Lý thuyết Bài tập xác định cấu hình electron của nguyên tử, ion

1. Cách viết cấu hình electron nguyên tử

- Cấu hình electron biểu diễn sự phân bố electron vào lớp vỏ nguyên tử theo các lớp và phân lớp.

- Các bước viết cấu hình electron nguyên tử:

+ Bước 1: Xác định số electron của nguyên tử

+ Bước 2: Điền electron theo thứ tự các mức năng lượng từ thấp đến cao (dãy Klechkovski): 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, …

Điền electron bão hòa phân lớp trước rồi mới điền tiếp vào phân lớp sau.

Chú ý: Quy tắc đường chéo xác định dãy Klechkovski (Klếch-cốp-ski) như sau:

+ Bước 3: Đổi lại vị trí các phân lớp sao cho số thứ tự lớp (n) tăng dần từ trái qua phải, các phân lớp trong cùng một lớp theo thứ tự s, p, d, f.

Ví dụ: Nguyên tử potassium (kí hiệu K) có Z = 19.

- Thứ tự các mức năng lượng: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹.

⇒ Cấu hình electron của nguyên tử K: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹.

Lưu ý: Cấu hình electron của nguyên tử K có thể viết gọn là [Ar]4s¹; kí hiệu [Ar] thay cho cấu hình nguyên tử khí hiếm Ar là 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶.

Chú ý:

- Cấu hình electron cho biết thứ tự mức năng lượng các electron giữa các phân lớp. Năng lượng electron trên mỗi phân lớp tăng theo chiều từ trái qua phải.

- Với 20 nguyên tố đầu tiên trong bảng tuần hoàn, việc điền electron theo bước 2 (ở trên) cũng chính là cấu hình electron nguyên tử.

- Với nguyên tử có cấu hình (n – 1)d^as^b thì b luôn bằng 2, a chọn các giá trị từ 1 ® 10. Trừ hai trường hợp sau:

Trường hợp 1: a + b = 6 thay vì a = 4 và b = 2 phải viết a = 5 và b = 1 (hiện tượng “bán bão hòa gấp phân lớp d”).

Trường hợp 2: a + b = 11 thay vì a = 9 và b = 2 phải viết a = 10 và b = 1 (hiện tượng “bão hòa gấp phân lớp d”).

Ví dụ: Nguyên tử chromium (Cr) có số hiệu nguyên tử Z = 24.

+ Số electron = Z = 24.

+ Thứ tự các mức năng lượng: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁴.

® Cấu hình electron của nguyên tử Cr là 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁴4s² hay [Ar]3d⁴4s².

Cấu hình electron trên không bền ® Xảy ra hiện tượng “bán bão hòa gấp phân lớp d”. Vậy, cấu hình electron của nguyên tử Cr là: [Ar]3d⁵4s¹.

2. Biểu diễn cấu hình electron theo ô orbital

- Biểu diễn cấu hình electron theo ô obital (còn gọi là cách biểu diễn cấu hình theo ô lượng tử) là một cách biểu diễn sự phân bố electron theo orbital, từ đó biết được số electron độc thân của nguyên tử.

- Các bước biểu diễn cấu hình theo orbital:

+ Bước 1:  Viết cấu hình electron của nguyên tử.

+ Bước 2:  Biểu diễn mỗi AO bằng một ô vuông (ô orbital hay ô lượng tử), các AO trong cùng phân lớp thì viết liền nhau, các AO khác phân lớp thì viết tách nhau. Thứ tự các orbital từ trái sang phải theo thứ tự như ở cấu hình electron.

+ Bước 3:  Điền electron vào từng ô orbital theo thứ tự lớp và phân lớp, mỗi electron biểu diễn bằng một mũi tên. Trong mỗi phân lớp, electron được phân bố sao cho số electron độc thân là lớn nhất, electron được điền vào các ô orbital theo thứ tự từ trái sang phải. Trong một ô orbital, electron đầu tiên được biểu diễn bằng mũi tên quay lên, electron thứ hai được biểu diễn bằng mũi tên đi xuống.

Ví dụ: Cấu hình theo ô orbital của C (Z = 6) như sau:

Như vậy, nguyên tử carbon có 2 electron độc thân, thuộc AO 2p.

3. Xác định cấu hình electron của ion

Để xác định cấu hình electron của ion cần xác định cấu hình electron của nguyên tử tương ứng. Sau đó, suy ra cấu hình electron của ion bằng cách thêm hoặc bớt electron.

+ Viết cấu hình electron của ion dương (cation):

R → Rⁿ⁺ + ne

Cấu hình electron của ion dương (Rⁿ⁺) thu được bằng cách lấy cấu hình electron của nguyên tử R bớt đi n electron (tính từ lớp ngoài cùng vào trong).

Ví dụ:

Mg có cấu hình electron: 1s²2s²2p⁶3s² suy ra cấu hình electron của Mg²⁺ là: 1s²2s²2p⁶.

+ Viết cấu hình electron của ion âm (anion):

X + ne → X^n-

Cấu hình electron của ion âm (X^n-) thu được bằng cách thêm n electron vào lớp ngoài cùng của cấu hình electron nguyên tử X.

Ví dụ:

O có cấu hình electron: 1s²2s²2p⁴ suy ra cấu hình electron của O^2- là: 1s²2s²2p⁶.

Ví dụ 1: Cấu hình electron của nguyên tử có Z = 16 là

A. 1s²2s²2p⁶3s²3p³.                         B. 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵.

C. 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴.                         D. 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: C

Nguyên tử có Z = 16 nên nguyên tử có 16 electron.

⇒ Cấu hình electron là 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴.

Ví dụ 2: Nguyên tử nguyên tố X có hai lớp electron, trong đó có một electron độc thân. Vậy X có thể là những nguyên tố nào?

Trả lời:

Cấu hình electron theo orbital của nguyên tố X có thể là

Vậy X có thể là Z = 3 (Li) hoặc Z = 5 (B) hoặc Z = 9 (F).

Ví dụ 3: Biết nguyên tử iron (kí hiệu Fe) có số hiệu nguyên tử là 26. Hãy viết cấu hình electron ion Fe²⁺; Fe³⁺.

Hướng dẫn giải:

Nguyên tử Fe có số hiệu nguyên tử là 26, nên có 26 electron.

Cấu hình electron nguyên tử Fe: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s².

Fe → Fe²⁺ + 2e

Vậy cấu hình ion Fe²⁺: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶

Fe → Fe³⁺ + 3e

Vậy cấu hình ion Fe³⁺: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵.