Bài học

Luyện tập cấu hình electron nguyên tử

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết được cấu hình electron thu gọn bằng kí hiệu khí hiếm gần nhất, và giải được các bài tập dạng thi kết hợp nhiều bước suy luận về cấu hình electron của hai hay nhiều nguyên tử liên quan đến nhau.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã thành thạo quy trình 4 bước viết cấu hình electron đầy đủ, ví dụ chlorine ( $Z=17$ ) có cấu hình $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5$ — khá dài để viết đi viết lại nhiều lần.

Bài trước em đã thành thạo quy trình 4 bước viết cấu hình electron đầy đủ, ví dụ chlorine ($Z=17$) có cấu hình $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5$ — khá dài để viết đi viết lại nhiều lần.

Khởi động

Cấu hình của chlorine dài tới 5 phân lớp. Nếu để ý, phần đầu $1s^2 2s^2 2p^6$ của chlorine lại giống HỆT cấu hình đầy đủ của khí hiếm neon ( $Z=10$ ). Liệu có cách viết gọn hơn, tận dụng sự trùng lặp này không?

Cấu hình của chlorine dài tới 5 phân lớp. Nếu để ý, phần đầu $1s^2 2s^2 2p^6$ của chlorine lại giống HỆT cấu hình đầy đủ của khí hiếm neon ($Z=10$). Liệu có cách viết gọn hơn, tận dụng sự trùng lặp này không?

Kiến thức trọng tâm

Cấu hình electron thu gọn: thay phần cấu hình trùng với khí hiếm gần nhất (có $Z$ nhỏ hơn) bằng kí hiệu của khí hiếm đó đặt trong ngoặc vuông, rồi chỉ viết tường minh phần electron còn lại.

Hai khí hiếm dùng làm mốc trong phạm vi $Z \le 20$ : neon $\text{Ne}$ ( $Z=10$ , cấu hình $1s^2 2s^2 2p^6$ ) và argon $\text{Ar}$ ( $Z=18$ , cấu hình $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6$ ).

Ví dụ: sodium ( $Z=11$ ) có cấu hình đầy đủ $1s^2 2s^2 2p^6 3s^1$ ; vì $1s^2 2s^2 2p^6$ trùng khớp với neon, ta viết gọn thành $[\text{Ne}]3s^1$ . Chlorine ( $Z=17$ ) viết gọn thành $[\text{Ne}]3s^2 3p^5$ . Potassium ( $Z=19$ ) có cấu hình đầy đủ $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^1$ ; phần $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6$ trùng khớp argon, viết gọn thành $[\text{Ar}]4s^1$ .

Quy trình viết thu gọn: (1) viết cấu hình đầy đủ theo Aufbau như bài trước; (2) tìm khí hiếm có $Z$ nhỏ hơn nguyên tử đang xét và gần nhất với nó; (3) thay đúng phần trùng bằng kí hiệu khí hiếm trong ngoặc vuông; (4) giữ nguyên phần electron còn lại phía sau.

Lợi ích lớn nhất của cách viết thu gọn: nó cho thấy NGAY electron ở lớp ngoài cùng — phần viết tường minh sau kí hiệu khí hiếm — điều sẽ rất hữu ích ở Chương 4.

Áp dụng thêm cho sulfur ( $Z=16$ ) để luyện lại cả quy trình: cấu hình đầy đủ là $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^4$ (kiểm tra $2+2+6+2+4=16$ ). Khí hiếm có $Z$ nhỏ hơn 16 và gần nhất là neon ( $Z=10$ ); phần $1s^2 2s^2 2p^6$ trùng khớp hoàn toàn với cấu hình neon, nên được thay bằng $[\text{Ne}]$ . Phần còn lại $3s^2 3p^4$ giữ nguyên. Cấu hình thu gọn: $[\text{Ne}]3s^2 3p^4$ . Trong hầu hết đề kiểm tra và đề thi ở Việt Nam, cả hai cách viết — đầy đủ và thu gọn — đều được chấp nhận trừ khi đề bài yêu cầu rõ một trong hai; cách viết thu gọn thường được ưu tiên vì ngắn gọn, ít sai sót khi chép lại, và làm nổi bật ngay phần electron lớp ngoài cùng cần dùng cho các bước suy luận tiếp theo.

**Cấu hình electron thu gọn**: thay phần cấu hình trùng với khí hiếm gần nhất (có $Z$ nhỏ hơn) bằng kí hiệu của khí hiếm đó đặt trong ngoặc vuông, rồi chỉ viết tường minh phần electron còn lại. Hai khí hiếm dùng làm mốc trong phạm vi $Z \le 20$: neon $\text{Ne}$ ($Z=10$, cấu hình $1s^2 2s^2 2p^6$) và argon $\text{Ar}$ ($Z=18$, cấu hình $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6$). Ví dụ: sodium ($Z=11$) có cấu hình đầy đủ $1s^2 2s^2 2p^6 3s^1$; vì $1s^2 2s^2 2p^6$ trùng khớp với neon, ta viết gọn thành $[\text{Ne}]3s^1$. Chlorine ($Z=17$) viết gọn thành $[\text{Ne}]3s^2 3p^5$. Potassium ($Z=19$) có cấu hình đầy đủ $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^1$; phần $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6$ trùng khớp argon, viết gọn thành $[\text{Ar}]4s^1$. Quy trình viết thu gọn: (1) viết cấu hình đầy đủ theo Aufbau như bài trước; (2) tìm khí hiếm có $Z$ nhỏ hơn nguyên tử đang xét và gần nhất với nó; (3) thay đúng phần trùng bằng kí hiệu khí hiếm trong ngoặc vuông; (4) giữ nguyên phần electron còn lại phía sau. Lợi ích lớn nhất của cách viết thu gọn: nó cho thấy NGAY electron ở lớp ngoài cùng — phần viết tường minh sau kí hiệu khí hiếm — điều sẽ rất hữu ích ở Chương 4. Áp dụng thêm cho sulfur ($Z=16$) để luyện lại cả quy trình: cấu hình đầy đủ là $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^4$ (kiểm tra $2+2+6+2+4=16$). Khí hiếm có $Z$ nhỏ hơn 16 và gần nhất là neon ($Z=10$); phần $1s^2 2s^2 2p^6$ trùng khớp hoàn toàn với cấu hình neon, nên được thay bằng $[\text{Ne}]$. Phần còn lại $3s^2 3p^4$ giữ nguyên. Cấu hình thu gọn: $[\text{Ne}]3s^2 3p^4$. Trong hầu hết đề kiểm tra và đề thi ở Việt Nam, cả hai cách viết — đầy đủ và thu gọn — đều được chấp nhận trừ khi đề bài yêu cầu rõ một trong hai; cách viết thu gọn thường được ưu tiên vì ngắn gọn, ít sai sót khi chép lại, và làm nổi bật ngay phần electron lớp ngoài cùng cần dùng cho các bước suy luận tiếp theo.

Ví dụ

Viết cấu hình thu gọn cho magnesium

1
Viết cấu hình electron thu gọn của magnesium, biết $Z = 12$ .
Viết cấu hình electron thu gọn của magnesium, biết $Z = 12$.
2
$Z=12$ : $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2$ .
$Z=12$: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2$.
3
Khí hiếm có $Z$ nhỏ hơn 12 và gần nhất là neon ( $Z=10$ , cấu hình $1s^2 2s^2 2p^6$ ) — trùng khớp hoàn toàn với phần đầu của magnesium.
Khí hiếm có $Z$ nhỏ hơn 12 và gần nhất là neon ($Z=10$, cấu hình $1s^2 2s^2 2p^6$) — trùng khớp hoàn toàn với phần đầu của magnesium.
4
Cấu hình thu gọn của magnesium: $[\text{Ne}]3s^2$ .
Cấu hình thu gọn của magnesium: $[\text{Ne}]3s^2$.

Ví dụ

Bài toán hai nguyên tử liên quan qua tổng electron

1
Hai nguyên tử X và Y có tổng số electron là 25. Biết X có cấu hình electron thu gọn là $[\text{Ne}]3s^1$ . Tìm $Z$ của Y và viết cấu hình electron đầy đủ của Y.
Hai nguyên tử X và Y có tổng số electron là 25. Biết X có cấu hình electron thu gọn là $[\text{Ne}]3s^1$. Tìm $Z$ của Y và viết cấu hình electron đầy đủ của Y.
2
$[\text{Ne}]3s^1$ nghĩa là $Z_{\text{Ne}} + 1 = 10 + 1 = 11$ . Vậy $Z_X = 11$ (sodium).
$[\text{Ne}]3s^1$ nghĩa là $Z_{\text{Ne}} + 1 = 10 + 1 = 11$. Vậy $Z_X = 11$ (sodium).
3
Vì tổng electron của X và Y là 25: $Z_Y = 25 - Z_X = 25 - 11 = 14$ .
Vì tổng electron của X và Y là 25: $Z_Y = 25 - Z_X = 25 - 11 = 14$.
4
Với $Z_Y = 14$ : $1s^2(2) + 2s^2(2) + 2p^6(6) + 3s^2(2) + 3p^2(2) = 14$ . Vậy cấu hình electron đầy đủ của Y là $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^2$ (nguyên tố silicon).
Với $Z_Y = 14$: $1s^2(2) + 2s^2(2) + 2p^6(6) + 3s^2(2) + 3p^2(2) = 14$. Vậy cấu hình electron đầy đủ của Y là $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^2$ (nguyên tố silicon).

Với những nguyên tử rất nhẹ, còn nhỏ hơn cả neon, mốc rút gọn thấp nhất có thể dùng là helium ( $\text{He}$ , $Z=2$ , cấu hình $1s^2$ ) — bản thân helium cũng là một khí hiếm dù chỉ có 2 electron (lớp K bão hoà ở mức 2, không phải 8). Ví dụ, lithium ( $Z=3$ ) có cấu hình đầy đủ $1s^2 2s^1$ , viết gọn là $[\text{He}]2s^1$ — không có khí hiếm nào nhỏ hơn helium để dùng cho những nguyên tử nhẹ hơn nữa.

Ba mốc khí hiếm cần thuộc lòng cho toàn bộ phạm vi $Z \le 20$ là: helium ( $Z=2$ ), neon ( $Z=10$ ), argon ( $Z=18$ ). Khi gặp một bài toán viết cấu hình thu gọn, việc đầu tiên nên làm là xác định $Z$ của nguyên tử rơi vào khoảng nào trong ba mốc này — nhỏ hơn 2 (không xảy ra, vì hydrogen $Z=1$ không đủ nhỏ để cần rút gọn), từ 3 đến 10 (dùng $[\text{He}]$ ), từ 11 đến 18 (dùng $[\text{Ne}]$ ), hay từ 19 đến 20 (dùng $[\text{Ar}]$ ) — rồi mới tính phần electron còn lại. Cách xác định khoảng trước khi viết cụ thể giúp em tránh hẳn được lỗi chọn nhầm khí hiếm đã nêu ở phần trên, đặc biệt hữu ích khi làm bài thi trắc nghiệm dưới áp lực thời gian và không còn nhiều phút để rà soát lại toàn bộ bài làm trước khi nộp.

Một lỗi tinh vi hơn xảy ra khi nguyên tử có $Z$ nằm giữa hai khí hiếm, ví dụ $Z=15$ (nằm giữa neon $Z=10$ và argon $Z=18$). Học sinh đôi khi phân vân nên dùng $[\text{Ne}]$ hay $[\text{Ar}]$. Câu trả lời luôn dựa trên MỘT điều kiện duy nhất: khí hiếm dùng để rút gọn phải có $Z$ NHỎ HƠN $Z$ của nguyên tử đang xét. Với $Z=15$: neon ($Z=10$) nhỏ hơn 15 nên hợp lệ; argon ($Z=18$) LỚN HƠN 15 nên không thể dùng — không thể "trừ" đi một phần cấu hình còn chưa hình thành. Vậy cấu hình thu gọn đúng của nguyên tử $Z=15$ là $[\text{Ne}]3s^2 3p^3$, không bao giờ được viết dựa trên argon. Với những nguyên tử rất nhẹ, còn nhỏ hơn cả neon, mốc rút gọn thấp nhất có thể dùng là helium ($\text{He}$, $Z=2$, cấu hình $1s^2$) — bản thân helium cũng là một khí hiếm dù chỉ có 2 electron (lớp K bão hoà ở mức 2, không phải 8). Ví dụ, lithium ($Z=3$) có cấu hình đầy đủ $1s^2 2s^1$, viết gọn là $[\text{He}]2s^1$ — không có khí hiếm nào nhỏ hơn helium để dùng cho những nguyên tử nhẹ hơn nữa. Ba mốc khí hiếm cần thuộc lòng cho toàn bộ phạm vi $Z \le 20$ là: helium ($Z=2$), neon ($Z=10$), argon ($Z=18$). Khi gặp một bài toán viết cấu hình thu gọn, việc đầu tiên nên làm là xác định $Z$ của nguyên tử rơi vào khoảng nào trong ba mốc này — nhỏ hơn 2 (không xảy ra, vì hydrogen $Z=1$ không đủ nhỏ để cần rút gọn), từ 3 đến 10 (dùng $[\text{He}]$), từ 11 đến 18 (dùng $[\text{Ne}]$), hay từ 19 đến 20 (dùng $[\text{Ar}]$) — rồi mới tính phần electron còn lại. Cách xác định khoảng trước khi viết cụ thể giúp em tránh hẳn được lỗi chọn nhầm khí hiếm đã nêu ở phần trên, đặc biệt hữu ích khi làm bài thi trắc nghiệm dưới áp lực thời gian và không còn nhiều phút để rà soát lại toàn bộ bài làm trước khi nộp.

Sai lầm thường gặp

Học sinh hay dùng NHẦM khí hiếm có $Z$ LỚN HƠN nguyên tử đang xét để rút gọn — ví dụ dùng $[\text{Ar}]$ ( $Z=18$ ) để viết gọn cho sodium ( $Z=11$ , nhỏ hơn 18). Khí hiếm dùng để rút gọn bắt buộc phải có $Z$ NHỎ HƠN và gần nhất với nguyên tử đang xét.

Học sinh hay dùng NHẦM khí hiếm có $Z$ LỚN HƠN nguyên tử đang xét để rút gọn — ví dụ dùng $[\text{Ar}]$ ($Z=18$) để viết gọn cho sodium ($Z=11$, nhỏ hơn 18). Khí hiếm dùng để rút gọn bắt buộc phải có $Z$ NHỎ HƠN và gần nhất với nguyên tử đang xét.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Cấu hình thu gọn = [kí hiệu khí hiếm có Z nhỏ hơn, gần nhất] + phần electron còn lại. Hai mốc cần nhớ trong phạm vi $Z \le 20$ : $[\text{Ne}]$ ( $Z=10$ ) và $[\text{Ar}]$ ( $Z=18$ ).

Cấu hình thu gọn = [kí hiệu khí hiếm có Z nhỏ hơn, gần nhất] + phần electron còn lại. Hai mốc cần nhớ trong phạm vi $Z \le 20$: $[\text{Ne}]$ ($Z=10$) và $[\text{Ar}]$ ($Z=18$).

Phần electron viết tường minh sau kí hiệu khí hiếm — ví dụ $3s^1$ của sodium, $3s^2 3p^5$ của chlorine — chính là electron lớp ngoài cùng. Chương 4 sẽ khai thác trực tiếp những electron này để giải thích vì sao một nguyên tố là kim loại, phi kim hay khí hiếm.

Phần electron viết tường minh sau kí hiệu khí hiếm — ví dụ $3s^1$ của sodium, $3s^2 3p^5$ của chlorine — chính là **electron lớp ngoài cùng**. Chương 4 sẽ khai thác trực tiếp những electron này để giải thích vì sao một nguyên tố là kim loại, phi kim hay khí hiếm.