Cách viết cấu hình electron, từng bước một

Kí hiệu này nghĩa là gì

Mỗi phần của cấu hình gồm ba thành phần. Trong 2p⁴, số 2 là lớp vỏ (mức năng lượng chính), chữ cái p là loại phân lớp, và chỉ số trên 4 là số electron trong phân lớp đó. Các chỉ số trên luôn cộng lại bằng tổng số electron, mà với nguyên tử trung hòa bằng số hiệu nguyên tử.

Có bốn loại phân lớp, mỗi loại có sức chứa cố định: s chứa 2 electron (1 obitan), p chứa 6 (3 obitan), d chứa 10 (5 obitan) và f chứa 14 (7 obitan). Mỗi obitan chứa tối đa 2 electron.

Thứ tự aufbau

Electron lấp đầy các phân lớp có năng lượng thấp nhất trước. Đây là nguyên lí aufbau, từ tiếng Đức nghĩa là “xây dựng dần lên”. Thứ tự điền là 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p.

Hãy chú ý rằng 4s được điền trước 3d, và 6s được điền trước 4f. Quy tắc n + l giải thích điều này: cộng số thứ tự lớp n với l (0 với s, 1 với p, 2 với d, 3 với f) và điền từ tổng thấp nhất trở lên; nếu bằng nhau, n nhỏ hơn được điền trước. Nhiều học sinh thay vào đó vẽ một sơ đồ chéo các phân lớp và đi theo các mũi tên.

Bảng tuần hoàn cho thấy cùng thứ tự đó: dọc theo một chu kì, bạn đi qua khối s (nhóm 1–2), khối d (nhóm 3–12, thấp hơn một lớp) và khối p (nhóm 13–18), còn khối f (thấp hơn hai lớp) nằm xen vào các chu kì 6 và 7.

Ví dụ có lời giải: oxi

Oxi có số hiệu nguyên tử 8, nên có 8 electron cần sắp xếp. Đặt 2 vào 1s (còn 6), rồi 2 vào 2s (còn 4), rồi 4 electron cuối vào 2p, nơi có thể chứa tới 6. Kết quả là 1s² 2s² 2p⁴. Kiểm tra: 2 + 2 + 4 = 8.

Lớp cao nhất là lớp 2, có 2 + 4 = 6 electron, nên oxi có 6 electron hóa trị. Bên trong phân lớp 2p, quy tắc Hund nói rằng các electron chiếm từng obitan p riêng lẻ trước khi ghép đôi, nên nguyên tử oxi có hai electron độc thân.

Ví dụ có lời giải: sắt

Sắt có số hiệu nguyên tử 26, nên có 26 electron. Điền theo thứ tự aufbau: 1s² (đã đặt 2), 2s² (4), 2p⁶ (10), 3s² (12), 3p⁶ (18), 4s² (20), và 6 electron còn lại vào 3d. Cấu hình đầy đủ là 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶.

Nhiều sách giáo khoa, và trang web này, thay vào đó liệt kê các phân lớp theo thứ tự số lớp: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s². Cả hai đều mô tả cùng một nguyên tử. Khi sắt tạo ion, nó mất các electron 4s trước, nên Fe²⁺ là [Ar] 3d⁶ và Fe³⁺ là [Ar] 3d⁵.

Cách viết rút gọn bằng khí hiếm

Viết mọi phân lớp sẽ rất dài với các nguyên tử nặng, nên các nhà hóa học thay các electron bên trong bằng kí hiệu của khí hiếm đứng trước đặt trong dấu ngoặc vuông. [He] thay cho 1s², [Ne] thay cho 1s² 2s² 2p⁶ và [Ar] thay cho 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶. Các lõi nặng hơn là [Kr] (36 electron), [Xe] (54) và [Rn] (86).

Để dùng, viết khí hiếm đứng trước trong ngoặc và chỉ thêm các electron đi sau nó. Oxi thành [He] 2s² 2p⁴, natri thành [Ne] 3s¹ và sắt thành [Ar] 3d⁶ 4s².

Ngoại lệ: crom và đồng

Một vài nguyên tố không tuân theo đúng thứ tự aufbau. Crom (24 electron) được dự đoán là [Ar] 3d⁴ 4s², nhưng cấu hình thực tế là [Ar] 3d⁵ 4s¹. Đồng (29 electron) được dự đoán là [Ar] 3d⁹ 4s², nhưng thực tế là [Ar] 3d¹⁰ 4s¹.

Trong cả hai trường hợp, một electron 4s chuyển sang 3d. Các phân lớp 4s và 3d có năng lượng rất gần nhau, và phân lớp d bán bão hòa (d⁵) hoặc bão hòa hoàn toàn (d¹⁰) đặc biệt bền. Một số nguyên tố nặng hơn cũng hành xử như vậy: molipđen là [Kr] 4d⁵ 5s¹, bạc là [Kr] 4d¹⁰ 5s¹ và vàng là [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹. Khoảng 20 nguyên tố ở khối d và f có cấu hình bất thường, nên hãy kiểm tra một bảng đáng tin cậy với các nguyên tố nặng hơn.