- Khái niệm cơ bản về cấu hình electron
- Nguyên tắc aufbau
- Tầm quan trọng của cấu hình electron bên ngoài
- Người giới thiệu
Các cấu hình điện tử , hay còn gọi là cấu trúc điện tử, là sự sắp xếp của các electron trong mức năng lượng xung quanh một hạt nhân nguyên tử. Theo mô hình nguyên tử Bohr cũ, các electron chiếm nhiều mức độ khác nhau trong các quỹ đạo xung quanh hạt nhân, từ lớp vỏ đầu tiên gần hạt nhân nhất, K, đến lớp vỏ thứ bảy, Q, lớp vỏ xa hạt nhân nhất.
Về mô hình cơ học lượng tử tinh vi hơn, các lớp vỏ KQ được chia nhỏ thành một tập hợp các obitan, mỗi obitan có thể được chiếm bởi không quá một cặp electron.
Thông thường, cấu hình electron được sử dụng để mô tả các obitan của nguyên tử ở trạng thái cơ bản, nhưng nó cũng có thể được sử dụng để biểu diễn một nguyên tử đã ion hóa thành cation hoặc anion, bù đắp cho sự mất mát hoặc thu được của các electron trong các obitan tương ứng của chúng.
Nhiều đặc tính vật lý và hóa học của các nguyên tố có thể tương quan với các cấu hình điện tử duy nhất của chúng. Các điện tử hóa trị, các điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng, là yếu tố quyết định tính chất hóa học độc đáo của nguyên tố.
Khái niệm cơ bản về cấu hình electron
Trước khi gán các electron của nguyên tử cho các obitan, người ta nên tự làm quen với những điều cơ bản về cấu hình electron. Mỗi nguyên tố trong Bảng tuần hoàn bao gồm các nguyên tử, được tạo thành từ proton, neutron và electron.
Các electron thể hiện điện tích âm và được tìm thấy xung quanh hạt nhân của nguyên tử trong các obitan của electron, được định nghĩa là thể tích không gian trong đó electron có thể được tìm thấy trong xác suất 95%.
Bốn loại orbital khác nhau (s, p, d, và f) có hình dạng khác nhau và một orbital có thể chứa tối đa hai electron. Các obitan p, d và f có các mức phân chia lại khác nhau, vì vậy chúng có thể chứa nhiều electron hơn.
Như đã chỉ ra, cấu hình electron của mỗi nguyên tố là duy nhất cho vị trí của nó trong bảng tuần hoàn. Mức năng lượng được xác định bởi chu kỳ và số electron được cho bởi số hiệu nguyên tử của nguyên tố.
Các quỹ đạo ở các mức năng lượng khác nhau tương tự nhau, nhưng chiếm các khu vực khác nhau trong không gian.
Quỹ đạo 1s và quỹ đạo 2s có các đặc điểm của quỹ đạo s (các nút hướng tâm, xác suất thể tích hình cầu, chúng chỉ có thể chứa hai electron, v.v.). Nhưng, vì chúng ở các mức năng lượng khác nhau nên chúng chiếm các khoảng không gian khác nhau xung quanh hạt nhân. Mỗi quỹ đạo có thể được biểu diễn bằng các khối cụ thể trong bảng tuần hoàn.
Khối s là vùng của các kim loại kiềm gồm heli (Nhóm 1 và 2), khối d là các kim loại chuyển tiếp (Nhóm 3 đến 12), khối p là các nguyên tố thuộc phân nhóm chính nhóm 13 đến 18 , Và khối f là dãy lantan và actinide.
Hình 1: Các nguyên tố trong bảng tuần hoàn và chu kỳ của chúng thay đổi theo mức năng lượng của các obitan.
Nguyên tắc aufbau
Aufbau xuất phát từ tiếng Đức "Aufbauen" có nghĩa là "xây dựng." Về bản chất, bằng cách viết cấu hình electron, chúng ta đang xây dựng các obitan electron khi chúng ta di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác.
Khi chúng ta viết cấu hình electron của một nguyên tử, chúng ta sẽ điền vào các obitan theo thứ tự số nguyên tử tăng dần.
Nguyên lý Aufbau bắt nguồn từ nguyên lý loại trừ Pauli nói rằng không có hai fermion (ví dụ như electron) trong một nguyên tử. Chúng có thể có cùng một bộ số lượng tử, vì vậy chúng phải "xếp chồng" ở mức năng lượng cao hơn.
Các electron tích tụ như thế nào là vấn đề của cấu hình electron (Nguyên tắc Aufbau, 2015).
Nguyên tử bền có nhiều electron như proton trong hạt nhân. Các electron tập hợp xung quanh hạt nhân trong các obitan lượng tử tuân theo bốn quy tắc cơ bản được gọi là nguyên lý Aufbau.
- Không có hai electron nào trong nguyên tử có cùng bốn số lượng tử n, l, m và s.
- Các electron sẽ chiếm các obitan có mức năng lượng thấp nhất trước.
- Các electron sẽ luôn lấp đầy các obitan có cùng số spin. Khi các obitan đầy, nó sẽ bắt đầu.
- Các electron sẽ điền vào các obitan bằng tổng các số lượng tử n và l. Các quỹ đạo có giá trị bằng (n + l) sẽ được điền trước bằng n giá trị thấp hơn.
Quy tắc thứ hai và thứ tư về cơ bản giống nhau. Một ví dụ về quy tắc bốn sẽ là các obitan 2p và 3s.
Một quỹ đạo 2p là n = 2 và l = 2 và một quỹ đạo 3s là n = 3 và l = 1. (N + l) = 4 trong cả hai trường hợp, nhưng quỹ đạo 2p có năng lượng thấp nhất hoặc giá trị n thấp nhất và sẽ lấp đầy trước lớp 3s.
May mắn thay, sơ đồ Moeller trong Hình 2 có thể được sử dụng để điền electron. Biểu đồ được đọc bằng cách chạy các đường chéo từ 1s.
Hình 2: Sơ đồ Moeller điền vào cấu hình electron.
Hình 2 cho thấy các obitan nguyên tử và các mũi tên đi theo hướng về phía trước.
Bây giờ thứ tự của các obitan đã được điền vào, điều duy nhất còn lại là ghi nhớ kích thước của từng quỹ đạo.
Các obitan S có 1 giá trị có thể là m l để chứa 2 electron
Các obitan p có 3 giá trị có thể là ml để chứa 6 electron
Các obitan D có 5 giá trị µl có thể chứa 10 electron
Các obitan F có 7 giá trị có thể có của m l để chứa 14 electron
Đây là tất cả những gì cần thiết để xác định cấu hình điện tử của nguyên tử bền của một nguyên tố.
Ví dụ, lấy nguyên tố nitơ. Nitơ có bảy proton và do đó bảy electron. Quỹ đạo đầu tiên cần điền là quỹ đạo 1s.
Một obitan s có hai electron nên còn lại năm electron. Quỹ đạo tiếp theo là quỹ đạo 2s và chứa hai quỹ đạo tiếp theo. Ba điện tử cuối cùng sẽ đi đến quỹ đạo 2p có thể chứa tối đa sáu điện tử (Helmenstine, 2017).
Tầm quan trọng của cấu hình electron bên ngoài
Cấu hình electron đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định tính chất của nguyên tử.
Tất cả các nguyên tử của cùng một nhóm đều có cấu hình điện tử bên ngoài giống nhau, ngoại trừ số nguyên tử n, đó là lý do tại sao chúng có các tính chất hóa học tương tự nhau.
Một số yếu tố chính ảnh hưởng đến tính chất nguyên tử bao gồm kích thước của các obitan chiếm giữ lớn nhất, năng lượng của các obitan năng lượng cao hơn, số lượng quỹ đạo còn trống và số lượng electron trong các obitan năng lượng cao hơn.
Hầu hết các tính chất của nguyên tử có thể liên quan đến mức độ hút giữa các electron lớp ngoài cùng với hạt nhân và số electron ở lớp vỏ electron ngoài cùng, số electron hóa trị.
Các electron của lớp vỏ ngoài cùng là những electron có thể hình thành liên kết cộng hóa trị, chúng là những electron có khả năng ion hóa để tạo thành cation hoặc anion và chúng là những chất tạo ra trạng thái oxi hóa cho các nguyên tố hóa học.
Họ cũng sẽ xác định bán kính nguyên tử. Khi n càng lớn, bán kính nguyên tử càng tăng. Khi nguyên tử mất đi một êlectron, sẽ có sự co lại bán kính nguyên tử do điện tích âm xung quanh hạt nhân giảm.
Các electron của lớp vỏ ngoài cùng là những electron được tính đến bằng thuyết liên kết hóa trị, thuyết trường tinh thể và thuyết quỹ đạo phân tử để có được tính chất của phân tử và sự lai hóa của liên kết.
Người giới thiệu
- Nguyên tắc aufbau. (2015, ngày 3 tháng 6). Lấy từ chem.libretexts: chem.libretexts.org.
- Khoa học Bozeman. (2013, Agoto 4). Cấu hình Electron. Lấy từ youtube: youtube.com.
- Cấu hình electron và tính chất của nguyên tử. (SF). Lấy từ oneonta.edu: oneonta.edu.
- Encyclopædia Britannica. (2011, ngày 7 tháng 9). Cấu hình điện tử. Lấy từ britannica: britannica.com.
- Faizi, S. (2016, ngày 12 tháng 7). Cấu hình điện tử. Lấy từ chem.libretexts: chem.libretexts.org.
- Helmenstine, T. (2017, ngày 7 tháng 3). Nguyên lý Aufbau - Cấu trúc điện tử và nguyên lý Aufbau. Lấy từ thinkco: thinkco.com.
- Khan, S. (2014, ngày 8 tháng 6). Các electron hóa trị và liên kết. Lấy từ khanacademy: khanacademy.org.