Bài học

Phân lớp electron

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả được các phân lớp electron s, p, d trong một lớp electron, nêu đúng số electron tối đa của từng phân lớp (2, 6, 10) và xác định được số phân lớp có trong mỗi lớp electron.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã biết lớp electron thứ $n$ chứa tối đa $2n^2$ electron: lớp K (n=1) tối đa 2, lớp L (n=2) tối đa 8, lớp M (n=3) tối đa 18, lớp N (n=4) tối đa 32. Bài này trả lời câu hỏi: 18 electron của lớp M có phải là một khối đồng nhất, hay được chia nhỏ hơn nữa theo một quy luật khác?

Khởi động

Lớp M chứa tối đa 18 electron, nhiều gấp hơn 2 lần lớp L (8 electron). Nhưng 18 electron này có "giống hệt nhau" về mức năng lượng, hay còn được chia thành các nhóm nhỏ hơn với mức năng lượng hơi khác nhau?

Kiến thức trọng tâm

Mỗi lớp electron gồm một hay nhiều phân lớp electron, kí hiệu bằng các chữ cái thường $s, p, d, f, \ldots$ theo thứ tự mức năng lượng tăng dần trong chính lớp đó. Số phân lớp của lớp thứ $n$ đúng bằng $n$ (trong phạm vi các lớp mà chương trình phổ thông xét tới): lớp K ( $n=1$ ) chỉ có 1 phân lớp là 1s. Lớp L ( $n=2$ ) có 2 phân lớp: 2s và 2p. Lớp M ( $n=3$ ) có 3 phân lớp: 3s, 3p và 3d. Lớp N ( $n=4$ ) có 4 phân lớp: 4s, 4p, 4d và 4f — nhưng ở chương trình lớp 10, với các nguyên tử có $Z \le 20$ , em sẽ chỉ cần dùng tới phân lớp 4s của lớp N, chưa cần tới 4p, 4d, 4f.

Mỗi phân lớp electron có một số electron tối đa cố định, không phụ thuộc nó nằm ở lớp nào: phân lớp s tối đa 2 electron, phân lớp p tối đa 6 electron, phân lớp d tối đa 10 electron (phân lớp f tối đa 14 electron, chương trình phổ thông chỉ nêu tên, không xét chi tiết).

Có một cách kiểm tra rất hữu ích: tổng số electron tối đa của tất cả các phân lớp trong một lớp phải đúng bằng $2n^2$ của lớp đó. Với lớp L ( $n=2$ ): $2s + 2p = 2 + 6 = 8$ , đúng bằng $2 \times 2^2 = 8$ . Với lớp M ( $n=3$ ): $3s + 3p + 3d = 2 + 6 + 10 = 18$ , đúng bằng $2 \times 3^2 = 18$ . Đây không phải sự trùng hợp — công thức $2n^2$ chính là tổng của các phân lớp cấu thành nên lớp đó.

Mỗi lớp electron gồm một hay nhiều **phân lớp electron**, kí hiệu bằng các chữ cái thường $s, p, d, f, \ldots$ theo thứ tự mức năng lượng tăng dần trong chính lớp đó. Số phân lớp của lớp thứ $n$ đúng bằng $n$ (trong phạm vi các lớp mà chương trình phổ thông xét tới): lớp K ($n=1$) chỉ có 1 phân lớp là 1s. Lớp L ($n=2$) có 2 phân lớp: 2s và 2p. Lớp M ($n=3$) có 3 phân lớp: 3s, 3p và 3d. Lớp N ($n=4$) có 4 phân lớp: 4s, 4p, 4d và 4f — nhưng ở chương trình lớp 10, với các nguyên tử có $Z \le 20$, em sẽ chỉ cần dùng tới phân lớp 4s của lớp N, chưa cần tới 4p, 4d, 4f. Mỗi phân lớp electron có một số electron tối đa cố định, không phụ thuộc nó nằm ở lớp nào: phân lớp s tối đa 2 electron, phân lớp p tối đa 6 electron, phân lớp d tối đa 10 electron (phân lớp f tối đa 14 electron, chương trình phổ thông chỉ nêu tên, không xét chi tiết). Có một cách kiểm tra rất hữu ích: tổng số electron tối đa của tất cả các phân lớp trong một lớp phải đúng bằng $2n^2$ của lớp đó. Với lớp L ($n=2$): $2s + 2p = 2 + 6 = 8$, đúng bằng $2 \times 2^2 = 8$. Với lớp M ($n=3$): $3s + 3p + 3d = 2 + 6 + 10 = 18$, đúng bằng $2 \times 3^2 = 18$. Đây không phải sự trùng hợp — công thức $2n^2$ chính là tổng của các phân lớp cấu thành nên lớp đó.

Vì sao một lớp electron lại cần chia nhỏ thành nhiều phân lớp, thay vì để mọi electron trong lớp dùng chung đúng một mức năng lượng? Nguyên nhân là trong một nguyên tử nhiều electron, mỗi electron không chỉ chịu lực hút của hạt nhân mà còn chịu lực đẩy từ các electron khác xung quanh nó. Electron thuộc phân lớp s có kiểu phân bố không gian khác với electron thuộc phân lớp p cùng lớp, nên mức độ nó bị các electron lớp trong "che chắn" khỏi lực hút hạt nhân cũng khác nhau một chút. Kết quả là dù cùng thuộc một lớp $n$ , phân lớp s luôn có mức năng lượng thấp hơn phân lớp p, phân lớp p thấp hơn phân lớp d. Đây chính là lí do bên trong khiến các phân lớp có tên riêng và thứ tự năng lượng riêng, thay vì tất cả electron của một lớp chỉ cần một con số năng lượng duy nhất.

Vì sao một lớp electron lại cần chia nhỏ thành nhiều phân lớp, thay vì để mọi electron trong lớp dùng chung đúng một mức năng lượng? Nguyên nhân là trong một nguyên tử nhiều electron, mỗi electron không chỉ chịu lực hút của hạt nhân mà còn chịu lực đẩy từ các electron khác xung quanh nó. Electron thuộc phân lớp s có kiểu phân bố không gian khác với electron thuộc phân lớp p cùng lớp, nên mức độ nó bị các electron lớp trong "che chắn" khỏi lực hút hạt nhân cũng khác nhau một chút. Kết quả là dù cùng thuộc một lớp $n$, phân lớp s luôn có mức năng lượng thấp hơn phân lớp p, phân lớp p thấp hơn phân lớp d. Đây chính là lí do bên trong khiến các phân lớp có tên riêng và thứ tự năng lượng riêng, thay vì tất cả electron của một lớp chỉ cần một con số năng lượng duy nhất.

Tên gọi s, p, d, f không phải chọn ngẫu nhiên. Chúng bắt nguồn từ cách các nhà vật lí đầu thế kỉ XX mô tả hình dạng vạch quang phổ quan sát được: sharp (sắc nét), principal (chính), diffuse (khuếch tán), fundamental (cơ bản). Mỗi loại vạch quang phổ khi đó tương ứng với electron nhảy từ một loại phân lớp riêng, nên tên mô tả vạch quang phổ dần trở thành tên gọi luôn của chính phân lớp đó. Ngày nay ý nghĩa mô tả ban đầu ít được nhắc tới, nhưng bốn chữ cái s, p, d, f vẫn được giữ nguyên trong mọi sách giáo khoa hoá học trên thế giới.

Ví dụ

Kiểm tra tổng electron tối đa của lớp L bằng phân lớp

1
Lớp L (n=2) gồm hai phân lớp 2s và 2p. Hãy tính tổng electron tối đa của lớp L bằng cách cộng electron tối đa của từng phân lớp, rồi so sánh với công thức $2n^2$ .
Lớp L (n=2) gồm hai phân lớp 2s và 2p. Hãy tính tổng electron tối đa của lớp L bằng cách cộng electron tối đa của từng phân lớp, rồi so sánh với công thức $2n^2$.
2
Phân lớp 2s tối đa 2 electron, phân lớp 2p tối đa 6 electron. Tổng: $2 + 6 = 8$ electron.
Phân lớp 2s tối đa 2 electron, phân lớp 2p tối đa 6 electron. Tổng: $2 + 6 = 8$ electron.
3
Với $n=2$ : $2 \times 2^2 = 8$ electron. Kết quả $8 = 8$ , hai cách tính khớp nhau hoàn toàn.
Với $n=2$: $2 \times 2^2 = 8$ electron. Kết quả $8 = 8$, hai cách tính khớp nhau hoàn toàn.
4
Vậy tổng electron tối đa các phân lớp trong một lớp luôn đúng bằng $2n^2$ của lớp đó — đây là một cách kiểm tra chéo hữu ích khi làm bài.
Vậy tổng electron tối đa các phân lớp trong một lớp luôn đúng bằng $2n^2$ của lớp đó — đây là một cách kiểm tra chéo hữu ích khi làm bài.

Ví dụ

Phân lớp chưa lấp đầy dù còn chỗ trống

1
Lớp M gồm 3 phân lớp 3s, 3p, 3d. Giả sử ở một nguyên tử nào đó, phân lớp 3s và 3p đã đạt số electron tối đa, còn phân lớp 3d chưa có electron nào. Hỏi lớp M của nguyên tử này có bao nhiêu electron, và có đạt số tối đa 18 electron của lớp M hay không?
2
Phân lớp 3s đầy: 2 electron. Phân lớp 3p đầy: 6 electron. Phân lớp 3d: 0 electron. Tổng lớp M: $2 + 6 + 0 = 8$ electron.
Phân lớp 3s đầy: 2 electron. Phân lớp 3p đầy: 6 electron. Phân lớp 3d: 0 electron. Tổng lớp M: $2 + 6 + 0 = 8$ electron.
3
Số electron tối đa của lớp M là 18, nhưng nguyên tử này chỉ có 8 electron ở lớp M, tức là lớp M CHƯA đạt tối đa dù phân lớp 3d vẫn còn nguyên 10 chỗ trống.
4
Vậy lớp M có 8 electron, chưa đạt tối đa 18 electron — cụ thể là phân lớp 3d hoàn toàn còn trống. Đây chính là tình huống xảy ra ở những nguyên tố quen thuộc như potassium hay calcium mà em sẽ gặp lại và lí giải rõ nguyên nhân ở Chương 2, khi học nguyên lí sắp xếp electron.

Sai lầm thường gặp

Học sinh hay quên rằng lớp M có tới 3 phân lớp (3s, 3p, 3d) chứ không chỉ 2 phân lớp như lớp L (2s, 2p) — dẫn đến quên mất phân lớp 3d khi liệt kê. Một lỗi khác là nhầm số electron tối đa của phân lớp d là 6 (giống phân lớp p) thay vì đúng là 10.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Lớp thứ $n$ có đúng $n$ phân lớp, kí hiệu s, p, d, f theo thứ tự. Electron tối đa mỗi phân lớp: s=2, p=6, d=10, f=14. Tổng các phân lớp trong một lớp luôn khớp với $2n^2$ — dùng phép cộng này để tự kiểm tra bài làm.

Biết phân lớp rồi, câu hỏi tiếp theo là: electron điền vào các phân lớp theo thứ tự nào? Có phải cứ điền hết lớp trong rồi mới sang lớp ngoài không? Chương 2 sẽ trả lời bằng nguyên lí vững bền — quy luật quan trọng nhất để viết đúng cấu hình electron.