- Sự phân bố electron trên các phân lớp, lớp và cấu hình electron nguyên tử của các nguyên tố trừ các nguyên tố họ f.. 2.Kĩ năng - Xác định được thứ tự các lớp electron trong nguyên tử,
Trang 1VỎ NGUYÊN TỬ
A Mục tiêu
1 Kiến thức
Hiểu được:
- Mô hình hiện đại về sự chuyển động của electron trong nguyên tử
Obitan nguyên tử, hình dạng các obitan nguyên tử s, px, py, pz
- Khái niệm lớp, phân lớp electron và số obitan trong mỗi lớp và mỗi phân lớp Các số
lượng tử, giá trị các số lượng tử và ý nghĩa của chúng
- Mức năng lượng obitan trong nguyên tử và trật tự sắp xếp
- Các nguyên lí và quy tắc phân bố electron trong nguyên tử: Nguyên lí vứng bền, nguyên lí Pauli, qui tắc Hund
- Cấu hình electron và cách viết cấu hình electron trong nguyên tử
- Sự phân bố electron trên các phân lớp, lớp và cấu hình electron nguyên tử của các nguyên tố (trừ các nguyên tố họ f)
- Đặc điểm của lớp electron ngoài cùng
2.Kĩ năng
- Xác định được thứ tự các lớp electron trong nguyên tử, số obitan trong mỗi lớp, mỗi phân lớp
- Xác định được mối liên hệ giữa electron, lớp electron với các số lượng tử
- Viết được cấu hình electron dưới dạng ô lượng tử của một số nguyên tố
- Dựa vào cấu hình electron lớp ngoài cùng của nguyên tử suy ra tính chất cơ bản của nguyên tố đó là kim loại, phi kim hay khí hiếm
- Tính gần đúng được năng lượng của 1e trong trường lực hạt nhân cụ thể
B Tài liệu tham khảo
C Hướng dẫn học sinh tự học
* Học sinh đọc tài liệu ở các trang đã hướng dẫn và trả lời các câu hỏi sau:
1 Cấu trúc vỏ nguyên tử gồm hạt nào? Được phân chia thành lớp, phân lớp, AO như thế nào?
2 Nêu 4 số lượng tử và mối liên hệ giữa 4 số lượng tử đó?
Trang 23 Ở vỏ nguyên tử các electron được sắp xếp theo các nguyên lý và qui tắc gì?
4 Cấu hình electron là gì? Cách viết cấu hình e, cấu hình e dạng ô lượng tử?
5 Đặc điểm của của electron lớp ngoài cùng Nguyên tố nào là kim loại, phi kim, khí trơ?
6 Sự tạo thành ion và cách viết cấu hình e của ion
D Bài tập tự kiểm tra kiến thức của học sinh (Bài kiểm tra lần 1)
Thời gian: 15 phút
Câu 1: Các electron thuộc các lớp K, L, M, N, trong nguyên tử khác nhau về
A đường chuyển động của các electron
B độ bền liên kết với hạt nhân
C năng lượng trung bình của các electron
D độ bền liên kết với hạt nhân và năng lượng trung bình của các electron
Câu 2: Trong nguyên tử, ở trạng thái cơ bản, các electron được phân bố trên bốn lớp, lớp quyết định tính chất kim loại, phi kim hay khí hiếm là
A các electron lớp K B các electron lớp N
C các electron lớp L D các electron lớp M
Câu 3: Trong những câu phát biểu sau đây:
Trong nguyên tử, các electron được sắp xếp tuân theo
1 Nguyên lí vững bền : Ở trạng thái cơ bản, trong nguyên tử các electron chiếm lần lượt các obitan có mức năng lượng từ thấp lên cao
2 Nguyên lí Pauli : Trên một obitan chỉ có thể có nhiều nhất là hai electron và hai electron này chuyển động tự quay khác chiều nhau xung quanh trục riêng của mỗi electron
3 Quy tắc Hun : Trong cùng một phân lớp, các electron sẽ phân bố trên các obitan sao cho số electron độc thân là tối đa và các electron này phải có chiều tự quay giống nhau
4 Quy tắc về trật tự các mức năng lượng obitan nguyên tử :
1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p <7s < 5f < 6d
Số câu đúng là
Trang 3A 1 B 2 C 3 D 4.
Câu 4: Phân lớp tiếp theo phân lớp f gọi là phân lớp g Số AO trong một phân lớp g là
Câu 5: Nhận định đúng về số lượng tử từ (ml) của một electron trong phân lớp 5f là
A một số nguyên nào đó từ 0 đến 5 B một giá trị nào đó từ -5 đến +5
Câu 6: Phát biểu đúng với một electron có các số lượng tử n = 5 và ml = 3 là
A electron này có thể ở trong một AO p
B electron này phải có số lượng tử spin là -1/2
C electron này có thể ở trong một AO f
D electron này ở lớp vỏ chính thứ tư
Câu 7: Trong các cấu hình electron dưới đây cho Mo (Z = 42) cấu hình nào đúng là
A [Kr] 4d55s1 B [Kr] 4d55s2
C [Kr] 4d45s2 D [Ar] 5s24d4
Câu 8: Nguyên tử của nguyên tố X có cấu hình electron nguyên tử kết thúc ở 4s1 Cấu hình electron của X có thể là
A 1s22s22p63s23p64s1
B 1s22s22p63s23p63d54s1
C 1s22s22p63s23p63d104s1
D 1s22s22p63s23p64s1, 1s22s22p63s23p63d54s1 , 1s22s22p63s23p63d104s1
Câu 9: Cho các nguyên tố X1, X2, X3, X4 có electron cuối cùng được điền vào các phân lớp sau: X1 : 4s1; X2 : 3p3 ; X3 : 3p6 ; X4 : 2p4
Nguyên tố kim loại là
A X1 và X2 B X1 C X1, X2,X4 D X3
Câu 10: Cation kim loại Mn+ có cấu hình electron lớp vỏ ngoài cùng là 2s22p6 Cấu hình electron lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử M là
Trang 4A 3s1 hoặc 3s2 hoặc 3s23p1 C 3s1 hoặc 2s22p5.
B 2s22p5 hoặc 2s22p4 D 2s22p4 hoặc 3s2
E Nội dung lý thuyết cần nghiên cứu (Thông tin phản hồi)
1 Sự chuyển
electron ở vỏ
nguyên tử cụ thể
thế nào, electron
chuyển động có
theo một quĩ
đạo nhất định
không?
2 Nếu nguyên
tử có nhiều
electron thì các
electron có vị trí
giống nhau
không?
Các đại lượng
đặc trưng cho
một electron
trong nguyên
tử?
I Sự chuyển động của electron trong nguyên tử - Obitan nguyên
tử
1 Chuyển động của electron trong nguyên tử: không theo một quĩ
đạo xác định
2 Obitan nguyên tử
Khái niệm: Obitan nguyên tử là khu vực không gian xung quanh hạt nhân mà ở đó xác suất có mặt của electron (hay xác xuất tìm thấy electron) là lớn nhất (khoảng 90%)
*Cách biểu diễn obitan nguyên tử
+) Obitan s: có dạng hình cầu +) Obitan p: hình số 8 nổi.
Có 3 obitan p: px, py, pz
+) Obitan d và obitan f : Có hình dạng phức tạp.
II Các số lượng tử (Các đại lượng để xác định vị trí của electrontrong nguyên tử)
* Thực ra các đại lượng này là nghiệm của 1 phương trình sóng Srodingơ (thuộc nghành hoá lượng tử)
1 Số lượng tử chính n (n có các giá trị nguyên = 1, 2, 3 )
- Số lượng tử chính quy định mức năng lượng của một electron Năng lượng của electron phụ thuộc chủ yếu vào giá trị của
n (số thứ tự của lớp electron) vì vậy n được gọi là số lượng tử chính.
- n thấp thì electron có mức năng lượng thấp, electron liên kết với hạt nhân chặt chẽ nhất; n có giá trị càng lớn, electron có mức năng lượng càng cao và liên kết với hạt nhân càng kém chặt chẽ (càng ở xa hạt nhân)
Trang 5- Giá trị của n cũng quy định kích thước của obitan
2 Số lượng tử phụ hay số lượng tử obitan ( l): Số lượng tử obitan l
quy định hình dạng obitan hay kiểu obitan
Trong một lớp thì l có n giá trị từ 0 đến (n – 1)
l = 0, 1, 2, 3, (n - 1)
Kí hiệu là s p d f,
• Mỗi giá trị của l ứng với một kiểu obitan
- ở lớp thứ nhất n = 1, l chỉ có 1 giá trị nên chỉ có một phân lớp, đó là phân lớp s Phân lớp s chỉ có 1 AO gọi là AO s
- ở lớp thứ hai n = 2, l chỉ có 2 giá trị nên chỉ có 2 phân lớp,
đó là phân lớp s và phân lớp p Phân lớp p có 3 AO gọi là AO p
- ở lớp thứ ba n = 3, l chỉ có 3 giá trị nên chỉ có 3 phân lớp,
đó là phân lớp s, p và d Phân lớp d có 5 AO gọi là AO d
- ở lớp thứ tư n = 4, l chỉ có 4 giá trị nên chỉ có 4 kiểu phân lớp, đó là phân lớp s, p, d và f Phân lớp f có 7 AO gọi là AO f
3 Số lượng tử từ m (hay m l ) Số lượng tử từ xác định sự định
hướng của các obitan trong không gian Nó quy định số obitan trong cùng một phân mức năng lượng
*ml có giá trị - l , 0, + l ↔ (2 l + 1) giá trị
Mỗi giá trị của m ứng với một obitan, mỗi obitan được biểu diễn bằng một ô vuông gọi là ô lượng tử
- Khi l = 0, m chỉ có 1 giá trị (m = 0), có 1 obitan s
- Khi l = 1, m chỉ có 3 giá trị (-1, 0, +1), có 3 obitan p
- Khi l = 2, m chỉ có 5 giá trị (-2, -1, 0, +1, +2), có 5 obitan d
- Khi l = 3, m chỉ có 7 giá trị (-3, 0 +3), có 7 obitan f
Mỗi obitan được đặc trưng bằng một tổ hợp ba số lượng tử n,
l, m
Ví dụ: obitan s của nguyên tử hiđro được đặc trưng bằng các giá trị:
n = 1, l = 0, ml = 0
Trang 65 Các qui tắc và
nguyên lý để sắp
xếp electron
trong nguyên
tử?
4 Số lượng tử spin (s): Qui định chiều hướng của electron trong 1
AO
Số lượng tử spin chỉ có hai giá trị: s = +
2
1
và s = -
2 1
*Tổ hợp bốn số lượng tử nói trên đặc trưng đầy đủ cho trạng thái của electron, nó như một "địa chỉ" để nhận ra electron trong nguyên tử.
III Sự sắp xếp electron trong nguyên tử
1 Các nguyên lý và quy tắc
a Nguyên lý Pauli (W Pauli): Mỗi obitan chỉ có thể chứa tối đa
hai electron có spin ngược dấu
Ví dụ 1:Electron trong obitan 1s:
(n = 1, l = 0, m = 0, s = + 2
1 )
Hoặc: (n - 1, l = 0, m = 0, s = - 2
1 )
*Khi có một electron trong một obitan, mũi tên có thể hướng lên trên hay xuống dưới
Ví dụ 2:Nguyên tử heli có 2 electron Cả 2 electron đều chiếm obitan 1s Theo nguyên lý Pauli, 2 electron này phải có spin ngược dấu
Hai electron trong obitan 1s:
* Khi một ô đã có đủ 2 electron, người ta nói rằng một cặp electron
đã ghép đôi Nếu trong ô chỉ có 1 electron thì đó là electron độc thân.
* Số electron tối đa trong mỗi phân lớp
- Phân lớp s chỉ có 1 obitan, vậy phân lớp s chứa tối đa 2 electron
- Phân lớp p có 3 obitan (px, py, pz) vậy phân lớp p chứa tối đa 6 electron
Trang 7- Phân lớp d có 5 obitan, vậy phân lớp d chứa tối đa 10 electron
- Phân lớp f có 7 obitan, vậy phân lớp f chứa tối đa 14 electron
* Số electron tối đa trong mỗi lớp
- Lớp thứ nhất chỉ có phân lớp s: chứa tối đa 2 electron
- Lớp thứ hai có hai phân lớp: phân lớp s chứa tối đa 2 electron; phân lớp p chứa tối đa 6 electron nên tổng cộng chứa tối đa 8 electron
- Lớp thứ ba có ba phân lớp: phân lớp s, phân lớp p, phân lớp d nên chứa tối đa 18 electron
- Lớp thứ tư có bốn phân lớp: phân lớp s, phân lớp p, phân lớp d, phân lớp f nên chứa tối đa 32electron v.v
*Tổng quát lại thì lớp thứ n chứa tối đa 2n 2 electron
b Nguyên lý vững bền: trong nguyên tử các electron sẽ lần lượt
chiếm các obitan có năng lượng từ thấp đến cao
*Thông thường:
- Trong nguyên tử mức năng lượng của lớp 1 < 2 < 3 < …
- Trong 1 lớp n thì s < p < d < …
*Lí thuyết và thực nghiệm cho biết thứ tự tăng dần năng
lượng của các obitan như sau: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p <4s < 3d< 4p
< 5s < 4d (theo qui tắc Klecopxki trong sgK)
*Qua giản đồ năng lượng ta thấy, kể từ số lượng tử chính n >
3, obitan 4s có năng lượng thấp hơn 3d, obitan 5s có năng lượng thấp hơn 4d Người ta gọi hiện tượng đó là sự "chèn" mức năng lượng.
c Quy tắc Hun (Hund): Trong cùng một phân lớp, các electron sẽ
được phân bố vào các obitan như thế nào để tổng số spin của chúng
là cực đại (tức là e được phân bố rải đều ở các AO rồi mới ghép đôi)
Ví dụ: AO p có 2e
Trang 86 Cấu hình
electronvà cách
viết cấu hình
electron?
7 Đặc điểm của
lớp e ngoài cùng
và sự hình
thành ion?
2 Cấu hình electron: Cấu hình electron là cách biểu diễn sự phân
bố electron theo các phân lớp và các lớp Người ta quy ước chỉ electron bằng những chữ s, p, d, f của obitan và bằng những con số đặt trước những chữ này để chỉ số thứ tự của lớp electron Số electron của obitan được viết theo bên phải ký hiệu của obitan
Ví dụ: 7N (Z= 7) → Cấu hình e của N là: 1s22s23p3 hoặc [He] 2s22p3
*Cách viết cấu hình electron:
Bước 1: Viết theo mức năng lượng 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s… Bước 2: Viết lại theo thứ tự từ lớp 1 đến lớp 2, 3, 4…
Bước 3: có một số trường hợp đổi 3d và 4s để đạt tới cấu hình electron bền hơn (trạng thái bão hoà và nửa bão hoà)
Ví dụ: Z = 19 1s22s22p63s23p64s1 hoặc [Ar] 4s1
Z = 26 1s22s22p63s23p63d64s2 hoặc [Ar] 3d64s2
Z = 29 1s22s22p63s23p63d104s1 hoặc [Ar]3d104s1
3 Đặc điểm của lớp electron ngoài cùng
a Đặc điểm: Đối với nguyên tử của tất cả các nguyên tố, lớp ngoài
cùng có tối đa là 8 electron (trừ He là 2e)
*Lớp ngoài cùng là ns2np6 được gọi là cấu hình electron đã bão hoà
*Riêng 4He
2 là 1s2
b Qui ước:
- Các nguyên tử có 8 electron lớp ngoài cùng đều rất bền vững, chúng hầu như không tham gia vào các phản ứng hoá học Đó là các nguyên tử khí hiếm (hay khí trơ)
- Các nguyên tử có 1, 2, 3 electron lớp ngoài cùng đều là những kim loại (trừ bo)
- Các nguyên tử có 5, 6, 7 electron lớp ngoài cùng thường là những phi kim.
c Sự tạo thành ion
Trang 9*Định nghĩa: Ion là nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử có mang điện.
*Sự tạo thành ion dạng nguyên tử mang điện: Là do các nguyên tử nhường hoặc nhận e
- Nếu là kim loại thì nhường 1, 2, 3e ở lớp ngoài cùng thành ion dương:
M – ne = Mn+
- Nếu là phi kim thì nhận 1, 2, 3e vào lớp ngoài cùng tạo hành ion âm: X + ne = X
n-Ví dụ: Viết cấu hình electron của Fe2+ và Fe3+
26Fe 1s22s22p63s23p63d64s2 hoặc [Ar] 3d64s2
→Fe2+1s22s22p63s23p63d6 hoặc [Ar] 3d6
→Fe3+1s22s22p63s23p63d5 hoặc [Ar] 3d5
Ví dụ: Viết cấu hình electron của S
16S 1s22s22p63s23p4
→S2-1s22s22p63s23p6
F Bài tập tự kiểm tra đánh giá sau khi đã nghiên cứu thông tin phản hồi
(Bài kiểm tra lần 2) Thời gian: 15 phút
Câu 1: Trong nguyên tử một nguyên tố có ba lớp eletron (K, L, M) Ở trạng thái cơ bản lớp có thể chứa các electron độc thân là
A lớp K B lớp M C lớp L D lớp L và M
Câu 2: Nguyên tử của nguyên tố hoá học có cấu hình electron: 1s22s22p63s23p64s1 là
Câu 3: Cation X3+ và anionY2– đều có cấu hình electron ở phân lớp ngoài cùng là 2p6 Kí hiệu của các nguyên tố X, Y lần lượt là
Câu 4: Cho biết sắt có số hiệu nguyên tử là 26 Cấu hình electron của ion Fe2+ là
A 1s22s22p63s23p64s2 B 1s22s22p63s23p63d6
C 1s22s22p63s23p63d5 D 1s22s22p63s23p63d4
Trang 10Câu 5: Cho biết cấu hình electron của X và Y lần lượt là
X : 1s22s22p63s23p3 và Y : 1s22s22p63s23p64s1
Nhận xét đúng là:
A X và Y đều là các kim loại
B X và Y đều là các phi kim
C X và Y đều là các khí hiếm
D X là một phi kim còn Y là một kim loại
Câu 6: Trong nguyên tử một nguyên tố X có 29 electron và 36 nơtron Số khối và số lớp electron của nguyên tử X lần lượt là
A 65 và 4 B 64 và 4 C 65 và 3 D 56 và 3
Câu 7: Tổng số các hạt proton, nơtron và electron trong nguyên tử của một nguyên tố là
40 Biết số hạt nơtron lớn hơn số hạt proton là 1 Nguyên tố trên thuộc loại nguyên tố
Câu 8: Trong các t h p sau, t h p sai l ổ ợ ổ ợ à
Câu 9: Cấu hình electron biểu diễn một trạng thái kích thích là
A [Ne] 3s23p64s23d1 B [Ne] 3s23p64s23d8
C 1s22s22p53s1 D 1s22s2
Câu 10: Cấu hình electron thoả mãn nguyên lý vững bền và nguyên lý loại trừ Pauli là
A [Ne] 3s23p34s1 B [Ne] 3s23p64f4
C 1s22s12p3 D 1s22s22p63s1
Câu 11: Năng lượng 1 electron (tính theo eV) trong AO 1s của He+ là
Câu 12: Năng lượng 1e (Tính theo eV) ở AO 2s củaion Li2+ là
Câu 13: Một electron có số lượng tử n =3 và l = 1 được tìm thấy trong phân lớp
Trang 11A 4d B 3d C 3p D 2f.
Câu 14: Đối với nguyên tử clo ở trạng thái cơ bản số electron có số lượng tử n = 3 và l =
0 là
Câu 15: Số lượng tử từ xác định
A mức năng lượng của các AO B hình dạng AO
C hướng không gian của AO D spin electron trong AO
*Đáp án bài kiểm tra lần 1
*Đáp án bài kiểm tra lần 2