 mũi tên ngược chiều nhau, mũi tên đi lên viết trước.

II. Lớp và phân lớp electron

Trong nguyên tử, các electron được sắp xếp thành từng lớp và phân lớp theo năng lượng từ thấp đến cao.

1. Lớp electron

- Những electron ở lớp gần hạt nhân bị hút mạnh hơn về phía hạt nhân, vì thế có năng lượng thấp hơn so với những electron ở lớp xa hạt nhân.

- Các electron thuộc cùng một lớp có mức năng lượng gần bằng nhau.

- Người ta đánh số thứ tự lớp từ trong ra ngoài và được biểu thị bằng các số nguyên n = 1, 2, 3, …, 7 với tên gọi là các chữ cái in hoa như sau:

n	1	2	3	4	5	6	7
Tên lớp	K	L	M	N	O	P	Q

2. Phân lớp electron

- Các phân lớp trong mỗi lớp electron được kí hiệu bằng các chữ cái viết thường, theo thứ tự: s, p, d, f.

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

- Với 4 lớp đầu (1, 2, 3, 4) số phân lớp trong mỗi lớp bằng số thứ tự của lớp đó.

+ Lớp thứ nhất (lớp K, với n = 1) có một phân lớp, được kí hiệu là 1s.

+ Lớp thứ hai (lớp L, với n = 2) có hai phân lớp, được kí hiệu là 2s và 2p.

+ Lớp thứ ba (lớp M, với n = 3) có ba phân lớp, được kí hiệu là 3s, 3p và 3d.

+ Lớp thứ tư (lớp N, với n = 4) có bốn phân lớp, được kí hiệu là 4s, 4p, 4d và 4f.

- Các electron ở phân lớp s gọi là electron s, các electron ở phân lớp p được gọi là electron p….

3. Số lượng orbital trong một phân lớp, trong một lớp

- Trong một phân lớp, các orbital có cùng mức năng lượng.

+ Phân lớp s: có 1 AO s

+ Phân lớp p: có 3 AO p_x, p_y, p_z

+ Phân lớp d: có 5 AO

+ Phân lớp f: có 7 AO

- Trong lớp electron thứ n có n² AO (n ≤ 4).

- Ví dụ:

Lớp L (n = 2) có 2 phân lớp là 2s và 2p. Trong đó, phân lớp 2s có 1AO, phân lớp 2p có 3AO nên tổng số orbital trong lớp L là 1 + 3 = 4 hay 2² AO.

III. 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.

- Các electron trong nguyên tử ở trạng thái cơ bản lần lượt chiếm các AO có mức năng lượng từ thấp đến cao (nguyên lí vững bền).

- Trong cùng một phân lớp, các electron sẽ phân bố trên các AO sao cho số electron độc thân là tối đa và các electron này có chiều tự quay giống nhau (quy tắc Hund).

- Cấu hình electron của nguyên tử cho biết số lớp electron, thứ tự phân lớp electron và số electron trong mỗi lớp và mỗi phân lớp.

- Quy ước cách biểu diễn sự phân bố electron trên các phân lớp thuộc các lớp như sau:

1. Cách viết cấu hình electron

+ Bước 1: Xác định số electron trong nguyên tử.

+ Bước 2: Viết thứ tự các lớp và phân lớp electron theo chiều tăng của năng lượng: 1s 2s 2p 3s 3p 4s …

+ Bước 3: Điền các electron vào phân lớp theo nguyên lí vững bền cho đến electron cuối cùng.

Ví dụ:

Mg (Z = 12): Cấu hình electron: 1s²2s²2p⁶3s² hoặc viết gọn là: [Ne]3s².

[Ne] là kí hiệu cấu hình electron nguyên tử của nguyên tố neon, là khí hiếm gần nhất đứng trước Mg.

Electron cuối cùng điền vào phân lớp s nên Mg là nguyên tố s.

2. Biểu diễn cấu hình electron theo ô orbital

Ví dụ: Cấu hình electron của nguyên tử Mg (Z = 12): 1s²2s²2p⁶3s² có thể được biểu diễn theo AO như sau:

3. Đặc điểm electron lớp ngoài cùng của nguyên tử

- Các electron lớp ngoài cùng quyết định tính chất hóa học cơ bản của nguyên tố (kim loại, phi kim, khí hiếm).

+ Các nguyên tử có 8 electron ở lớp ngoài cùng là nguyên tử của nguyên tố khí hiếm (trừ He có 2 electron ở lớp ngoài cùng).

+ Các nguyên tử có 1, 2, 3 electron ở lớp ngoài cùng thường là nguyên tử của các nguyên tố kim loại (trừ H, He, B).

+ Các nguyên tử có 5, 6, 7 electron ở lớp ngoài cùng thường là nguyên tử của các nguyên tố phi kim.

+ Các nguyên tử có 4 electron ở lớp ngoài cùng có thể là nguyên tử của nguyên tố kim loại hoặc phi kim.

🌟 Em đã học (Ghi nhớ kiến thức trọng tâm)

Theo mô hình hiện đại, electron chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân không theo quỹ đạo xác định, tạo thành đám mây electron. Vùng không gian xung quanh hạt nhân mà tại đó xác suất tìm thấy electron lớn nhất (khoảng 90%) gọi là orbital nguyên tử (AO).
Các orbital nguyên tử có dạng hình cầu ( $s$ ), dạng số 8 nổi ( $p_x, p_y, p_z$ ), hoặc các hình dạng phức tạp hơn ( $d, f$ ). Mỗi orbital chứa tối đa 2 electron có spin ngược chiều nhau.
Lớp electron gồm các electron có mức năng lượng gần bằng nhau (được đánh số $n = 1, 2, 3, 4\dots$ tương ứng các chữ cái $K, L, M, N\dots$ ). Số electron tối đa trong lớp thứ $n$ là $2n^2$ ( $n \le 4$ ).
Phân lớp electron gồm các electron có mức năng lượng bằng nhau, kí hiệu $s, p, d, f$ . Số orbital và số electron tối đa trong các phân lớp lần lượt là: phân lớp $s$ (1 AO, tối đa $2e$ ), $p$ (3 AO, tối đa $6e$ ), $d$ (5 AO, tối đa $10e$ ), $f$ (7 AO, tối đa $14e$ ).
Cấu hình electron nguyên tử biểu diễn sự phân bố electron trên các phân lớp theo thứ tự mức năng lượng tăng dần: $1s\, 2s\, 2p\, 3s\, 3p\, 4s\, 3d\, 4p\dots$ Tuân thủ nghiêm ngặt nguyên lí vững bền, nguyên lí Pauli và quy tắc Hund.

Câu hỏi ôn tập & củng cố bài học

Khái niệm Orbital nguyên tử (AO) theo mô hình hiện đại khác gì so với quỹ đạo elip của mô hình Bohr?

Theo mô hình Bohr cũ, electron chuyển động xung quanh hạt nhân theo những quỹ đạo tròn hoặc elip xác định cố định. Trái lại, theo cơ học lượng tử và mô hình hiện đại, electron có bản chất sóng - hạt chuyển động rất nhanh và hỗn loạn, không thể xác định đồng thời chính xác vị trí và vận tốc (nguyên lí bất định Heisenberg). Khái niệm Orbital nguyên tử (AO) là khu vực không gian quanh hạt nhân mà xác suất tìm thấy electron tại đó là lớn nhất (khoảng 90%). Không có một đường viền vật lý cứng nhắc nào bao quanh quỹ đạo của electron.

Các nguyên lí và quy tắc phân bố electron vào nguyên tử gồm những gì?

Sự phân bố electron vào các lớp vỏ tuân theo 3 nguyên lí cốt lõi: 1. Nguyên lí vững bền: Ở trạng thái cơ bản, các electron chiếm lần lượt các orbital có mức năng lượng từ thấp đến cao (

1s\, 2s\, 2p\, 3s\, 3p\, 4s\, 3d\dots

). 2. Nguyên lí Pauli: Trên mỗi orbital chỉ có thể chứa tối đa 2 electron và hai electron này có chiều tự quay (spin) ngược nhau (biểu diễn bằng hai mũi tên ngược chiều

\uparrow\downarrow

). 3. Quy tắc Hund: Trong cùng một phân lớp chưa bão hòa, các electron có xu hướng phân bố đều vào các orbital sao cho số electron độc thân là lớn nhất và các electron độc thân này phải có spin cùng chiều.

Viết cấu hình electron của nguyên tử Fe (

Z = 26

) và ion

\text{Fe}^{2+}, \text{Fe}^{3+}

- Nguyên tử

\text{Fe}

(

Z = 26

): Thứ tự mức năng lượng là

1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^6

. Sắp xếp lại theo từng lớp:

1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^6 4s^2

hoặc viết gọn là

[\text{Ar}] 3d^6 4s^2

. - Khi nhường electron tạo cation, electron ở lớp ngoài cùng (

4s

) bị mất trước: + Ion

\text{Fe}^{2+}

(mất

2e

ở phân lớp

4s

[\text{Ar}] 3d^6

+ Ion

\text{Fe}^{3+}

(mất thêm

1e

ở phân lớp

3d

để đạt cấu hình bán bão hòa bền vững

3d^5

[\text{Ar}] 3d^5

Dựa vào cấu hình electron lớp ngoài cùng, làm thế nào để dự đoán một nguyên tố là kim loại, phi kim hay khí hiếm?

Ta căn cứ vào số electron lớp ngoài cùng của nguyên tử: - Nguyên tử có

1, 2, 3

electron lớp ngoài cùng (trừ

H, He, B

) là các nguyên tử kim loại (dễ nhường

e

). - Nguyên tử có

5, 6, 7

electron lớp ngoài cùng là các nguyên tử phi kim (dễ nhận thêm

e

). - Nguyên tử có

8

electron lớp ngoài cùng (và nguyên tử Helium có

2

electron lớp ngoài cùng) là các khí hiếm (cấu hình bão hòa cực kì bền vững, trơ về mặt hóa học). - Nguyên tử có

4

electron lớp ngoài cùng có thể là phi kim (như

C, Si

) hoặc kim loại (như

Ge, Sn, Pb

Đề luyện tập theo bài

Bài 3: Cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử - Đề 1 (Nhận biết)28 câu hỏi · Nhận biết

Làm đề

Bài 3: Cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử - Đề 2 (Thông hiểu)28 câu hỏi · Thông hiểu

Làm đề

Bài 3: Cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử - Đề 3 (Vận dụng)28 câu hỏi · Vận dụng

Làm đề

Bài 3: Cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử - Đề 4 (Tổng hợp)28 câu hỏi · Vận dụng cao

Làm đề

Bài 3: Cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử - Đề 5 (Nâng cao)28 câu hỏi · Tổng hợp

Làm đề