Ký hiệu spdf: Cấu hình electron và electron hóa trị

Một nguyên tử clo có 17 electron. Có thể bạn đã viết cách sắp xếp electron theo lớp của nó là \(2,8,7\). Cách viết đó cho bạn biết một điều quan trọng: clo có bảy electron ở lớp ngoài cùng. Nhưng nó che đi một chi tiết trở nên thiết yếu trong HSC Chemistry. Các electron đó không đơn giản chỉ được xếp vào ba lớp không có cấu trúc bên trong.

Bên trong mỗi lớp có các phân lớp, được ký hiệu là \(s\), \(p\), \(d\) và \(f\). Cấu hình electron chính xác hơn của clo là

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5
\]

Trước khi đi tiếp, hãy thử dự đoán. Trong \(3p^5\), theo bạn số 3, chữ \(p\) và số 5 lần lượt có ý nghĩa gì?

Chúng mô tả ba điều khác nhau: lớp nào, loại phân lớp nào và có bao nhiêu electron trong phân lớp đó. Khi bạn có thể đọc riêng ba thông tin này, ký hiệu spdf sẽ trở nên dễ hiểu hơn nhiều.

01Ký hiệu spdf thực sự thể hiện điều gì

Hãy hình dung một tòa nhà chung cư.

Số lớp electron cho biết tầng. Chữ cái của phân lớp cho biết loại phòng trên tầng đó. Số mũ cho biết có bao nhiêu electron đang chiếm loại phòng đó.

Vì vậy, trong \(3p^5\):

• \(3\) nghĩa là lớp electron thứ ba
• \(p\) nghĩa là phân lớp \(p\)
• \(5\) nghĩa là có năm electron chiếm phân lớp \(3p\) đó

Phép so sánh với chung cư hữu ích vì nó tách ba chức năng của ký hiệu ra khỏi nhau. Tuy nhiên, phép so sánh này không hoàn toàn chính xác. Electron không phải là những quả cầu nhỏ nằm cố định trong các căn phòng tí hon. Orbital mô tả những vùng gắn với các mức năng lượng electron và phân bố xác suất nhất định.

Đối với HSC Chemistry, bước đầu tiên quan trọng là có thể đọc và xây dựng ký hiệu một cách chính xác.

02Lớp, phân lớp và orbital

Một lớp electron được xác định bằng số lượng tử chính \(n\). Với lớp thứ nhất, \(n=1\). Với lớp thứ hai, \(n=2\), và cứ tiếp tục như vậy.

Mỗi lớp có thể chứa một hoặc nhiều phân lớp.

Các chữ \(s\), \(p\), \(d\) và \(f\) là ký hiệu cho các loại phân lớp khác nhau.

Mỗi phân lớp chứa một số orbital nhất định, và mỗi orbital có thể chứa tối đa hai electron.

Từ đó, các sức chứa cần ghi nhớ là:

\[
s^2,\qquad p^6,\qquad d^{10},\qquad f^{14}
\]

Các số mũ là số lượng electron, không phải lũy thừa theo nghĩa toán học thông thường. \(3p^4\) không có nghĩa là “3p mũ 4”. Nó có nghĩa là bốn electron trong phân lớp \(3p\).

03Đọc một cấu hình electron

Xét lưu huỳnh:

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4
\]

Bạn có thể kiểm tra cấu hình bằng cách cộng các số mũ:

\[
2+2+6+2+4=16
\]

Một nguyên tử lưu huỳnh trung hòa có số hiệu nguyên tử là 16, nên nó phải chứa 16 electron. Tổng số electron khớp.

Đây là một trong những cách kiểm tra lỗi nhanh nhất mà bạn có thể dùng. Với một nguyên tử trung hòa:

\[
\text{số electron}=\text{số hiệu nguyên tử}
\]

Ví dụ, nếu bạn viết cấu hình electron của photpho, có số hiệu nguyên tử 15, nhưng tổng các số mũ lại bằng 16, thì đã có lỗi xảy ra.

Nếu bạn cần ôn lại cách số electron thay đổi khi nguyên tử trở thành ion, hãy xem Cấu hình electron cho HSC Chemistry: Nguyên tử và ion.

04Electron không đơn giản lấp đầy hoàn toàn một lớp trước khi bắt đầu lớp tiếp theo

Đây là phần dễ gây nhầm lẫn.

Bạn có thể dự đoán rằng electron sẽ lấp đầy mọi phân lớp có sẵn trong lớp 3 trước khi đi vào lớp 4. Điều đó có vẻ hợp lý nếu chỉ riêng số lớp quyết định năng lượng.

Nhưng không phải vậy.

Electron chiếm các phân lớp có sẵn theo thứ tự năng lượng tăng dần. Với những nguyên tố bạn thường gặp, phần đầu của thứ tự điền electron là

\[
1s,\ 2s,\ 2p,\ 3s,\ 3p,\ 4s,\ 3d,\ 4p,\ 5s,\ldots
\]

Hãy chú ý phần trông có vẻ lạ:

\[
4s \text{ được điền trước } 3d
\]

Vì vậy kali, có 19 electron, kết thúc bằng \(4s^1\):

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^1
\]

Nó không tiếp tục trực tiếp vào \(3d\).

Một cách hữu ích để hiểu điều này là số lớp cho bạn biết một phần về trạng thái của electron, nhưng bản thân nó không cho biết đầy đủ thứ tự năng lượng. Các phân lớp \(4s\) và \(3d\) có sự chồng lấn về năng lượng theo cách khiến mô hình đơn giản “hoàn thành tầng 3 trước tầng 4” không còn đúng.

05Cách xác định electron hóa trị từ ký hiệu spdf

Đối với các nguyên tố nhóm chính mà bạn thường gặp khi mới học cấu hình electron, electron hóa trị là các electron trong lớp electron có electron nằm ngoài cùng của nguyên tử.

Quy tắc xác định rất đơn giản:

1. Viết hoặc quan sát cấu hình electron.
2. Tìm số lớp lớn nhất, \(n\).
3. Đếm các electron trong những phân lớp mang số lớp đó.

Xét photpho:

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^3
\]

Số lớp lớn nhất là 3.

Các electron trong lớp 3 là

\[
3s^2\,3p^3
\]

nên photpho có

\[
2+3=5
\]

electron hóa trị.

Đừng chỉ nhìn vào số mũ cuối cùng. Nếu chỉ nhìn số \(3\) trong \(3p^3\), bạn có thể kết luận sai rằng photpho có ba electron hóa trị. Bạn cũng phải tính cả các electron \(3s^2\).

06Một mẹo hữu ích từ bảng tuần hoàn

Bảng tuần hoàn và ký hiệu spdf có mối liên hệ chặt chẽ.

Các vùng lớn của bảng tương ứng với phân lớp đang được điền:

Ví dụ, clo nằm trong khối \(p\). Cấu hình của nó kết thúc bằng

\[
3p^5
\]

Canxi nằm trong khối \(s\). Cấu hình của nó kết thúc bằng

\[
4s^2
\]

Đây không chỉ là một mẹo ghi nhớ. Hình dạng của bảng tuần hoàn phản ánh sức chứa của các phân lớp. Phân lớp \(s\) chứa 2 electron, nên khối \(s\) rộng hai cột. Phân lớp \(p\) chứa 6 electron, nên khối \(p\) rộng sáu cột.

07Ngộ nhận chính: “electron hóa trị chỉ là những electron được viết cuối cùng”

Cách này đúng đủ thường xuyên để trở nên nguy hiểm.

Xét clo:

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5
\]

Hạng cuối cùng là \(3p^5\), nhưng clo không có năm electron hóa trị.

Lớp ngoài cùng của nó là lớp 3, chứa cả

\[
3s^2 \text{ và } 3p^5
\]

Vì vậy clo có bảy electron hóa trị.

Vấn đề còn rõ hơn với canxi:

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2
\]

Ở đây, chỉ nhìn hạng cuối cùng lại tình cờ cho đúng số electron hóa trị là hai. Mẹo tắt này đúng, nhưng chỉ do trùng hợp. Phương pháp đáng tin cậy luôn là xác định lớp có electron ngoài cùng trước.

08Cẩn thận với kim loại chuyển tiếp

Đối với các nguyên tố nhóm chính, việc định nghĩa electron hóa trị là các electron trong lớp có electron ngoài cùng hoạt động rất gọn gàng.

Kim loại chuyển tiếp cần được xem xét cẩn thận hơn.

Xét scandi:

\[
[\ce{Ar}]\,4s^2\,3d^1
\]

Ký hiệu \([\ce{Ar}]\) có nghĩa là “có cùng cấu hình electron bên trong như argon”. Đây là cách viết rút gọn để tránh phải lặp lại

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6
\]

Nếu dùng định nghĩa đơn giản theo lớp ngoài cùng, scandi có hai electron với số lớp lớn nhất, \(n=4\).

Tuy nhiên, electron \(3d\) cũng có thể tham gia vào hóa học của kim loại chuyển tiếp. Vì lý do đó, trong các thảo luận nâng cao hơn về electron hóa trị của kim loại chuyển tiếp, người ta có thể tính cả các electron \(s\) ngoài cùng và các electron \(d\) gần đó.

Vì vậy, đừng mặc nhiên áp dụng mẹo dành cho nguyên tố nhóm chính cho mọi nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Trong một câu hỏi HSC, hãy sử dụng định nghĩa và bối cảnh hóa học mà câu hỏi đang kiểm tra. Đối với cấu hình electron của các nguyên tố nhóm chính, “lớp có electron ngoài cùng” là quy tắc rõ ràng.

09Phương pháp nhanh để kiểm tra ký hiệu spdf

Khi được cho hoặc đã viết một cấu hình electron, hãy kiểm tra bốn điều.

1. Tổng số electron có khớp không?

Với một nguyên tử trung hòa, tổng các số mũ phải bằng số hiệu nguyên tử.

2. Có phân lớp nào vượt quá sức chứa không?

Hãy nhớ:

\[
s^2,\quad p^6,\quad d^{10},\quad f^{14}
\]

Vì vậy \(2p^7\) là không thể.

3. Thứ tự điền electron có hợp lý không?

Ví dụ, \(4s\) bắt đầu được điền trước \(3d\) trong các cấu hình trạng thái cơ bản thông thường của nguyên tử trung hòa.

4. Nếu đang tìm electron hóa trị, bạn đã đếm toàn bộ lớp ngoài cùng chưa?

Đừng tự động dùng số mũ cuối cùng.

Bốn bước kiểm tra này phát hiện được một phần lớn đáng ngạc nhiên các lỗi thường gặp.

10Câu hỏi và lời giải

Câu hỏi 1

Một nguyên tử magie trung hòa có số hiệu nguyên tử 12. Hãy viết cấu hình electron spdf đầy đủ của nó và cho biết số electron hóa trị.

Lời giải 1

Cấu hình electron là \(\boxed{1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2}\), và magie có \(\boxed{2}\) electron hóa trị.

Một nguyên tử magie trung hòa có 12 electron. Điền các phân lớp có sẵn theo thứ tự ta được

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2
\]

Kiểm tra số electron:

\[
2+2+6+2=12
\]

Lớp có electron ngoài cùng là \(n=3\). Lớp đó chứa \(3s^2\), nên có hai electron.

Vì vậy magie có hai electron hóa trị.

Câu hỏi 2

Một nguyên tử trung hòa có cấu hình electron

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^3
\]

Hãy xác định nguyên tố và số electron hóa trị của nó.

Lời giải 2

Nguyên tố là \(\boxed{\text{photpho}}\), và nó có \(\boxed{5}\) electron hóa trị.

Trước tiên, cộng số electron:

\[
2+2+6+2+3=15
\]

Một nguyên tử trung hòa có 15 electron có số hiệu nguyên tử là 15, tức là photpho.

Lớp có electron ngoài cùng là \(n=3\). Nó chứa

\[
3s^2\,3p^3
\]

nên số electron hóa trị là

\[
2+3=5
\]

Một lỗi dễ mắc là chỉ dùng số mũ cuối cùng và trả lời là ba. Các electron \(3s\) nằm trong cùng lớp ngoài cùng nên cũng phải được tính.

Câu hỏi 3

Một học sinh đề xuất cấu hình electron trạng thái cơ bản sau cho một nguyên tử trung hòa:

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^7
\]

Bạn ấy lập luận rằng tổng các số mũ bằng 19, nên cấu hình này phải biểu diễn kali. Hãy giải thích cấu hình này có hợp lệ hay không và viết cấu hình đúng nếu cần.

Lời giải 3

Cấu hình này \(\boxed{\text{không hợp lệ}}\). Cấu hình trạng thái cơ bản đúng của kali là

\[
\boxed{1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^1}
\]

Phép đếm electron của học sinh là đúng:

\[
2+2+6+2+7=19
\]

nhưng đếm electron không phải là bước kiểm tra duy nhất.

Một phân lớp \(p\) chứa ba orbital, mỗi orbital có tối đa hai electron. Vì vậy, nó không thể chứa nhiều hơn

\[
3\times2=6
\]

electron.

Hạng \(3p^7\) là không thể.

Sau khi \(3p\) đạt sức chứa sáu electron, electron tiếp theo đi vào \(4s\). Vì vậy kali có cấu hình

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^1
\]

Cái bẫy ở đây là cho rằng tổng số electron đúng thì cấu hình electron chắc chắn cũng đúng.

Câu hỏi 4

Hai học sinh đang thảo luận về cấu hình

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^{10}\,4p^3
\]

Học sinh A nói rằng nguyên tử có ba electron hóa trị vì hạng cuối cùng là \(4p^3\).

Học sinh B nói rằng nó có năm electron hóa trị.

Hãy xác định số electron hóa trị nào là đúng, xác định nguyên tố và giải thích lập luận.

Lời giải 4

Nguyên tử là \(\boxed{\text{asen}}\), và đối với nguyên tử nhóm chính này, số electron hóa trị đúng là \(\boxed{5}\).

Trước tiên, đếm tất cả electron:

\[
2+2+6+2+6+2+10+3=33
\]

Một nguyên tử trung hòa có 33 electron có số hiệu nguyên tử là 33, nên nguyên tử đó là asen.

Lớp có electron ngoài cùng là \(n=4\). Các phân lớp thuộc lớp đó là

\[
4s^2\,4p^3
\]

Vì vậy số electron hóa trị là

\[
2+3=5
\]

Sai lầm của học sinh A là coi “phân lớp được viết cuối cùng” như thể nó có nghĩa là “toàn bộ lớp hóa trị”. Các electron \(4s^2\) cũng nằm trong lớp 4.

Các electron \(3d^{10}\) không được tính là electron lớp ngoài cùng vì số lớp của chúng là \(n=3\), mặc dù chúng xuất hiện sau \(4s^2\) trong thứ tự điền được viết ra.

Câu hỏi 5

Một học sinh đưa ra quy tắc sau:

“Để tìm electron hóa trị của một nguyên tử, hãy xác định số lớn nhất trong cấu hình spdf của nó và cộng mọi số mũ đi kèm với số đó.”

Bạn ấy thử quy tắc này với selen:

\[
[\ce{Ar}]\,4s^2\,3d^{10}\,4p^4
\]

và thu được sáu electron hóa trị.

Sau đó, bạn ấy khẳng định rằng cùng quy tắc này cho một mô tả đầy đủ về các electron hóa trị có thể tham gia phản ứng hóa học của mọi nguyên tố, bao gồm cả kim loại chuyển tiếp.

Hãy đánh giá quy tắc này.

Lời giải 5

Quy tắc này \(\boxed{\text{đáng tin cậy để xác định các electron lớp ngoài cùng của nguyên tử nhóm chính, nhưng không phải là quy tắc tổng quát đầy đủ cho electron hóa trị của kim loại chuyển tiếp}}\).

Đối với selen, quy tắc hoạt động hoàn toàn chính xác. Số lớp lớn nhất là \(n=4\), và các phân lớp có electron với \(n=4\) là

\[
4s^2\,4p^4
\]

nên selen có

\[
2+4=6
\]

electron hóa trị ở lớp ngoài cùng.

Giả định ẩn phía sau quy tắc là chỉ những electron ở lớp có giá trị \(n\) lớn nhất mới có thể tham gia đáng kể vào hành vi hóa học.

Đó là một mô hình hữu ích đối với các nguyên tố nhóm chính, nhưng kim loại chuyển tiếp làm vấn đề phức tạp hơn. Các electron \((n-1)d\) của chúng có thể đủ gần về năng lượng với các electron \(ns\) ngoài cùng để cả hai cùng tham gia vào liên kết và quá trình tạo ion.

Ví dụ, scandi có cấu hình

\[
[\ce{Ar}]\,4s^2\,3d^1
\]

Quy tắc dựa trên lớp có số lớn nhất xác định hai electron \(4s\) là các electron lớp ngoài cùng của nó. Tuy nhiên, electron \(3d\) cũng có liên quan đến hóa học của scandi.

Vì vậy, quy tắc nên được phát biểu cẩn thận hơn:

Đối với nguyên tử nhóm chính, hãy tìm lớp có electron ngoài cùng và đếm các electron trong lớp đó để xác định số electron hóa trị thông thường. Đối với kim loại chuyển tiếp, ý nghĩa của “electron hóa trị” phụ thuộc vào bối cảnh hóa học và cũng có thể bao gồm các electron \(d\).

Sự phân biệt này trở nên hữu ích khi bạn chuyển từ cấu hình electron sang xu hướng tuần hoàn, sự tạo ion và liên kết hóa học. Ký hiệu spdf không chỉ là một cách dài hơn để viết \(2,8,7\). Nó cho thấy các electron được sắp xếp ở đâu bên trong mỗi lớp, và đó chính là chi tiết cần thiết để giải thích vì sao các vùng khác nhau của bảng tuần hoàn có tính chất khác nhau.