Orbital nguyên tử là gì? Nguyên lý Pauli và quy tắc Hund là gì? Lớp, phân lớp và cấu hình electron

Trong bài viết dưới đây hãy cùng chúng tôi tìm hiểu về obitan nguyên tử là gì? Nguyên lý Pauli và quy tắc Hund (Hun), trạng thái nguyên lý ổn định? Vỏ điện tử và vỏ con là gì? cách viết cấu hình electron?…

I. Sự chuyển động của electron trong nguyên tử

1. Sự chuyển động của electron trong nguyên tử

– Theo mô hình nguyên tử Rutherford-Bohr (mô hình hành tinh của nguyên tử), các electron chuyển động theo những quỹ đạo hình tròn hoặc bầu dục xác định xung quanh hạt nhân.

– Theo mô hình hiện đại, trong nguyên tử, các êlectron chuyển động rất nhanh quanh hạt nhân không theo một quỹ đạo xác định, tạo thành đám mây êlectron.

2. Quỹ đạo nguyên tử

– Quỹ đạo nguyên tử (Atomic Orbital, viết tắt là AO) là vùng không gian xung quanh hạt nhân nguyên tử mà xác suất tìm thấy electron là lớn nhất (khoảng 90%).

– Một số AO thường gặp: s, p, d, f

– Các AO có hình dạng khác nhau: AO s có dạng hình cầu, AO p có dạng bát giác nổi, AO d và f có dạng phức tạp.

II. Lớp electron và lớp con

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

1. Lớp vỏ electron là gì?

– Trong nguyên tử, các electron được xếp thành các lớp (kí hiệu K, L, M, N, O, P, Q) từ gần ra xa hạt nhân, theo thứ tự từ n = 1 đến n = 7 lớp.

– Các electron trong cùng một lớp vỏ có năng lượng xấp xỉ nhau.

2. Phân lớp electron là gì?

– Mỗi lớp vỏ electron chia thành các lớp con, được ký hiệu bằng các chữ cái viết thường: s, p, d, f. Các electron trong các phân lớp s, p, d và f được gọi tương ứng là các electron s, p, d và f.

– Các phân lớp s, p, d, f có số AO lần lượt là 1, 3, 5, 7.

– Các electron trong cùng một phân lớp có năng lượng như nhau.

– Đối với 4 lớp đầu tiên (1, 2, 3, 4), số lớp con trong mỗi lớp bằng số thứ tự của lớp đó.

* Ví dụ: Lớp thứ ba có 3 phân lớp. Lớp thứ 4 có 4 phân lớp.

III. cấu hình electron nguyên tử

1. Nguyên tắc bền vững

– Trong nguyên tử, các electron trong mỗi AO có một mức năng lượng xác định. Mức năng lượng này gọi là mức năng lượng AO nguyên tử.

Nguyên tắc bền vững: Ở trạng thái cơ bản, các electron trong nguyên tử chiếm các obitan có mức năng lượng từ thấp đến cao: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p…

– Các electron trên các AO khác nhau của cùng một phân lớp có năng lượng như nhau.

* Ví dụ: Phân lớp 3p co 3 ao 3p_x3p_y3p_z; Mặc dù các electron của AO p trong lớp con này có định hướng không gian khác nhau, nhưng chúng có cùng mức năng lượng AO.

2. Nguyên tắc Pauli

– Để biểu diễn obitan nguyên tử, người ta dùng ô vuông, gọi là ô lượng tử. Mỗi ô lượng tử tương ứng với một AO. Mỗi AO chứa tối đa 2 electron.

+ Nếu trong AO chỉ có 1 electron thì electron đó gọi là electron đơn độc (kí hiệu bằng mũi tên ↑ hướng lên).

+ Nếu AO chứa đủ 2 electron thì các electron đó gọi là electron ghép cặp (kí hiệu bằng 2 mũi tên ngược nhau ↑↓).

Nguyên lý Pauli: Mỗi obitan chứa tối đa 2 electron và có chiều quay ngược nhau.

– Dựa vào nguyên lý Pauli ta dễ dàng xác định được số AO và số electron tối đa trong mỗi lớp vỏ và phân lớp:

+ Số AO tối đa trong phân lớp n là N² (n≤ 4).

+ Số electron tối đa ở lớp vỏ thứ n là 2n² (n≤ 4).

* Ví dụ: Số AO tối đa của lớp thứ 2 là 2² = 4

Số electron tối đa ở lớp thứ 2 là 2,2² = 8 electron.

3. Quy tắc Hund

– Phân lớp: s²; P⁶; đ^mười; f¹⁴ chứa số electron tối đa gọi là phân loại bão hòa.

– Phân lớp: s^{Đầu tiên}; P³; đ⁵; f⁷ chứa một nửa số electron tối đa gọi là phân lớp bán bão hòa.

– Các phân lớp không có số electron tối đa được gọi là phân loại không bão hòa.

– Quy tắc Hund: Trong cùng một phân lớp chưa no, các electron sẽ được phân bố vào các obitan sao cho số electron chưa no là lớn nhất.

4. Cách viết cấu hình electron của nguyên tử

– Cấu hình electron nguyên tử biểu thị sự phân bố electron trong lớp vỏ nguyên tử trên các phân lớp khác nhau.

– Cấu hình electron của nguyên tử phải được viết theo thứ tự của các lớp electron và phân lớp trong mỗi lớp. Trong đó:

+ Số thứ tự các lớp electron được viết bằng các số tự nhiên (n = 1, 2, 3,…)

+ Phân lớp được kí hiệu bằng các chữ thường s, p, d, f.

+ Số electron của mỗi phân lớp được biểu thị bằng số ở trên, bên phải ký hiệu phân lớp.

– Quy ước biểu diễn sự phân bố electron trên các phân lớp của các lớp như sau:

• Cách viết cấu hình electron:

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

+ Bước 2: Các electron được phân bố theo thứ tự các AO tăng dần mức năng lượng, tuân theo các nguyên tắc và quy luật phân bố electron trong nguyên tử.

+ Bước 3: Viết cấu hình electron theo thứ tự các phân lớp trong một lớp và theo thứ tự của các lớp electron.

* Ví dụ: Ca (Z = 20): Bậc năng lượng quỹ đạo: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s².

Cấu hình điện tử: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s² hoặc viết tắt là: [Ar]4s².

[Ar] là ký hiệu cho cấu hình electron nguyên tử của nguyên tố argon, khí hiếm gần nhất trước Ca.

Cấu hình electron theo obitan của Ca:

5. Đặc điểm electron lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử

– Dựa vào số lượng electron ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử một nguyên tố, có thể dự đoán nguyên tố đó là kim loại, phi kim hay khí hiếm.

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

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

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

+ 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).