Bài tập về cấu trúc lớp vỏ electron nguyên tử

Kiến thức cần nhớ

Chuyển động của electron trong nguyên tử

Đầu thế kỉ XX, người ta vẫn cho rằng các electron chuyển động xung quanh hạt nhân nguyên tử theo những quỹ đạo tròn hay bầu dục, giống như quỹ đạo của các hành tinh quay xung quanh Mặt Trời.

Theo mô hình hiện đại, trong nguyên tử, electron chuyển động rất nhanh, không theo quỹ đạo xác định. Vùng không gian xung quanh hạt nhân có xác suất tìm thấy electron là lớn nhất (khoảng 90%) và có thể hình dung vùng không gian đó như một đám mây electron, được gọi là orbital nguyên tử (kí hiệu là AO).

1. Hình dạng orbital nguyên tử

Dựa trên sự khác nhau về hình dạng, sự định hướng của orbital trong nguyên tử để phân loại orbital thành orbital s, orbital p, orbital d và orbital f. Các orbital s có dạng hình cầu và orbital p có dạng hình số 8 nổi.

2. Ô orbital

Một AO được biểu diễn bằng một ô vuông, gọi là ô orbital $\boxed{}$.

Trong 1 orbital chỉ chứa tối đa 2 electron có chiều tự quay ngược nhau. Nếu orbital có 1 electron thì biểu diễn bằng một mũi tên đi lên ($\boxed{\uparrow }$), nếu orbital có 2 electron thì được biểu diễn bằng 2 mũi tên ngược chiều nhau, mũi tên đi lên viết trước ($\boxed{\uparrow \downarrow }$).

Lớp và phân lớp electron

Trong nguyên tử, các electron sắp xếp thành từng lớp và phân lớp theo các mức năng lượng từ thấp đến cao.

1. Lớp electron

Những electron ở lớp gần hạt nhân bị hút mạnh hơn về phía hạt nhân, vì thế có năng lượng thấp hơn so với những electron ở lớp xa hạt nhân.

Các electron thuộc cùng một lớp có mức năng lượng gần bằng nhau.

Số thứ tự lớp từ trong ra ngoài và được biểu thị bằng các số nguyên n = 1, 2, 3, …, 7 với tên gọi là các chữ cái in hoa như sau:

2. Phân lớp electron

Các phân lớp trong mỗi lớp electron được kí hiệu bằng các chữ cái thường, theo thứ tự: s, p, d, f.

Các electron trên cùng một phân lớp có mức năng lượng bằng nhau.

Số phân lớp trong mỗi lớp bằng số thứ tự của lớp (n ≤ 4):

Lớp thứ nhất (lớp K, với n = 1) có một phân lớp, được kí hiệu là 1s.

Lớp thứ hai (lớp L, với n = 2) có hai phân lớp, được kí hiệu là 2s và 2p.

Lớp thứ ba (lớp M, với n = 3) có ba phân lớp, được kí hiệu là 3s, 3p và 3d.

Lớp thứ tư (lớp N, với n = 4) có bốn phân lớp, được kí hiệu là 4s, 4p, 4d và 4f.

Các electron ở phân lớp s gọi là electron s, các electron ở phân lớp p gọi là electron p, …

3. Số lượng orbital trong một phân lớp, trong một lớp

Trong một phân lớp, các orital có cùng mức năng lượng.

- Phân lớp s có 1 AO s:

- Phân lớp p có 3 AO p_x, p_y, p_z:

- Phân lớp d có 5 AO:

- Phân lớp f có 7 AO:

Trong lớp electron thứ n có n² AO (n ≤ 4).

Ví dụ 1: Lớp L (n = 2) có 2 phân lớp 2s và 2p.

Trong đó, phân lớp 2s có 1 AO, phân lớp 2p có 3 AO nên tổng số orbital trong lớp L là:

1 + 3 = 4 hay 2² AO.

Ví dụ 2: Cho biết tổng số electron tối đa trong các phân lớp s, p, d và f.

Hướng dẫn:

Trong 1 orbital chỉ chứa tối đa 2 electron.

Phân lớp s có 1 AO $\to$ Số electron tối đa trong phân lớp s là: 1×2 = 2.

Phân lớp p có 3 AO $\to$ Số electron tối đa trong phân lớp p là: 3×2 = 6.

Phân lớp d có 5 AO $\to$ Số electron tối đa trong phân lớp d là: 5×2 = 10.

Phân lớp f có 7 AO $\to$ Số electron tối đa trong phân lớp f là: 7×2 = 14.

Ví dụ 3: Lớp electron có số electron tối đa gọi là lớp electron bão hòa. Tính tổng số electron tối đa trong mỗi lớp L và M.

Hướng dẫn:

Lớp L (n = 2) có hai phân lớp 2s và 2p, có n² = 2² = 4 AO.

$\to$ Tổng số electron tối đa trong lớp L là: 4×2 = 8 (electron).

Lớp M (n = 3) có ba phân lớp 3s, 3p và 3d, có n² = 3² = 9 AO.

$\to$Tổng số electron tối đa trong lớp M là: 9×2 = 18 (electron).

Cấu hình electron của nguyên tử

Cấu hình electron của nguyên tử biểu diễn sự phân bố electron trên các phân lớp thuộc các lớp khác nhau.

Nguyên lí vững bền: Các electron trong nguyên tử ở trạng thái cơ bản lần lượt chiếm các orbital có mức năng lượng từ thấp đến cao: 1s 2s 2p 3s 3p 4s …

Quy tắc Hund (Hun): Trong cùng một phân lớp, các electron sẽ phân bố trên các orbital sao cho số electron độc thân là tối đa và các electron này có chiều tự quay giống nhau.

Cấu hình electron của nguyên tử cho biết số lớp electron, thứ tự phân lớp electron và số electron trong mỗi lớp và mỗi phân lớp.

1. Viết cấu hình electron của nguyên tử

Bước 1: Xác định số electron trong nguyên tử.

Bước 2: Viết thứ tự các lớp và phân lớp electron theo chiều tăng của năng lượng: 1s 2s 2p 3s 3p 4s …

Bước 3: Điền các electron vào các phân lớp theo nguyên lí vững bền cho đến electron cuối cùng.

Ví dụ 1: Viết cấu hình electron của nguyên tử nitrogen (Z = 7).

- Tổng số electron của nguyên tử N là 7.

- Viết thứ tự các lớp và phân lớp electron: 1s²2s²2p³.

- Có thể thay 1s² bằng kí hiệu [He]. Cấu hình electron của nguyên tử N là 1s²2s²2p³ hoặc [He]2s²2p³ hoặc (2, 5).

Electron cuối cùng điền vào phân lớp p nên nitrogen là nguyên tố p.

Ví dụ 2: Viết cấu hình electron của nguyên tử potassium (Z = 19).

- Tổng số electron của nguyên tử K là 19.

- Viết thứ tự các lớp và phân lớp electron: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹.

- Có thể thay 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ bằng kí hiệu [Ar]. Cấu hình electron của nguyên tử K là 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹ hoặc [Ar]4s¹ hoặc (2, 8, 8, 1).

Electron cuối cùng điền vào phân lớp s nên potassium là nguyên tố s.

2. Biểu diễn cấu hình electron theo ô orbital

Ví dụ: Cấu hình electron của nguyên tử nitrogen có Z = 7: 1s²2s²2p⁵ có thể được biểu diễn theo ô orbital như sau:

Hai ô orbital 1s và 2s có đủ 2 electron được biểu diễn bằng hai mũi tên ngược chiều nhau (nguyên lí Pauli). 3 electron còn lại được sắp xếp vào 3 orbital 2p bằng 3 mũi tên đi lên để số electron độc thân là tối đa (quy tắc Hund).

3. Đặc điểm của lớp electron ngoài cùng

Dựa vào đặc điểm về cấu hình electron lớp ngoài cùng để dự đoán tính chất hóa học cơ bản của nguyên tố:

- Nguyên tố mà nguyên tử đủ 8 electron lớp ngoài cùng là khí hiếm (trừ He).

- Nguyên tố mà nguyên tử có 1, 2, 3 electron lớp ngoài cùng thường là nguyên tố kim loại.

- Các nguyên tố mà nguyên tử có 4 electron lớp ngoài cùng có thể là kim loại hoặc phi kim.

- Nguyên tố mà nguyên tử có 5, 6, 7 electron lớp ngoài cùng thường là nguyên tố phi kim.

Ví dụ: Nguyên tử nguyên tố X có Z = 17.

Cấu hình electron của nguyên tử X là: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵ hoặc [Ne]3s²3p⁵.

Nguyên tử nguyên tố X có 7 electron lớp ngoài cùng $\to$ X là nguyên tố phi kim.

Các dạng bài tập về cấu trúc lớp vỏ nguyên tử

Dạng 1: Bài tập xác định cấu hình electron của nguyên tử, ion

1. Cách viết cấu hình electron nguyên tử

- Cấu hình electron biểu diễn sự phân bố electron vào lớp vỏ nguyên tử theo các lớp và phân lớp.

- Các bước viết cấu hình electron nguyên tử:

+ Bước 1: Xác định số electron của nguyên tử

+ Bước 2: Điền electron theo thứ tự các mức năng lượng từ thấp đến cao (dãy Klechkovski): 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, …

Điền electron bão hòa phân lớp trước rồi mới điền tiếp vào phân lớp sau.

Chú ý: Quy tắc đường chéo xác định dãy Klechkovski (Klếch-cốp-ski) như sau:

+ Bước 3: Đổi lại vị trí các phân lớp sao cho số thứ tự lớp (n) tăng dần từ trái qua phải, các phân lớp trong cùng một lớp theo thứ tự s, p, d, f.

Ví dụ: Nguyên tử potassium (kí hiệu K) có Z = 19.

- Thứ tự các mức năng lượng: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹.

⇒ Cấu hình electron của nguyên tử K: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹.

Lưu ý: Cấu hình electron của nguyên tử K có thể viết gọn là [Ar]4s¹; kí hiệu [Ar] thay cho cấu hình nguyên tử khí hiếm Ar là 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶.

Chú ý:

- Cấu hình electron cho biết thứ tự mức năng lượng các electron giữa các phân lớp. Năng lượng electron trên mỗi phân lớp tăng theo chiều từ trái qua phải.

- Với 20 nguyên tố đầu tiên trong bảng tuần hoàn, việc điền electron theo bước 2 (ở trên) cũng chính là cấu hình electron nguyên tử.

- Với nguyên tử có cấu hình (n – 1)d^as^b thì b luôn bằng 2, a chọn các giá trị từ 1 ® 10. Trừ hai trường hợp sau:

Trường hợp 1: a + b = 6 thay vì a = 4 và b = 2 phải viết a = 5 và b = 1 (hiện tượng “bán bão hòa gấp phân lớp d”).

Trường hợp 2: a + b = 11 thay vì a = 9 và b = 2 phải viết a = 10 và b = 1 (hiện tượng “bão hòa gấp phân lớp d”).

Ví dụ: Nguyên tử chromium (Cr) có số hiệu nguyên tử Z = 24.

+ Số electron = Z = 24.

+ Thứ tự các mức năng lượng: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁴.

Cấu hình electron của nguyên tử Cr là 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁴4s² hay [Ar]3d⁴4s².

Cấu hình electron trên không bền ® Xảy ra hiện tượng “bán bão hòa gấp phân lớp d”. Vậy, cấu hình electron của nguyên tử Cr là: [Ar]3d⁵4s¹.

2. Biểu diễn cấu hình electron theo ô orbital

- Biểu diễn cấu hình electron theo ô obital (còn gọi là cách biểu diễn cấu hình theo ô lượng tử) là một cách biểu diễn sự phân bố electron theo orbital, từ đó biết được số electron độc thân của nguyên tử.

- Các bước biểu diễn cấu hình theo orbital:

+ Bước 1:  Viết cấu hình electron của nguyên tử.

+ Bước 2:  Biểu diễn mỗi AO bằng một ô vuông (ô orbital hay ô lượng tử), các AO trong cùng phân lớp thì viết liền nhau, các AO khác phân lớp thì viết tách nhau. Thứ tự các orbital từ trái sang phải theo thứ tự như ở cấu hình electron.

+ Bước 3:  Điền electron vào từng ô orbital theo thứ tự lớp và phân lớp, mỗi electron biểu diễn bằng một mũi tên. Trong mỗi phân lớp, electron được phân bố sao cho số electron độc thân là lớn nhất, electron được điền vào các ô orbital theo thứ tự từ trái sang phải. Trong một ô orbital, electron đầu tiên được biểu diễn bằng mũi tên quay lên, electron thứ hai được biểu diễn bằng mũi tên đi xuống.

Ví dụ: Cấu hình theo ô orbital của C (Z = 6) như sau:

Như vậy, nguyên tử carbon có 2 electron độc thân, thuộc AO 2p.

3. Xác định cấu hình electron của ion

Để xác định cấu hình electron của ion cần xác định cấu hình electron của nguyên tử tương ứng. Sau đó, suy ra cấu hình electron của ion bằng cách thêm hoặc bớt electron.

+ Viết cấu hình electron của ion dương (cation):

R → Rⁿ⁺ + ne

Cấu hình electron của ion dương (Rⁿ⁺) thu được bằng cách lấy cấu hình electron của nguyên tử R bớt đi n electron (tính từ lớp ngoài cùng vào trong).

Ví dụ:

Mg có cấu hình electron: 1s²2s²2p⁶3s² suy ra cấu hình electron của Mg²⁺ là: 1s²2s²2p⁶.

+ Viết cấu hình electron của ion âm (anion):

X + ne → X^n-

Cấu hình electron của ion âm (X^n-) thu được bằng cách thêm n electron vào lớp ngoài cùng của cấu hình electron nguyên tử X.

Ví dụ:

O có cấu hình electron: 1s²2s²2p⁴ suy ra cấu hình electron của O^2- là: 1s²2s²2p⁶.

Ví dụ 1: Cấu hình electron của nguyên tử có Z = 16 là

A. 1s²2s²2p⁶3s²3p³.  

B. 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵.

C. 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴.   

D. 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: C

Nguyên tử có Z = 16 nên nguyên tử có 16 electron.

⇒ Cấu hình electron là 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴.

Bài tập tự luyện

Câu 1. Phát biểu nào sau đây không đúng?

A. Trong nguyên tử, các electron sắp xếp thành từng lớp và phân lớp theo các mức năng lượng từ thấp đến cao.

B. Những electron ở lớp gần hạt nhân bị hút mạnh hơn về phía hạt nhân, vì thế có năng lượng thấp hơn so với những electron ở lớp xa hạt nhân.

C. Các electron thuộc cùng một lớp có mức năng lượng gần bằng nhau.

D. Lớp electron thứ ba (n = 3) kí hiệu là L.

Đáp án: D

Giải thích:

Số thứ tự lớp từ trong ra ngoài và được biểu thị bằng các số nguyên n = 1, 2, 3, …, 7 với tên gọi là các chữ cái in hoa như sau:

® Phát biểu không đúng là: Lớp electron thứ ba (n = 3) kí hiệu là L.

Câu 2. Theo nguyên lí loại trừ Pauli (Pau-li), trong 1 orbital chỉ chứa tối đa

A. 3 electron có chiều tự quay giống nhau.

B. 3 electron, trong đó có 2 electronc có chiều tự quay giống nhau.

C. 2 electron có chiều tự quay ngược nhau.

D. 2 electron có chiều tự quay giống nhau.

Đáp án: C

Giải thích:

Theo nguyên lí loại trừ Pauli (Pau-li), trong 1 orbital chỉ chứa tối đa 2 electron có chiều tự quay ngược nhau.

Câu 3. Các electron trên cùng một phân lớp có mức năng lượng

A. bằng nhau.

B. gần bằng nhau.

C. khác nhau và sắp xếp theo mức năng lượng từ cao đến thấp.

D. khác nhau và sắp xếp theo mức năng lượng từ thấp đến cao.

Đáp án: A

Giải thích:

Các phân lớp trong mỗi lớp electron được kí hiệu bằng các chữ cái thường, theo thứ tự: s, p, d, f.

Các electron trên cùng một phân lớp có mức năng lượng bằng nhau.

Câu 4. Lớp electron thứ hai có

A. một phân lớp, được kí hiệu là 1s.

B. có 2 phân lớp, được kí hiệu là 2s và 2p.

C. có 3 phân lớp, được kí hiệu là 3s, 3p và 3d.

D. có 4 phân lớp, được kí hiệu là 4s, 4p, 4d và 4f.

Đáp án: B

Giải thích:

Số phân lớp trong mỗi lớp bằng số thứ tự của lớp (n ≤ 4):

Lớp thứ nhất (lớp K, với n = 1) có một phân lớp, được kí hiệu là 1s.

Lớp thứ hai (lớp L, với n = 2) có hai phân lớp, được kí hiệu là 2s và 2p.

Lớp thứ ba (lớp M, với n = 3) có ba phân lớp, được kí hiệu là 3s, 3p và 3d.

Lớp thứ tư (lớp N, với n = 4) có bốn phân lớp, được kí hiệu là 4s, 4p, 4d và 4f.

Câu 5. Tổng số electron tối đa chứa trong phân lớp p là

A. 2.

B. 6.

C. 10.

D. 14.

Đáp án: B

Giải thích:

Trong 1 orbital chỉ chứa tối đa 2 electron.

Phân lớp s có 1 AO  Số electron tối đa trong phân lớp s là: 1×2 = 2.

Phân lớp p có 3 AO  Số electron tối đa trong phân lớp p là: 3×2 = 6.

Phân lớp d có 5 AO Số electron tối đa trong phân lớp d là: 5×2 = 10.

Phân lớp f có 7 AO Số electron tối đa trong phân lớp f là: 7×2 = 14.

Câu 6. Theo mô hình hiện đại, trong nguyên tử, electron chuyển động như thế nào?

A. Electron chuyển động rất nhanh, theo một quỹ đạo xác định.

B. Electron chuyển động rất nhanh, không theo quỹ đạo xác định.

C. Electron chuyển động rất chậm, không theo quỹ đạo xác định.

D. Electron chuyển động rất chậm, theo một quỹ đạo xác định.

Đáp án: B

Giải thích:

Theo mô 7hình hiện đại, trong nguyên tử, electron chuyển động rất nhanh, không theo quỹ đạo xác định.

Câu 7. Vùng không gian xung quanh hạt nhân tìm thấy electron có thể hình dung như một đám mây electron, được gọi là

A. phân lớp electron.

B. cấu hình electron.

C. orbital nguyên tử.

D. lớp vỏ electron.

Đáp án: C

Giải thích:

Vùng không gian xung quanh hạt nhân tìm thấy electron có thể hình dung như một đám mây electron, được gọi là orbital nguyên tử.

Câu 8. Orbital nguyên tử được kí hiệu là

A. AO.

B. SO.

C. CO.

D. AS.

Đáp án: A

Giải thích:

Orbital nguyên tử được kí hiệu là AO (Atomic Orbital).

Câu 9. Các orbital trong nguyên tử được phân loại dựa trên

A. sự khác nhau về xác xuất tìm thấy electron ở mỗi vị trí xung quanh hạt nhân.

B. sự khác nhau về số electron ở mỗi lớp.

C. sự khác nhau về mức năng lượng của các electron.

D. sự khác nhau về hình dạng và sự định hướng của orbital trong nguyên tử.

Đáp án: D

Giải thích:

Dựa trên sự khác nhau về hình dạng, sự định hướng của orbital trong nguyên tử để phân loại orbital thành orbital s, orbital p, orbital d và orbital f.

Câu 10. Phát biểu nào sau đây là đúng?

A. Các orbital s có dạng hình cầu và orbital p có dạng hình số 8 nổi.

B. Các orbital s có dạng hình số 8 nổi và orbital p có dạng hình cầu.

C. Các orbital s có dạng hình bầu dục và orbital p có dạng hình số 8 nổi.

D. Các orbital s có dạng hình số 8 nổi và orbital p có dạng hình bầu dục.

Đáp án: A

Giải thích:

Các orbital s có dạng hình cầu và orbital p có dạng hình số 8 nổi.

Câu 11. Lớp electron có số electron tối đa gọi là lớp electron bão hòa. Tổng số electron tối đa trong lớp M là

A. 2.

B. 8.

C. 18.

D. 24.

Đáp án: C

Giải thích:

Trong lớp electron thứ n có n² AO (n ≤ 4).

Lớp M (n = 3) có ba phân lớp 3s, 3p và 3d, có n² = 3² = 9 AO.

Trong 1 orbital chỉ chứa tối đa 2 electron.

 Tổng số electron tối đa trong lớp M là: 9×2 = 18 (electron).

Chú ý: Số electron tối đa trong lớp n là 2n² (n ≤ 4).

Câu 12. Viết cấu hình electron của nguyên tử fluorine (Z = 9).

A. 1s²2s²2p⁵.

B. 1s²2s²2p³.

C. 1s²2s²2p⁶3s¹.

D. 1s²2s²2p⁶3s².

Đáp án: A

Giải thích:

Nguyên tử fluorine (F) có: số hiệu nguyên tử Z = 9 = Số proton = Số electron.

Thứ tự các lớp và phân lớp electron: 1s²2s²2p⁵.

 Cấu hình electron của nguyên tử F là 1s²2s²2p⁵ hoặc [He]2s²2p⁵ hoặc (2, 7).

Câu 13. Nguyên tử potassium (Z = 19) là

A. nguyên tố s.

B. nguyên tố p.

C. nguyên tố d.

D. nguyên tố f.

Đáp án: A

Giải thích:

Nguyên tử K có số hiệu nguyên tử Z = 19 = Số proton = Số electron.

Thứ tự các lớp và phân lớp electron: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹.

Có thể thay 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ bằng kí hiệu [Ar]. Cấu hình electron của nguyên tử K là 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹ hoặc [Ar]4s¹ hoặc (2, 8, 8, 1).

Electron cuối cùng điền vào phân lớp s nên potassium là nguyên tố s.

Câu 14. Nguyên tố mà nguyên tử có 1, 2, 3 electron lớp ngoài cùng thường là

A. nguyên tố khí hiếm.

B. nguyên tố phi kim.

C. nguyên tố kim loại.

D. nguyên tố phóng xạ.

Đáp án: C

Giải thích:

Dựa vào đặc điểm về cấu hình electron lớp ngoài cùng để dự đoán tính chất hóa học cơ bản của nguyên tố:

- Nguyên tố mà nguyên tử đủ 8 electron lớp ngoài cùng là khí hiếm (trừ He).

- Nguyên tố mà nguyên tử có 1, 2, 3 electron lớp ngoài cùng thường là nguyên tố kim loại.

- Các nguyên tố mà nguyên tử có 4 electron lớp ngoài cùng có thể là kim loại hoặc phi kim.

- Nguyên tố mà nguyên tử có 5, 6, 7 electron lớp ngoài cùng thường là nguyên tố phi kim.

Câu 15. Nguyên tử nguyên tố X có Z = 16. Nguyên tố X là

A. nguyên tố kim loại.

B. nguyên tố phi kim.

C. nguyên tố khí hiếm.

D. nguyên tố phóng xạ.

Đáp án: B

Giải thích:

Cấu hình electron của nguyên tử X là: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴ hoặc [Ne]3s²3p⁴.

Nguyên tử nguyên tố X có 6 electron lớp ngoài cùng X là nguyên tố phi kim.

Xem thêm các dạng bài tập và câu hỏi liên quan khác:

30 bài tập về Liên kết ion (2024) có đáp án chi tiết nhất

30 bài tập về phương pháp bảo toàn electron (2024) có đáp án chi tiết nhất

30 bài tập về biến thiên Enthalpy trong các phản ứng hóa học (2024) có đáp án chi tiết nhất

30 bài tập về lý thuyết liên kết hydrogen và tương tác van der Waals (2024) có đáp án chi tiết nhất

50 Bài tập thành phần của nguyên tử (có đáp án)