Bài học

Electron lớp ngoài cùng

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em xác định được số electron lớp ngoài cùng (electron hoá trị) của một nguyên tử nhóm A từ cấu hình electron, và giải thích được vì sao electron lớp ngoài cùng là yếu tố quyết định tính chất hoá học cơ bản của nguyên tố.

Kiến thức nền cần nhớ

Chương 3 đã cho em công cụ viết cấu hình electron đầy đủ và cấu hình thu gọn — dạng thu gọn (như $[\text{Ne}]3s^1$ của sodium) đặc biệt hữu ích vì phần điện tử viết tường minh sau kí hiệu khí hiếm chính là những electron ở xa hạt nhân nhất.

Khởi động

Sodium ( $Z=11$ , 3 lớp electron) và potassium ( $Z=19$ , 4 lớp electron) đều là kim loại phản ứng rất mạnh với nước, tạo khí hydrogen và dung dịch base. Hai nguyên tử này có tổng electron khác hẳn nhau — vậy điểm chung nào khiến chúng có tính chất hoá học giống nhau đến vậy?

Sodium ($Z=11$, 3 lớp electron) và potassium ($Z=19$, 4 lớp electron) đều là kim loại phản ứng rất mạnh với nước, tạo khí hydrogen và dung dịch base. Hai nguyên tử này có tổng electron khác hẳn nhau — vậy điểm chung nào khiến chúng có tính chất hoá học giống nhau đến vậy?

Kiến thức trọng tâm

Electron lớp ngoài cùng (đối với nguyên tố nhóm A còn gọi là electron hoá trị) là các electron thuộc lớp có số thứ tự $n$ LỚN NHẤT trong cấu hình electron của nguyên tử. Đây là những electron ở xa hạt nhân nhất, chịu lực hút của hạt nhân yếu nhất trong toàn bộ nguyên tử, nên dễ tham gia hình thành liên kết hoá học (nhường, nhận hoặc góp chung với nguyên tử khác) hơn hẳn các electron ở lớp trong.

Cách xác định: viết cấu hình electron của nguyên tử, tìm phân lớp (hoặc các phân lớp) có giá trị $n$ lớn nhất, rồi cộng electron của tất cả các phân lớp có cùng $n$ đó lại với nhau.

Ví dụ chlorine ( $Z=17$ ): cấu hình $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5$ . Giá trị $n$ lớn nhất xuất hiện là $n=3$ (ở $3s^2 3p^5$ ) — cộng lại: $2+5=7$ electron lớp ngoài cùng.

Ví dụ potassium ( $Z=19$ ): cấu hình thu gọn $[\text{Ar}]4s^1$ . Lớp ngoài cùng là lớp 4 (chỉ có $4s^1$ , vì phân lớp 3d chưa có electron nào — như đã học ở Chương 2) $\to$ đúng 1 electron lớp ngoài cùng. Dù potassium có tổng tới 19 electron, nhiều hơn hẳn sodium (11), số electron lớp ngoài cùng vẫn chỉ là 1 — giống hệt sodium. Đây chính là lời giải cho câu hỏi khởi động: cả hai đều dễ dàng nhường đi đúng 1 electron lớp ngoài cùng để đạt cấu hình bền, nên có tính chất hoá học tương tự nhau.

Đối với nguyên tố nhóm A, số electron lớp ngoài cùng tối đa là 8 (bão hoà — trừ lớp K chỉ tối đa 2, áp dụng riêng cho helium).

**Electron lớp ngoài cùng** (đối với nguyên tố nhóm A còn gọi là electron hoá trị) là các electron thuộc lớp có số thứ tự $n$ LỚN NHẤT trong cấu hình electron của nguyên tử. Đây là những electron ở xa hạt nhân nhất, chịu lực hút của hạt nhân yếu nhất trong toàn bộ nguyên tử, nên dễ tham gia hình thành liên kết hoá học (nhường, nhận hoặc góp chung với nguyên tử khác) hơn hẳn các electron ở lớp trong. Cách xác định: viết cấu hình electron của nguyên tử, tìm phân lớp (hoặc các phân lớp) có giá trị $n$ lớn nhất, rồi cộng electron của tất cả các phân lớp có cùng $n$ đó lại với nhau. Ví dụ chlorine ($Z=17$): cấu hình $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5$. Giá trị $n$ lớn nhất xuất hiện là $n=3$ (ở $3s^2 3p^5$) — cộng lại: $2+5=7$ electron lớp ngoài cùng. Ví dụ potassium ($Z=19$): cấu hình thu gọn $[\text{Ar}]4s^1$. Lớp ngoài cùng là lớp 4 (chỉ có $4s^1$, vì phân lớp 3d chưa có electron nào — như đã học ở Chương 2) $\to$ đúng 1 electron lớp ngoài cùng. Dù potassium có tổng tới 19 electron, nhiều hơn hẳn sodium (11), số electron lớp ngoài cùng vẫn chỉ là 1 — giống hệt sodium. Đây chính là lời giải cho câu hỏi khởi động: cả hai đều dễ dàng nhường đi đúng 1 electron lớp ngoài cùng để đạt cấu hình bền, nên có tính chất hoá học tương tự nhau. Đối với nguyên tố nhóm A, số electron lớp ngoài cùng tối đa là 8 (bão hoà — trừ lớp K chỉ tối đa 2, áp dụng riêng cho helium).

Vì sao electron lớp ngoài cùng lại quan trọng đến vậy trong hoá học? Vì hầu như mọi phản ứng hoá học — từ một mẩu sodium bốc cháy khi rơi vào nước, đến quá trình đốt cháy nhiên liệu, hay phản ứng tạo gỉ sắt — đều là quá trình các nguyên tử nhường, nhận hoặc góp chung electron với nhau. Electron ở lớp trong (như $1s^2$ của sodium) gần như không bao giờ tham gia những quá trình này: chúng bị hạt nhân giữ quá chặt và bị các lớp electron bên ngoài che chắn khỏi mọi tương tác với nguyên tử khác. Chỉ có electron lớp ngoài cùng — lớp xa hạt nhân nhất, chịu ảnh hưởng lớn nhất từ môi trường xung quanh — mới thực sự "tham chiến" trong phản ứng. Ở Course 8 của khoá học Hoá 10, khi tìm hiểu vì sao mức độ hoạt động hoá học giảm dần từ fluorine tới iodine trong nhóm halogen, chính electron lớp ngoài cùng (luôn là 7 ở mọi nguyên tố này) và khoảng cách của nó tới hạt nhân sẽ là chìa khoá giải thích.

Nói cách khác, tổng số electron của một nguyên tử cho biết nó "lớn" đến mức nào, nhưng chỉ riêng electron lớp ngoài cùng mới cho biết nó sẽ "hành xử" ra sao trong phản ứng hoá học. Đây là lí do vì sao từ bài này trở đi, mọi lập luận về tính chất nguyên tố trong chương trình Hoá học đều quay về hỏi cùng một câu: nguyên tử này có bao nhiêu electron lớp ngoài cùng?

Na, Mg, Al có ít electron lớp ngoài cùng (1-3); Cl có nhiều (7); Ar đạt tối đa 8 — cùng một chu kì nhưng khác hẳn xu hướng nhường hay nhận electron.

Ví dụ

Xác định electron lớp ngoài cùng của magnesium

1
Xác định số electron lớp ngoài cùng của nguyên tử magnesium, biết $Z = 12$ .
Xác định số electron lớp ngoài cùng của nguyên tử magnesium, biết $Z = 12$.
2
$1s^2 2s^2 2p^6 3s^2$ .
$1s^2 2s^2 2p^6 3s^2$.
3
Giá trị $n$ lớn nhất xuất hiện trong cấu hình là $n=3$ (ở $3s^2$ ), không có phân lớp nào khác cùng $n=3$ .
Giá trị $n$ lớn nhất xuất hiện trong cấu hình là $n=3$ (ở $3s^2$), không có phân lớp nào khác cùng $n=3$.
4
Electron lớp ngoài cùng của magnesium là $2$ (chỉ từ $3s^2$ ).
Electron lớp ngoài cùng của magnesium là $2$ (chỉ từ $3s^2$).

Ví dụ

Hai nguyên tố cùng số electron lớp ngoài cùng, khác số lớp

1
Hai nguyên tố X, Y đều có 2 electron lớp ngoài cùng, nhưng X có 2 lớp electron còn Y có 4 lớp electron. Xác định $Z$ của X và Y.
Hai nguyên tố X, Y đều có 2 electron lớp ngoài cùng, nhưng X có 2 lớp electron còn Y có 4 lớp electron. Xác định $Z$ của X và Y.
2
X có 2 lớp electron (K, L), lớp ngoài cùng là lớp L với 2 electron. Lớp K phải đầy (2 electron, vì đã có lớp L thì lớp K bắt buộc lấp đầy trước). Tổng: $2+2=4$ , vậy $Z_X=4$ .
X có 2 lớp electron (K, L), lớp ngoài cùng là lớp L với 2 electron. Lớp K phải đầy (2 electron, vì đã có lớp L thì lớp K bắt buộc lấp đầy trước). Tổng: $2+2=4$, vậy $Z_X=4$.
3
Y có 4 lớp electron (K, L, M, N), lớp ngoài cùng là lớp N với 2 electron ( $4s^2$ ). Theo nguyên lí vững bền, trước 4s các phân lớp $1s,2s,2p,3s,3p$ đều đã đầy: $2+2+6+2+6=18$ . Cộng thêm $4s^2$ : $18+2=20$ , vậy $Z_Y=20$ .
Y có 4 lớp electron (K, L, M, N), lớp ngoài cùng là lớp N với 2 electron ($4s^2$). Theo nguyên lí vững bền, trước 4s các phân lớp $1s,2s,2p,3s,3p$ đều đã đầy: $2+2+6+2+6=18$. Cộng thêm $4s^2$: $18+2=20$, vậy $Z_Y=20$.
4
Vậy $Z_X=4$ (beryllium) và $Z_Y=20$ (calcium) — hai nguyên tố khác hẳn về tổng electron và số lớp, nhưng đều có đúng 2 electron lớp ngoài cùng nên có xu hướng hoá học tương đồng.
Vậy $Z_X=4$ (beryllium) và $Z_Y=20$ (calcium) — hai nguyên tố khác hẳn về tổng electron và số lớp, nhưng đều có đúng 2 electron lớp ngoài cùng nên có xu hướng hoá học tương đồng.

Sai lầm thường gặp

Học sinh dễ nhầm "phân lớp được điền SAU CÙNG theo thứ tự Aufbau" với "phân lớp thuộc lớp ngoài cùng" — hai khái niệm này chỉ trùng nhau trong phạm vi $Z \le 20$ (vì ta luôn dừng ở 4s, chưa gặp 3d). Ở những nguyên tố có $Z>20$ (học sau này), phân lớp điền sau cùng có thể là 3d dù lớp ngoài cùng thực sự vẫn là lớp 4 — đây là điểm cần thận trọng khi gặp lại ở chương trình nâng cao.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Electron lớp ngoài cùng = electron thuộc lớp có $n$ lớn nhất; với nguyên tố nhóm A, chúng còn được gọi là electron hoá trị. Số electron lớp ngoài cùng tối đa là 8 (trừ lớp K tối đa 2). Nguyên tử có cùng số electron lớp ngoài cùng thường có tính chất hoá học tương tự nhau, dù tổng electron khác xa nhau.

Biết đúng số electron lớp ngoài cùng rồi, bài cuối cùng của khoá học sẽ dùng con số này để trả lời câu hỏi lớn nhất: một nguyên tố là kim loại, phi kim, hay khí hiếm?