Trong bài viết này, hãy cùng Thuonghieuviet tìm hiểu về khái niệm lớp và phân lớp electron, cách xác định số electron tối đa trong mỗi lớp và phân lớp, cũng như các ứng dụng của nó trong hóa học.
Giới thiệu về Electron
Electron là một hạt mang điện tích âm có trong nguyên tử và bao quanh hạt nhân. Electron có vai trò quan trọng trong các phản ứng hóa học, vì chúng quyết định tính chất hóa học của nguyên tử và phân tử. Để nghiên cứu về electron, chúng ta cần biết về cấu trúc vỏ nguyên tử, tức là cách phân bố của các electron trong nguyên tử.
Cấu trúc vỏ nguyên tử được mô tả bằng các khái niệm lớp và phân lớp electron. Lớp và phân lớp electron là những nhóm các electron có mức năng lượng gần bằng nhau. Mỗi lớp và phân lớp có một số electron tối đa nhất định, không thể vượt quá. Số electron tối đa trong mỗi lớp và phân lớp được xác định bằng các công thức toán học hoặc quy tắc Klechkovsky.
Cấu hình electron nguyên tử là cách biểu diễn số electron trong mỗi lớp và phân lớp của nguyên tử. Cấu hình electron nguyên tử cho biết sự sắp xếp của các electron theo thứ tự tăng dần của năng lượng. Cấu hình electron nguyên tử có thể được viết theo hai cách: cách viết rút gọn hoặc cách viết đầy đủ.
Lớp và phân lớp electron
Lớp electron là nhóm các electron có số lượng tử chính (n) bằng nhau. Số lượng tử chính là số nguyên dương chỉ khoảng cách từ hạt nhân đến quỹ đạo của electron. Có 7 lớp electron, được ký hiệu bằng các số từ 1 đến 7 hoặc các chữ cái K, L, M, N, O, P, Q.
Phân lớp electron là nhóm các electron có số lượng tử chính (n) và số lượng tử phụ (l) bằng nhau. Số lượng tử phụ là số nguyên không âm chỉ hình dạng của quỹ đạo của electron. Có 4 loại phân lớp electron, được ký hiệu bằng các chữ cái thường s, p, d, f. Mỗi loại phân lớp có một giá trị của số lượng tử phụ như sau:
| Phân lớp | Giá trị của số lượng tử phụ (l) |
| s | 0 |
| p | 1 |
| d | 2 |
| f | 3 |
Mỗi phân lớp chứa một số orbital (AO) nhất định. Orbital là không gian ba chiều xác suất tìm thấy electron cao nhất. Mỗi orbital có thể chứa tối đa 2 electron. Số orbital trong mỗi phân lớp bằng 2l + 1, trong đó l là số lượng tử phụ của phân lớp đó. Bảng sau đây cho biết số orbital và số electron tối đa trong mỗi phân lớp:
| Phân lớp | Số orbital | Số electron tối đa |
| s | 1 | 2 |
| p | 3 | 6 |
| d | 5 | 10 |
| f | 7 | 14 |
Số electron tối đa trong mỗi lớp và phân lớp
Số electron tối đa trong mỗi lớp và phân lớp là số electron lớn nhất có thể có trong lớp và phân lớp đó. Số electron tối đa trong mỗi lớp và phân lớp có thể được tính bằng các công thức sau:
- Số electron tối đa trong một phân lớp bằng 2(2l + 1), trong đó l là số lượng tử phụ của phân lớp đó.
- Số electron tối đa trong một lớp bằng 2n^2, trong đó n là số lượng tử chính của lớp đó.
Bảng sau đây cho biết số electron tối đa trong mỗi lớp và phân lớp từ n = 1 đến n = 7:
| Lớp (n) | Phân lớp (l) | Số electron tối đa |
| 1 | s | 2 |
| 2 | s, p | 8 |
| 3 | s, p, d | 18 |
| 4 | s, p, d, f | 32 |
| 5 | s, p, d, f | 32 |
| 6 | s, p, d, f | 32 |
| 7 | s, p, d, f | 32 |
Quy tắc Klechkovsky
Quy tắc Klechkovsky là quy tắc xác định thứ tự năng lượng của các orbital trong nguyên tử. Quy tắc này được đặt theo tên của nhà vật lý người Nga Dmitry Ivanovich Klechkovsky (1868-1946), người đã đề xuất nó vào năm 1897.
Quy tắc Klechkovsky nói rằng:
- Thứ tự năng lượng của các orbital được xác định bằng tổng của số lượng tử chính (n) và số lượng tử phụ (l) của orbital đó. Orbital có tổng nhỏ hơn có năng lượng thấp hơn.
- Nếu hai orbital có cùng tổng của n và l, thì orbital có n nhỏ hơn có năng lượng thấp hơn.
Quy tắc Klechkovsky được biểu diễn bằng một hình tam giác như sau:
Trong hình tam giác này, các orbital được sắp xếp theo chiều từ trên xuống dưới và từ trái sang phải. Các orbital càng gần góc trên bên trái càng có năng lượng thấp hơn. Các orbital cùng một hàng ngang có cùng tổng của n và l. Các orbital cùng một cột dọc có cùng giá trị của n.
Theo quy tắc Klechkovsky, thứ tự năng lượng của các orbital từ thấp đến cao là:
1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f < 6d < 7p
Cấu hình electron nguyên tử
Cấu hình electron nguyên tử là cách biểu diễn số electron trong mỗi lớp và phân lớp của nguyên tử. Cấu hình electron nguyên tử cho biết sự sắp xếp của các electron theo thứ tự tăng dần của năng lượng. Cấu hình electron nguyên tử có thể được viết theo hai cách: cách viết rút gọn hoặc cách viết đầy đủ.
Cách viết rút gọn
Cách viết rút gọn là cách viết cấu hình electron nguyên tử bằng cách sử dụng ký hiệu của nguyên tố có cấu hình electron giống với lớp ngoài cùng của nguyên tử đang xét, sau đó viết tiếp các phân lớp có năng lượng cao hơn. Ký hiệu của nguyên tố được đặt trong dấu ngoặc vuông. Ví dụ:
- Cấu hình electron nguyên tử của natri (Na) là [Ne]3s^1, trong đó [Ne] là ký hiệu của neon, nguyên tố có cấu hình electron giống với lớp ngoài cùng của natri, và 3s^1 là phân lớp có năng lượng cao hơn.
- Cấu hình electron nguyên tử của sắt (Fe) là [Ar]4s^2 3d^6, trong đó [Ar] là ký hiệu của argon, nguyên tố có cấu hình electron giống với lớp ngoài cùng của sắt, và 4s^2 3d^6 là các phân lớp có năng lượng cao hơn.
Cách viết đầy đủ
Cách viết đầy đủ là cách viết cấu hình electron nguyên tử bằng cách liệt kê tất cả các phân lớp theo thứ tự tăng dần của năng lượng, và chỉ ra số electron trong mỗi phân lớp bằng số mũ. Ví dụ:
- Cấu hình electron nguyên tử của natri (Na) là 1s^2 2s^2 2p^6 3s^1, trong đó số mũ chỉ số electron trong mỗi phân lớp.
- Cấu hình electron nguyên tử của sắt (Fe) là 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^6, trong đó số mũ chỉ số electron trong mỗi phân lớp.
Trong bài viết này, chúng ta đã tìm hiểu về khái niệm lớp và phân lớp electron, cách xác định số electron tối đa trong mỗi lớp và phân lớp, cũng như các ứng dụng của nó trong hóa học.
Thuonghieuviet Hy vọng bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về cấu trúc vỏ nguyên tử và các electron trong nguyên tử.
