Bài 3: Cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử

1. Kiến thức trọng tâm

Electron trong nguyên tử chuyển động xung quanh hạt nhân và được sắp xếp thành các lớp, mỗi lớp lại gồm các phân lớp. Các lớp electron được đánh số từ trong ra ngoài là $n = 1, 2, 3, 4, \dots$ tương ứng với các kí hiệu $K, L, M, N, \dots$ Số electron tối đa trên lớp thứ $n$ là $2n^2$.

Mỗi lớp gồm các phân lớp, kí hiệu là $s, p, d, f$. Phân lớp $s$ chứa tối đa $2$ electron, phân lớp $p$ chứa tối đa $6$ electron, phân lớp $d$ chứa tối đa $10$ electron và phân lớp $f$ chứa tối đa $14$ electron. Lớp thứ $n$ có $n$ phân lớp: lớp $K$ chỉ có $s$; lớp $L$ có $s, p$; lớp $M$ có $s, p, d$; lớp $N$ có $s, p, d, f$.

Electron được điền vào các phân lớp theo thứ tự mức năng lượng tăng dần (thứ tự Aufbau): $1s\ 2s\ 2p\ 3s\ 3p\ 4s\ 3d\ 4p\ 5s\ 4d\ 5p\ 6s\ 4f\ 5d\ 6p\ 7s\ 5f\ 6d\ 7p$. Trong mỗi phân lớp, electron được điền sao cho số electron độc thân là tối đa trước khi ghép đôi (quy tắc Hund).

Cấu hình electron lớp ngoài cùng quyết định tính chất hóa học của nguyên tố. Nguyên tử có $1, 2, 3$ electron lớp ngoài cùng thường nhường electron, tạo thành kim loại; nguyên tử có $5, 6, 7$ electron lớp ngoài cùng thường nhận electron, tạo thành phi kim; nguyên tử có $8$ electron lớp ngoài cùng (trừ heli có $2$ electron) có cấu hình bền vững, rất khó tham gia phản ứng hóa học.

2. Ví dụ minh họa

Viết cấu hình electron của nguyên tử sắt, biết sắt có số hiệu nguyên tử $Z = 26$.

Lời giải: Điền 26 electron theo thứ tự mức năng lượng tăng dần:

$1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^6\ 4s^2\ 3d^6$.

Kiểm tra: $2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 6 = 26$, đủ số electron. Sắt có $2$ electron lớp ngoài cùng ($4s^2$) nên là kim loại.

3. Ghi nhớ

• Lớp thứ $n$ chứa tối đa $2n^2$ electron; phân lớp $s, p, d, f$ chứa tối đa $2, 6, 10, 14$ electron.
• Điền electron theo thứ tự mức năng lượng tăng dần (thứ tự Aufbau).
• Số electron lớp ngoài cùng quyết định tính chất hóa học cơ bản của nguyên tố.