Cách Hiểu Cấu Hình Điện Tử của Nguyên Tử

Cấu hình điện tử của một nguyên tử là cách mô tả cách các electron của nó được sắp xếp ở các mức năng lượng và mức phụ khác nhau xung quanh nhân. Cấu hình điện tử của một nguyên tử xác định nhiều tính chất vật lý và hóa học của nó, như cách nó phản ứng với các nguyên tử khác, cách nó dẫn điện, và cách nó hành xử trong một trường từ.

Điện tử là gì?

Điện tử là một hạt siêu vi có điện tích âm quay xung quanh nhân của một nguyên tử. Nhân bao gồm các proton có điện tích dương và neutron có điện tích trung tính. Số lượng proton trong nhân xác định số nguyên tử của một nguyên tố, và số lượng electron trong một nguyên tử trung hòa bằng số lượng proton.

Điện tử có khối lượng rất nhỏ so với proton và neutron, và chúng di chuyển rất nhanh trên quỹ đạo của mình. Các quỹ đạo không phải là đường tròn mà là các vùng không gian nơi điện tử có khả năng xuất hiện cao nhất. Các vùng này được gọi là quỹ đạo hoặc mức phụ, và chúng có các hình dạng và kích thước khác nhau tùy theo mức năng lượng của chúng.

Mức năng lượng là gì?

Mức năng lượng là một vỏ chính hoặc quỹ đạo chứa một hoặc nhiều mức phụ hoặc quỹ đạo. Mức năng lượng của một quỹ đạo được xác định bởi khoảng cách của nó từ nhân: càng gần, năng lượng càng thấp; càng xa, năng lượng càng cao.

Các mức năng lượng được đánh số từ 1 đến 7, bắt đầu từ mức gần nhất với nhân. Mức năng lượng thứ nhất có thể chứa tối đa 2 electron, mức thứ hai có thể chứa tối đa 8, mức thứ ba có thể chứa tối đa 18, v.v. Công thức để tính số lượng electron tối đa trong một mức năng lượng là 2n^2, trong đó n là số mức năng lượng.

Mức phụ là gì?

Mức phụ là một phân chia của mức năng lượng chứa một hoặc nhiều quỹ đạo có cùng hình dạng và năng lượng. Các mức phụ được đặt tên bằng các chữ cái: s, p, d, f, g, v.v., tương ứng với số lượng tử quỹ đạo 0, 1, 2, 3, 4, v.v. Số lượng mức phụ trong một mức năng lượng bằng số mức năng lượng: ví dụ, mức năng lượng thứ nhất có một mức phụ (s), mức thứ hai có hai (s và p), mức thứ ba có ba (s, p, và d), v.v.

Số lượng electron tối đa có thể chứa trong một mức phụ được cho bởi công thức 2(2l + 1), trong đó l là số lượng tử quỹ đạo. Ví dụ, mức phụ s có thể chứa tối đa 2 electron, mức phụ p có thể chứa tối đa 6, mức phụ d có thể chứa tối đa 10, và mức phụ f có thể chứa tối đa 14.

Quỹ đạo là gì?

Quỹ đạo là một vùng không gian trong mức phụ nơi một electron có thể được tìm thấy với một xác suất nhất định. Hình dạng và kích thước của một quỹ đạo phụ thuộc vào mức năng lượng và mức phụ của nó: ví dụ, quỹ đạo s có hình cầu, quỹ đạo p có hình quả bóng, quỹ đạo d có hình bốn cánh hoa hoặc phức tạp, và quỹ đạo f thậm chí còn phức tạp hơn.

Mỗi quỹ đạo có thể chứa tối đa 2 electron với các chiều xoay ngược nhau: một xoay theo chiều kim đồng hồ và một xoay ngược chiều kim đồng hồ. Chiều xoay là một tính chất khác của electron ảnh hưởng đến hành vi từ tính của chúng.

Làm thế nào để viết cấu hình điện tử của một nguyên tử?

Cấu hình điện tử của một nguyên tử được viết bằng cách liệt kê tất cả các mức phụ đã chiếm với số lượng electron của chúng được ghi bằng chỉ số. Ví dụ, cấu hình điện tử của hydro (H) có một electron là 1s^1; cấu hình điện tử của heli (He) có hai electron là 1s^2; cấu hình điện tử của lithium (Li) có ba electron là 1s^2 2s^1; và v.v.

Thứ tự mà các mức phụ được lấp đầy tuân theo một quy tắc gọi là nguyên tắc Aufbau hoặc nguyên tắc xây dựng: electron chiếm các quỹ đạo có năng lượng thấp nhất trước khi di chuyển đến các quỹ đạo có năng lượng cao hơn. 

Làm thế nào để áp dụng nguyên tắc Aufbau?

Để viết cấu hình điện tử của một nguyên tử sử dụng nguyên tắc Aufbau, chúng ta cần làm theo các bước sau:

1. Bắt đầu với quỹ đạo có năng lượng thấp nhất, đó là quỹ đạo 1s, và lấp đầy nó với tối đa hai electron.

2. Di chuyển đến quỹ đạo có năng lượng thấp tiếp theo, đó là quỹ đạo 2s, và lấp đầy nó với tối đa hai electron.

3. Di chuyển đến quỹ đạo có năng lượng thấp tiếp theo, đó là quỹ đạo 2p, và lấp đầy nó với tối đa sáu electron.

4. Tiếp tục quá trình này cho đến khi tất cả các electron của nguyên tử được gán cho các quỹ đạo.

Để đơn giản hóa việc viết cấu hình điện tử, chúng ta có thể sử dụng ký hiệu ngắn gọn sử dụng ký hiệu của khí quý trước đó trong dấu ngoặc vuông để đại diện cho các electron nội bộ đang ở cấu hình ổn định. Ví dụ, thay vì viết 1s^2 2s^2 2p^6 cho neon (Ne), chúng ta có thể viết [He] 2s^2 2p^6, trong đó [He] đại diện cho cấu hình của heli (He).

Chúng ta cũng có thể sử dụng sơ đồ gọi là sơ đồ quỹ đạo hoặc sơ đồ cấu hình điện tử để hiển thị sự phân bố của electron trong các quỹ đạo bằng mũi tên hoặc vòng tròn. Các mũi tên đại diện cho chiều xoay của electron, và chúng phải được ghép đôi với chiều xoay ngược nhau trong mỗi quỹ đạo. Các vòng tròn đại diện cho electron mà không hiển thị chiều xoay của chúng.

Những ngoại lệ của nguyên tắc Aufbau là gì?

Nguyên tắc Aufbau hoạt động tốt cho hầu hết các nguyên tố, nhưng có một số ngoại lệ mà electron không lấp đầy quỹ đạo theo mức năng lượng của chúng. Những ngoại lệ này xảy ra vì một số nguyên tử ổn định hơn khi chúng có mức phụ nửa đầy hoặc đầy, đặc biệt là trong các khối d và f.

Ví dụ, crôm (Cr) có số nguyên tử là 24, nghĩa là nó có 24 electron. Theo nguyên tắc Aufbau, cấu hình điện tử của nó nên là [Ar] 4s^2 3d^4, trong đó [Ar] đại diện cho cấu hình của argon (Ar). Tuy nhiên, cấu hình này không ổn định lắm vì mức phụ 3d chỉ được lấp đầy một phần với bốn electron. Một cấu hình ổn định hơn là [Ar] 4s^1 3d^5, trong đó cả mức phụ 4s và 3d đều được lấp đầy một nửa với một và năm electron, tương ứng.

Một ví dụ khác là đồng (Cu), có số nguyên tử là 29 và 29 electron. Theo nguyên tắc Aufbau, cấu hình điện tử của nó nên là [Ar] 4s^2 3d^9, trong đó [Ar] đại diện cho cấu hình của argon (Ar). Tuy nhiên, cấu hình này không ổn định lắm vì mức phụ 3d chỉ được lấp đầy một phần với chín electron. Một cấu hình ổn định hơn là [Ar] 4s^1 3d^10, trong đó cả mức phụ 4s và 3d đều được lấp đầy hoàn toàn với một và mười electron, tương ứng.

Có những ngoại lệ khác của nguyên tắc Aufbau trong các kim loại chuyển tiếp (khối d) và các lanthanide và actinide (khối f). Để nhận biết những ngoại lệ này, chúng ta cần xem xét cấu hình điện tử quan sát được của chúng và so sánh chúng với cấu hình dự đoán dựa trên mức năng lượng của chúng.

Tại sao cấu hình điện tử của một nguyên tử lại quan trọng?

Cấu hình điện tử của một nguyên tử quan trọng vì nó xác định nhiều tính chất vật lý và hóa học của nó. Ví dụ:

• Số lượng electron valence, là các electron ở vỏ ngoàimost hoặc mức phụ, ảnh hưởng đến cách một nguyên tử tạo liên kết với các nguyên tử khác. Các nguyên tử có xu hướng tăng hoặc mất electron để đạt được cấu hình ổn định của tám electron valence (hoặc hai đối với hydro và heli), điều này được gọi là quy tắc octet. Quy tắc này giải thích tại sao các nguyên tử tạo ion, liên kết cộng hóa trị, hoặc liên kết kim loại.

• Hình dạng và hướng của các quỹ đạo ảnh hưởng đến cách các nguyên tử tạo các quỹ đạo lai, là sự kết hợp của các quỹ đạo cho phép các nguyên tử tạo liên kết theo các hướng khác nhau. Ví dụ, cacbon có thể tạo bốn quỹ đạo lai sp^3 chỉ về các góc của một tetrahedron, hoặc ba quỹ đạo lai sp^2 chỉ về các góc của một tam giác, hoặc hai quỹ đạo la