Bài 4. Cấu trúc lớp vỏ electron của nguyên tử
A/ Câu hỏi đầu bài
Mở đầu trang 26 Hóa học 10: Trong nguyên tử, các electron chuyển động như thế nào và chiếm những mức năng lượng nào? Trình tự sắp xếp các mức năng lượng này ra sao? Việc phân bố các electron trong nguyên tử tuân theo những nguyên lí và quy tắc nào?
Trả lời:
- Sự chuyển động của electron trong nguyên tử:
+ Theo mô hình nguyên tử của Rutherford – Bohr, các electron chuyển động trên những quỹ đạo hình tròn hay bầu dục xác định xung quanh hạt nhân.
+ Theo mô hình hiện đại, trong nguyên tử, các electron chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân không theo một quỹ đạo xác định, tạo thành đám mây electron.
- Trong nguyên tử các electron được sắp xếp thành từng lớp và phân lớp theo mức năng lượng từ thấp đến cao.
- Trình tự sắp xếp các mức năng lượng:
+ Các electron trên cùng một phân lớp có năng lượng bằng nhau.
+ Các electron trên cùng một lớp có năng lượng gần bằng nhau.
B/ Câu hỏi giữa bài
1. Sự chuyển động của electron trong nguyên tử
Hình thành kiến thức mới 1 trang 26 SGK Hóa học 10: Quan sát Hình 4.1 và 4.2, so sánh điểm giống và khác nhau giữa mô hình Rutherford - Bohr với mô hình hiện đại mô tả sự chuyển động của electron trong nguyên tử.
Trả lời:
Mô hình Rutherford – Bohr Mô hình hiện đại Giống nhau Electron chuyển động quanh hạt nhân
Khác nhau Hạt nhân nằm ở giữa, electron chuyển động quanh hạt nhân trên quỹ đạo đường đi xác định có hình tròn hoặc hình bầu dục.
Electron chuyển động hỗn loạn không có quỹ đạo xác định quanh hạt nhân ⇒ Chỉ xác định được khoảng không gian mà electron chuyển động trong đó, khoảng không gian đó gọi là Orbital nguyên tử.
Vận dụng trang 27 SGK Hóa học 10: Hệ Mặt Trời gồm Mặt Trời ở trung tâm và các thiên thể quay quanh theo những quỹ đạo xác định. Hãy cho biết mô hình nguyên tử của nhà khoa học nào được gọi là mô hình hành tinh nguyên tử, tương tự
như hệ Mặt Trời?
Trả lời:
- Các thiên thể quay quanh Mặt Trời theo quỹ đạo xác định.
- Theo Rutherford – Bohr: các electron chuyển động trên những quỹ đạo hình tròn hay bầu dục xác định xung quanh hạt nhân.
⇒ Mô hình nguyên tử của Rutherford – Bohr được gọi là mô hình hành tinh nguyên tử, tương tự như hệ Mặt Trời.
Hình thành kiến thức mới 2 trang 27 SGK Hóa học 10: Quan sát Hình 4.3, phân biệt khái niệm đám mây electron và khái niệm orbital nguyên tử.
Trả lời:
- Đám mây nguyên tử được tạo thành khi các electron chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân với xác suất tìm thấy không giống nhau.
- Orbital nguyên tử là khu vực không gian xung quanh hạt nhân mà tại đó xác suất có mặt electron khoảng 90%.
Hình thành kiến thức mới 3 trang 27 SGK Hóa học 10: Cho biết khái niệm orbital nguyên tử xuất phát từ mô hình nguyên tử của Rutherford - Bohr hay mô hình nguyên tử hiện đại.
Trả lời:
Khái niệm orbital nguyên tử xuất phát từ mô hình nguyên tử hiện đại.
Hình thành kiến thức mới 4 trang 27 SGK Hóa học 10: Quan sát Hình 4.4, hãy cho biết điểm giống và khác nhau giữa các orbital p (px, py, pz).
Trả lời:
- Điểm giống nhau giữa các orbital p (px; py; pz): đều có dạng hình số tám nổi.
- Điểm khác nhau: Sự định hướng trong không gian, cụ thể:
+ Orbital px có dạng hình số tám nổi, định hướng theo trục x.
+ Orbital py có dạng hình số tám nổi, định hướng theo trục y.
+ Orbital pz có dạng hình số tám nổi, định hướng theo trục z.
2. Lớp và phân lớp electron
Hình thành kiến thức mới 5 trang 28 SGK Hóa học 10: Quan sát hình 4.5, nhận xét cách gọi tên các lớp electron bằng các chữ cái tương ứng với các lớp từ 1 đến 7
Trả lời:
Trong nguyên tử, các electron được sắp xếp thành từng lớp kí hiệu K, L, M, N, O, P, Q từ gần đến xa hạt nhân theo thứ tự từ lớp n = 1 đến n = 7.
Hình thành kiến thức mới 6 trang 28 SGK Hóa học 10: Từ hình 4.5, cho biết lực hút của hạt nhân với electron ở lớp nào là lớn nhất và lớp nào là nhỏ nhất.
Trả lời:
Từ hình 4.5 ta thấy: Lực hút của hạt nhân với lớp K là lớn nhất, lớp Q là nhỏ nhất.
Hình thành kiến thức mới 7 trang 28 SGK Hóa học 10: Quan sát Hình 4.6, nhận xét về số lượng phân lớp trong các lớp từ 1 đến 4.
Trả lời:
Với 4 lớp đầu (1, 2, 3, 4) số phân lớp trong mỗi lớp bằng số thứ tự của lớp đó.
3. Cấu hình electron nguyên tử
Hình thành kiến thức mới 8 trang 29 SGK Hóa học 10: Quan sát Hình 4.7, nhận xét chiều tăng năng lượng của các electron trên các AO ở trạng thái cơ bản (trạng thái có năng lượng thấp nhất)
Trả lời:
Ở trạng thái cơ bản, các electron trong nguyên tử chiếm lần lượt những orbital có mức năng lượng từ thấp đến cao: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p …
Lưu ý: Khi điện tích hạt nhân tăng có sự chèn mức năng lượng mức 4s trở nên thấp hơn 3d, mức 5s thấp hơn 4d, ...
Hình thành kiến thức mới 9 trang 30 SGK Hóa học 10: Quan sát Hình 4.8, cho biết cách biểu diễn 2 electron trong một orbital dựa trên cơ sở nào?
Trả lời:
Cách biểu diễn 2 electron trong một orbital dựa trên nguyên lí Pauli:
+ Để biểu diễn orbital nguyên tử, người ta sử dụng các ô vuông, gọi là ô lượng tử, mỗi ô lượng tử ứng với một AO, mỗi AO chứa tối đa 2 electron và có chiều tự quay ngược nhau.
+ Nếu trong AO chỉ chứa một electron thì electron đó gọi là electron độc thân (kí hiệu bởi một mũi tên hướng lên ↑). Ngược lại, nếu AO chứa đủ hai electron thì các electron đó gọi là electron ghép đôi (kí hiệu bởi hai mũi tên ngược chiều nhau ↑↓).
Hình thành kiến thức mới 10 trang 30 SGK Hóa học 10: Quan sát Hình 4.9, hãy cho biết nguyên tử oxygen có bao nhiêu electron ghép đôi vào bao nhiêu electron độc thân?
Trả lời:
Nguyên tử oxygen có 6 electron ghép đôi và 2 electron độc thân.
Hình thành kiến thức mới 11 trang 31 SGK Hóa học 10: Từ Bảng 4.1, hãy chỉ ra mối quan hệ giữa số thứ tự lớp và số electron tối đa trong mỗi lớp.
Trả lời:
Từ bảng 4.1 ta có mối quan hệ: lớp n có tối đa 2n2 electron (với n ≤ 4).
Luyện tập trang 31 SGK Hóa học 10: Nguyên tử nitrogen có 2 lớp electron trong đó có 2 phân lớp s và 1 phân lớp p. Các phân lớp s đều chứa số electron tối đa, còn phân lớp p chỉ chứa một nửa số electron tối đa. Nguyên tử nitrogen có bao nhiêu electron.
Trả lời:
Số electron tối đa trong phân lớp p là 6.
Trong nguyên tử nitrogen, phân lớp 2p chỉ chứa một nửa số electron tối đa ⇒ phân lớp 2 p chứa 3 electron.
Nitrogen có 2 phân lớp s đều chứa electron tối đa ⇒ tổng số các electron trên các phân lớp s là 2 × 2 = 4.
Nguyên tử nitrogen có 3 + 4 = 7 electron.
Hình thành kiến thức mới 12 trang 31 SGK Hóa học 10: Quan sát Hình 4.10, hãy nhận xét số lượng electron độc thân ở mỗi trường hợp
Trả lời:
Trường hợp a) không có electron độc thân ⇒ Phân lớp bão hòa chứa đủ số electron tối đa.
Trường hợp b) có 3 electron độc thân ⇒ Phân lớp nửa bão hòa chứa một nửa số electron tối đa.
Trường hợp hợp c) có 2 electron độc thân ⇒ Phân lớp chưa bão hòa chưa đủ số electron tối đa.
Hình thành kiến thức mới 13 trang 31 SGK Hóa học 10: Hãy đề nghị cách phân bố electron vào các orbial để số electron độc thân là tối đa.
Trả lời:
Cách phân bố electron vào các orbial để số electron độc thân là tối đa:
Biểu diễn các electron bằng mũi tên đi lên vào lần lượt các orbital trước, sau đó mới quay lại biểu diễn các electron bằng mũi tên đi xuống vào các orbital.
Luyện tập trang 31 SGK Hóa học 10: Trong các trường hợp (a) và (b) dưới đây, trường hợp nào có sự phân bố electron vào các orbital tuân theo và không tuân theo quy tắc Hund
Trả lời:
Quy tắc Hund: Trong cùng một phân lớp chưa bão hòa, các electron sẽ phân bố vào các orbital sao cho số electron độc thân là tối đa. Vậy:
+ Trường hợp (a) tuân theo quy tắc Hund vì số electron độc thân đã tối đa.
+ Trường hợp (b) không tuân theo quy tắc Hund vì số electron độc thân chưa tối đa.
Hình thành kiến thức mới 14 trang 32 SGK Hóa học 10: Cấu hình electron của một nguyên tử cho biết những thông tin gì?
Trả lời:
Cấu hình electron của một nguyên tử cho biết sự phân bố electron trong vỏ nguyên tử trên các phân lớp thuộc các lớp khác nhau
Luyện tập trang 32 SGK Hóa học 10: Viết cấu hình electron nguyên tử của nguyên tố aluminium (Z = 13) và biểu diễn cấu hình electron của aluminium theo ô orbital.
Từ đó, xác định số electron độc thân của nguyên tử này.
Trả lời:
Z = 13 ⇒ nguyên tử aluminium có 13 electron.
Cấu hình electron nguyên tử aluminium là: 1s22s22p63s23p1 hoặc viết gọn [Ne]3s23p1.
Cấu hình electron theo ô orbital:
⇒ Nguyên tử aluminium có 1 electron độc thân.
Hình thành kiến thức mới 15 trang 33 SGK Hóa học 10: Quan sát Bảng 4.2, hãy cho biết dựa trên cơ sở nào để dự đoán phosphorus là nguyên tố phi kim.
Trả lời:
Dựa vào Bảng 4.2, cấu hình electron của phosphorus (Z = 15): 1s22s22p63s23p3 hay [Ne]3s23p3.
Cơ sở để dự đoán phosphorus (Z = 15) là nguyên tố phi kim: có 5 electron lớp ngoài cùng.
Vận dụng trang 33 SGK Hóa học 10: Lithium là một nguyên tố có nhiều công dụng, được sử dụng trong chế tạo máy bay và trong một số loại pin nhất định. Pin Lithium - Ion (pin Li- Ion) đang ngày càng phổ biến, nó cung cấp năng lượng cho
cuộc sống của hàng triệu người mỗi ngày thông qua các thiết bị như máy tính xách tay, điện thoại di động, xe Hybrid, xe điện, … nhờ trọng lượng nhẹ, cung cấp năng lượng cao và khả năng sạc lại. Dựa vào cấu hình electron nguyên tử (Bảng 4.2), hãy dự đoán lithium là kim loại, phi kim hay khí hiếm?
Trả lời:
Dựa vào Bảng 4.2, cấu hình electron của lithium (Z = 3) là 1s22s1 hay [He]2s1. Nguyên tử lithium có 1 electron lớp ngoài cùng ⇒ là kim loại.
Bài tập
Bài tập 1 trang 34 SGK Hóa học 10: Trong các cách biểu diễn electron vào các orbital của phân lớp 2p ở trạng thái cơ bản, hãy chọn cách phân bố đúng:
Trả lời:
Chọn (1) phân bố đúng vì chứa tối đa electron độc thân và các electron độc thân được biểu diễn bằng mũi tên hướng lên trên.
Bài tập 2 trang 34 SGK Hóa học 10: Cho nguyên tố X có 2 lớp eletron, lớp thứ 2 có 6 electron. Xác định số hiệu nguyên tử của X.
Trả lời:
Số electron của nguyên tử của X là 2 + 6 = 8 electron.
⇒ X có 8 proton, số hiệu nguyên tử của X là 8.
Bài tập 3 trang 34 Hóa học 10: Ở trạng thái cơ bản, nguyên tử của những nguyên tố nào dưới đây có electron độc thân?
a) Boron b) Oxygen
c) Phosphorus d) Chlorine Trả lời:
Ở trạng thái cơ bản, nguyên tử của tất cả các nguyên tố trên đều chứa electron độc thân. Cụ thể:
Nguyên tử Cấu hình electron Orbital lớp ngoài cùng Số electron độc thân
Boron (Z = 5)
1s22s22p1 hay [He] 2s22p1
1
Oxygen (Z = 8)
1s22s22p4
hay [He] 2s22p4
2
Phosphorus (Z = 15)
1s22s22p63s23p3 hay [Ne] 3s23p3
3
Chlorine (Z = 17)
1s22s22p63s23p5 hay [Ne] 3s23p5
1
Bài tập 4 trang 34 Hóa học 10: Viết cấu hình electron nguyên tử của các nguyên tố: carbon (Z = 6), sodium (Z = 11) và oxygen (Z = 8). Cho biết số electron lớp ngoài cùng trong nguyên tử các các nguyên tố trên. Chúng là kim loại, phi kim hay khí hiếm?
Trả lời:
Cấu hình electron carbon (Z = 6): 1s22s22p2 hay [He] 2s22p2
⇒ Nguyên tử carbon có 4 electron lớp ngoài cùng ⇒ là phi kim.
Cấu hình electron sodium (Z = 11): 1s22s22p63s1 hay [Ne] 3s1
⇒ Nguyên tử sodium có 1 electron lớp ngoài cùng ⇒ là kim loại.
Cấu hình electron oxygen (Z = 8): 1s22s22p4 hay [He] 2s22p4
⇒ Nguyên tử oxygen có 6 electron lớp ngoài cùng ⇒ là phi kim.
