Cấu hình electron là một khái niệm quan trọng trong hóa học, đặc biệt là khi nghiên cứu về cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học. Việc nắm vững cách viết cấu hình electron của nguyên tử và ion là nền tảng để hiểu rõ tính chất hóa học của các nguyên tố. Bài viết này sẽ cung cấp kiến thức chi tiết và các bài tập đa dạng để bạn luyện tập và thành thạo kỹ năng này.
A. Lý thuyết và phương pháp giải bài tập cấu hình electron
1. Viết cấu hình electron nguyên tử:
Cấu hình electron mô tả sự phân bố electron trong các lớp và phân lớp của vỏ nguyên tử.
Các bước viết cấu hình electron:
-
Bước 1: Xác định số electron của nguyên tử (bằng số hiệu nguyên tử Z).
-
Bước 2: Điền electron vào các mức năng lượng từ thấp đến cao theo thứ tự (dãy Klechkovski): 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, …
Điền đầy đủ electron vào phân lớp trước khi chuyển sang phân lớp tiếp theo.
Lưu ý: Thứ tự năng lượng tuân theo quy tắc đường chéo Klechkovski:
-
Bước 3: Sắp xếp lại các phân lớp theo thứ tự lớp (n) tăng dần từ trái sang phải, các phân lớp trong cùng một lớp theo thứ tự s, p, d, f.
Ví dụ: Potassium (K, Z = 19):
Thứ tự mức năng lượng: 1s22s22p63s23p64s1
Cấu hình electron của K: 1s22s22p63s23p64s1 hay [Ar]4s1 ([Ar] là cấu hình của khí hiếm Argon: 1s22s22p63s23p6).
Lưu ý quan trọng:
-
Cấu hình electron cho biết thứ tự mức năng lượng của electron trong các phân lớp. Năng lượng tăng dần từ trái sang phải.
-
Với 20 nguyên tố đầu tiên, việc điền electron theo bước 2 cũng chính là cấu hình electron.
-
Với cấu hình (n-1)dansb, thường b = 2 và a từ 1 đến 10. Tuy nhiên, có hai trường hợp ngoại lệ:
- Nếu a + b = 6, thay vì a = 4 và b = 2, ta viết a = 5 và b = 1 (bán bão hòa phân lớp d).
- Nếu a + b = 11, thay vì a = 9 và b = 2, ta viết a = 10 và b = 1 (bão hòa phân lớp d).
Ví dụ: Chromium (Cr, Z = 24):
Số electron = Z = 24.
Thứ tự mức năng lượng: 1s22s22p63s23p64s23d4
Cấu hình electron dự kiến: 1s22s22p63s23p63d44s2 hay [Ar]3d44s2.
Tuy nhiên, cấu hình này không bền, xảy ra hiện tượng bán bão hòa. Cấu hình electron thực tế của Cr: [Ar]3d54s1.
2. Biểu diễn cấu hình electron bằng ô orbital
Biểu diễn cấu hình electron theo ô orbital (còn gọi là ô lượng tử) cho biết sự phân bố electron trong các orbital, từ đó xác định số electron độc thân.
Các bước:
-
Bước 1: Viết cấu hình electron của nguyên tử.
-
Bước 2: Biểu diễn mỗi AO (orbital nguyên tử) bằng một ô vuông. Các AO trong cùng phân lớp viết liền nhau, các AO khác phân lớp viết tách nhau.
-
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 tối đa, theo quy tắc Hund.
Ví dụ: Cấu hình electron của Carbon (C, Z = 6): 1s22s22p2
Carbon có 2 electron độc thân ở AO 2p.
3. Xác định cấu hình electron của ion
Xác định cấu hình electron của nguyên tử tương ứng, sau đó thêm hoặc bớt electron để được cấu hình của ion.
-
Ion dương (cation):
R → Rn+ + ne–
Cấu hình electron của Rn+ bằng cách loại bỏ n electron khỏi cấu hình của R (bắt đầu từ lớp ngoài cùng).
Ví dụ: Mg: 1s22s22p63s2 → Mg2+: 1s22s22p6.
-
Ion âm (anion):
X + ne– → Xn-
Cấu hình electron của Xn- bằng cách thêm n electron vào lớp ngoài cùng của X.
Ví dụ: O: 1s22s22p4 → O2-: 1s22s22p6.
B. Bài tập ví dụ minh họa
Ví dụ 1: Cấu hình electron của nguyên tử có Z = 16 là?
A. 1s22s22p63s23p3
B. 1s22s22p63s23p5
C. 1s22s22p63s23p4
D. 1s22s22p63s23p6
Giải:
Z = 16, nguyên tử có 16 electron. Cấu hình electron là 1s22s22p63s23p4.
Đáp án: C.
Ví dụ 2: Nguyên tử X có hai lớp electron, có một electron độc thân. X có thể là nguyên tố nào?
Giải:
Cấu hình electron của X có thể là:
Vậy X có thể là Li (Z=3), B (Z=5), hoặc F (Z=9).
Ví dụ 3: Viết cấu hình electron của ion Fe2+ và Fe3+ (Fe, Z = 26).
Giải:
Fe (Z = 26): 1s22s22p63s23p63d64s2
Fe → Fe2+ + 2e–: 1s22s22p63s23p63d6
Fe → Fe3+ + 3e–: 1s22s22p63s23p63d5
C. Bài tập tự luyện
Câu 1: Nguyên tố X có Z = 14. Electron cuối cùng điền vào lớp và phân lớp nào?
A. K, s
B. L, p
C. M, p
D. N, d
Câu 2: Nguyên tử M có Z = 8. Số electron độc thân của M là?
A. 3
B. 2
C. 1
D. 0
Câu 3: Nguyên tử M có Z = 20. Cấu hình electron của ion M2+ là?
A. 1s22s22p63s23p6
B. 1s22s22p63s23p64s1
C. 1s22s22p63s23p63d1
D. 1s22s22p63s23p64s2
Câu 4: Anion X2- có cấu hình electron 1s22s22p6. Cấu hình electron của X là?
A. 1s22s2
B. 1s22s22p63s2
C. 1s22s22p4
D. 1s22s22p53s1
Câu 5: Nguyên tử Y có 14 electron ở lớp thứ ba. Cấu hình electron của Y là?
A. 1s22s22p63s23p64s23d6
B. 1s22s22p63s23p63d64s2
C. 1s22s22p63s23p63d8
D. 1s22s22p63s23p63d6
Câu 6: Nguyên tử X có electron cuối cùng điền vào phân lớp 3p1. Nguyên tử Y có electron cuối cùng điền vào phân lớp 3p3. Số hiệu nguyên tử của X và Y lần lượt là?
A. 13 và 15
B. 12 và 14
C. 13 và 14
D. 12 và 15
Câu 7: Tổng số hạt cơ bản của nguyên tử X là 13. Cấu hình electron của nguyên tử X là?
A. 1s22s22p3
B. 1s22s22p2
C. 1s22s22p1
D. 1s22s2
Câu 8: Nguyên tử R có tổng số hạt cơ bản là 46, số hạt mang điện nhiều hơn số hạt không mang điện là 14. Cấu hình electron của R là?
A. [Ne]3s22p3
B. [Ne]3s22p5
C. [Ar]3d14s2
D. [Ar]4s2
Câu 9: Trong các nguyên tử N (Z = 7), O (Z = 8), F (Z = 9) và Ne (Z = 10), nguyên tử có nhiều electron độc thân nhất là?
A. N
B. O
C. F
D. Ne
Câu 10: Nguyên tử phosphorus (P, Z = 15) có số electron độc thân là?
A. 1
B. 2
C. 3
D. 4
Câu 11: Nguyên tử X có electron ở mức năng lượng cao nhất là 3p. Nguyên tử Y có một electron ở lớp ngoài cùng 4s. X và Y có số electron hơn kém nhau là 3. X, Y lần lượt là?
A. khí hiếm và kim loại
B. kim loại và khí hiếm
C. kim loại và kim loại
D. phi kim và kim loại
Câu 12: Cobalt có cấu hình electron ngoài cùng là 3d74s2. Số hiệu nguyên tử của cobalt là?
A. 24
B. 25
C. 27
D. 29
Câu 13: Nguyên tử nào sau đây có 3 electron lớp ngoài cùng?
A. N1123
B. N714
C. Al1327
D. C612
Câu 14: Nguyên tử potassium có 19 electron. Ở trạng thái cơ bản, potassium có số orbital chứa electron là?
A. 8
B. 9
C. 11
D. 10
Câu 15: Nguyên tử sodium (Na, Z = 11) có cấu hình electron là?
A. 1s22s22p63s2
B. 1s22s22p6
C. 1s22s22p63s1
D. 1s22s22p53s2