Bài học

Viết cấu hình electron nguyên tử (Z ≤ 20)

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết được cấu hình electron đầy đủ (dạng phân lớp) cho một nguyên tử bất kì có $Z \le 20$ , theo đúng quy trình bốn bước dựa trên nguyên lí vững bền, và tự kiểm tra được kết quả bằng cách cộng tổng electron.

Sau bài này, em viết được cấu hình electron đầy đủ (dạng phân lớp) cho một nguyên tử bất kì có $Z \le 20$, theo đúng quy trình bốn bước dựa trên nguyên lí vững bền, và tự kiểm tra được kết quả bằng cách cộng tổng electron.

Kiến thức nền cần nhớ

Chương 2 đã cho em thứ tự mức năng lượng $1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s$ và sức chứa tối đa mỗi phân lớp (s=2, p=6, d=10). Bài này ghép các mảnh đó lại thành một quy trình duy nhất: viết cấu hình electron — cách biểu diễn đầy đủ vị trí của mọi electron trong nguyên tử.

Khởi động

Nguyên tử sodium (Na) có $Z=11$ . Trước khi học quy tắc chính thức, em thử đoán: 11 electron đó sẽ điền vào các phân lớp 1s, 2s, 2p, 3s như thế nào?

Nguyên tử sodium (Na) có $Z=11$. Trước khi học quy tắc chính thức, em thử đoán: 11 electron đó sẽ điền vào các phân lớp 1s, 2s, 2p, 3s như thế nào?

Kiến thức trọng tâm

Cấu hình electron của một nguyên tử là cách biểu diễn sự phân bố electron vào các phân lớp, viết theo dạng $n\ell^{x}$ (số lớp — kí hiệu phân lớp — số mũ là số electron của phân lớp đó), ví dụ $1s^2$ nghĩa là phân lớp 1s có 2 electron.

Quy trình viết cấu hình electron cho một nguyên tử trung hoà có $Z \le 20$ gồm bốn bước. Bước 1: xác định tổng số electron cần điền, đúng bằng $Z$ (vì nguyên tử trung hoà điện có số electron bằng số proton). Bước 2: điền electron lần lượt vào các phân lớp theo đúng thứ tự mức năng lượng tăng dần $1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s$ , mỗi phân lớp điền tối đa theo sức chứa của nó (s tối đa 2, p tối đa 6) cho đến khi dùng hết electron. Bước 3: phân lớp cuối cùng thường chưa đầy — chỉ điền đúng số electron còn lại vào đó, không cần cố lấp đầy. Bước 4: kiểm tra lại bằng cách cộng electron của tất cả các phân lớp — tổng phải đúng bằng $Z$ .

Áp dụng cho sodium ( $Z=11$ ): điền $1s^2$ (còn 9), $2s^2$ (còn 7), $2p^6$ (còn 1), $3s^1$ (hết, vì chỉ còn đúng 1 electron). Cấu hình đầy đủ: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^1$ . Kiểm tra: $2+2+6+1 = 11 = Z$ . Đúng.

Áp dụng thêm cho calcium ( $Z=20$ ) để thấy rõ vai trò của Bước 2 khi vượt qua mốc $Z=18$ : điền $1s^2$ (còn 18), $2s^2$ (còn 16), $2p^6$ (còn 10), $3s^2$ (còn 8), $3p^6$ (còn 2). Đến đây, theo thứ tự vững bền đã học, phân lớp tiếp theo là 4s (KHÔNG phải 3d), nên 2 electron còn lại điền vào $4s^2$ (hết, đúng đủ 2 electron còn thiếu). Cấu hình đầy đủ của calcium: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2$ . Kiểm tra: $2+2+6+2+6+2 = 20 = Z$ . Đúng — và phân lớp 3d hoàn toàn không xuất hiện trong cấu hình này, đúng như em đã dự đoán ở Chương 2.

**Cấu hình electron** của một nguyên tử là cách biểu diễn sự phân bố electron vào các phân lớp, viết theo dạng $n\ell^{x}$ (số lớp — kí hiệu phân lớp — số mũ là số electron của phân lớp đó), ví dụ $1s^2$ nghĩa là phân lớp 1s có 2 electron. Quy trình viết cấu hình electron cho một nguyên tử trung hoà có $Z \le 20$ gồm bốn bước. **Bước 1**: xác định tổng số electron cần điền, đúng bằng $Z$ (vì nguyên tử trung hoà điện có số electron bằng số proton). **Bước 2**: điền electron lần lượt vào các phân lớp theo đúng thứ tự mức năng lượng tăng dần $1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s$, mỗi phân lớp điền tối đa theo sức chứa của nó (s tối đa 2, p tối đa 6) cho đến khi dùng hết electron. **Bước 3**: phân lớp cuối cùng thường chưa đầy — chỉ điền đúng số electron còn lại vào đó, không cần cố lấp đầy. **Bước 4**: kiểm tra lại bằng cách cộng electron của tất cả các phân lớp — tổng phải đúng bằng $Z$. Áp dụng cho sodium ($Z=11$): điền $1s^2$ (còn 9), $2s^2$ (còn 7), $2p^6$ (còn 1), $3s^1$ (hết, vì chỉ còn đúng 1 electron). Cấu hình đầy đủ: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^1$. Kiểm tra: $2+2+6+1 = 11 = Z$. Đúng. Áp dụng thêm cho calcium ($Z=20$) để thấy rõ vai trò của Bước 2 khi vượt qua mốc $Z=18$: điền $1s^2$ (còn 18), $2s^2$ (còn 16), $2p^6$ (còn 10), $3s^2$ (còn 8), $3p^6$ (còn 2). Đến đây, theo thứ tự vững bền đã học, phân lớp tiếp theo là 4s (KHÔNG phải 3d), nên 2 electron còn lại điền vào $4s^2$ (hết, đúng đủ 2 electron còn thiếu). Cấu hình đầy đủ của calcium: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2$. Kiểm tra: $2+2+6+2+6+2 = 20 = Z$. Đúng — và phân lớp 3d hoàn toàn không xuất hiện trong cấu hình này, đúng như em đã dự đoán ở Chương 2.

Ba phân lớp đầu (1s, 2s, 2p) đã lấp đầy tối đa; phân lớp cuối 3s chỉ có 1 electron vì đã hết electron để điền.

Ví dụ

Viết cấu hình electron cho chlorine

1
Viết cấu hình electron đầy đủ của nguyên tử chlorine, biết $Z = 17$ .
Viết cấu hình electron đầy đủ của nguyên tử chlorine, biết $Z = 17$.
2
Nguyên tử trung hoà nên tổng electron $= Z = 17$ .
Nguyên tử trung hoà nên tổng electron $= Z = 17$.
3
$1s^2$ (còn 15) $\to 2s^2$ (còn 13) $\to 2p^6$ (còn 7) $\to 3s^2$ (còn 5) $\to 3p^5$ (hết, vì phân lớp 3p chỉ cần đúng 5 electron còn lại, chưa đầy tối đa 6).
$1s^2$ (còn 15) $\to 2s^2$ (còn 13) $\to 2p^6$ (còn 7) $\to 3s^2$ (còn 5) $\to 3p^5$ (hết, vì phân lớp 3p chỉ cần đúng 5 electron còn lại, chưa đầy tối đa 6).
4
Cấu hình: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5$ . Kiểm tra tổng: $2+2+6+2+5 = 17 = Z$ . Vậy cấu hình electron của chlorine là $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5$ .
Cấu hình: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5$. Kiểm tra tổng: $2+2+6+2+5 = 17 = Z$. Vậy cấu hình electron của chlorine là $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5$.

Ví dụ

Suy luận ngược: từ cấu hình lớp ngoài cùng tìm nguyên tố

1
Nguyên tử X có phân lớp ngoài cùng là $3p^4$ , biết các phân lớp trước đó (1s, 2s, 2p, 3s) đều đã được điền đầy đủ theo đúng nguyên lí vững bền. Viết cấu hình electron đầy đủ của X, xác định $Z$ và cho biết tên nguyên tố.
Nguyên tử X có phân lớp ngoài cùng là $3p^4$, biết các phân lớp trước đó (1s, 2s, 2p, 3s) đều đã được điền đầy đủ theo đúng nguyên lí vững bền. Viết cấu hình electron đầy đủ của X, xác định $Z$ và cho biết tên nguyên tố.
2
"Đầy đủ theo nguyên lí vững bền" nghĩa là $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2$ đã lấp đầy tối đa từng phân lớp (tổng $2+2+6+2=12$ electron), trước khi tới $3p^4$ .
"Đầy đủ theo nguyên lí vững bền" nghĩa là $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2$ đã lấp đầy tối đa từng phân lớp (tổng $2+2+6+2=12$ electron), trước khi tới $3p^4$.
3
Cấu hình đầy đủ: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^4$ . Tổng electron: $2+2+6+2+4 = 16$ , vậy $Z = 16$ .
Cấu hình đầy đủ: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^4$. Tổng electron: $2+2+6+2+4 = 16$, vậy $Z = 16$.
4
Với $Z=16$ , X là nguyên tố sulfur (lưu huỳnh, S). Vậy cấu hình electron đầy đủ của X là $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^4$ , tương ứng $Z=16$ , nguyên tố sulfur.
Với $Z=16$, X là nguyên tố sulfur (lưu huỳnh, S). Vậy cấu hình electron đầy đủ của X là $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^4$, tương ứng $Z=16$, nguyên tố sulfur.

Hãy xem một lỗi cụ thể để hiểu vì sao Bước 4 (kiểm tra tổng) không phải lúc nào cũng đủ. Giả sử một học sinh viết cấu hình của potassium ( $Z=19$ ) là $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^1$ — điền tiếp vào 3d thay vì 4s. Cộng lại: $2+2+6+2+6+1=19$ , đúng bằng $Z$ ! Bước kiểm tra tổng "báo đúng", nhưng cấu hình này thực chất SAI, vì vi phạm nguyên lí vững bền: 4s có mức năng lượng thấp hơn 3d nên phải điền trước. Bài học rút ra: Bước 4 chỉ phát hiện được lỗi ĐẾM electron (thiếu hay thừa), chứ không phát hiện được lỗi THỨ TỰ (điền sai phân lớp). Vì vậy vẫn phải luôn đối chiếu lại với đúng trình tự $1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s$ trong suốt Bước 2, chứ không chỉ dựa vào phép cộng cuối cùng.

Hãy xem một lỗi cụ thể để hiểu vì sao Bước 4 (kiểm tra tổng) không phải lúc nào cũng đủ. Giả sử một học sinh viết cấu hình của potassium ($Z=19$) là $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^1$ — điền tiếp vào 3d thay vì 4s. Cộng lại: $2+2+6+2+6+1=19$, đúng bằng $Z$! Bước kiểm tra tổng "báo đúng", nhưng cấu hình này thực chất SAI, vì vi phạm nguyên lí vững bền: 4s có mức năng lượng thấp hơn 3d nên phải điền trước. Bài học rút ra: Bước 4 chỉ phát hiện được lỗi ĐẾM electron (thiếu hay thừa), chứ không phát hiện được lỗi THỨ TỰ (điền sai phân lớp). Vì vậy vẫn phải luôn đối chiếu lại với đúng trình tự $1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s$ trong suốt Bước 2, chứ không chỉ dựa vào phép cộng cuối cùng.

Luyện thêm phản xạ với aluminium ( $Z=13$ ): điền $1s^2$ (còn 11), $2s^2$ (còn 9), $2p^6$ (còn 3), $3s^2$ (còn 1), $3p^1$ (hết, đúng đủ 1 electron còn lại). Cấu hình đầy đủ: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^1$ . Kiểm tra: $2+2+6+2+1=13=Z$ . Cách trình bày này — liệt kê rõ số electron còn lại sau mỗi phân lớp — không chỉ giúp tránh nhầm lẫn khi làm bài mà còn là cách trình bày được đánh giá cao trong bài kiểm tra, vì giám khảo thấy rõ từng bước suy luận thay vì chỉ một kết quả cuối cùng. Với những đề chỉ yêu cầu đáp số cuối, em vẫn nên giữ thói quen ghi lại số electron còn lại sau mỗi phân lớp trên giấy nháp — đây chính là cách nhanh nhất để tự phát hiện lỗi đếm trước khi nộp bài, và cũng là cách các đề thi chính thức thường chấm điểm từng bước thay vì chỉ chấm đáp số cuối cùng, kể cả khi đề chỉ hỏi một câu trắc nghiệm ngắn.

Luyện thêm phản xạ với aluminium ($Z=13$): điền $1s^2$ (còn 11), $2s^2$ (còn 9), $2p^6$ (còn 3), $3s^2$ (còn 1), $3p^1$ (hết, đúng đủ 1 electron còn lại). Cấu hình đầy đủ: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^1$. Kiểm tra: $2+2+6+2+1=13=Z$. Cách trình bày này — liệt kê rõ số electron còn lại sau mỗi phân lớp — không chỉ giúp tránh nhầm lẫn khi làm bài mà còn là cách trình bày được đánh giá cao trong bài kiểm tra, vì giám khảo thấy rõ từng bước suy luận thay vì chỉ một kết quả cuối cùng. Với những đề chỉ yêu cầu đáp số cuối, em vẫn nên giữ thói quen ghi lại số electron còn lại sau mỗi phân lớp trên giấy nháp — đây chính là cách nhanh nhất để tự phát hiện lỗi đếm trước khi nộp bài, và cũng là cách các đề thi chính thức thường chấm điểm từng bước thay vì chỉ chấm đáp số cuối cùng, kể cả khi đề chỉ hỏi một câu trắc nghiệm ngắn.

Sai lầm thường gặp

Lỗi phổ biến nhất: với $Z > 18$ (như K, Ca), học sinh quen tay điền tiếp vào 3d trước khi sang 4s (vì nghĩ "lớp 3 phải xong hẳn mới sang lớp 4") — sai với nguyên lí vững bền đã học ở Chương 2. Lỗi thứ hai: quên làm Bước 4 (kiểm tra tổng electron bằng Z), dẫn đến sai sót không tự phát hiện được.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Quy trình 4 bước: (1) tổng electron = Z; (2) điền theo thứ tự vững bền 1s,2s,2p,3s,3p,4s, mỗi phân lớp tối đa theo sức chứa; (3) phân lớp cuối chỉ điền đúng số electron còn lại; (4) kiểm tra tổng bằng Z.

Cấu hình đầy đủ của những nguyên tử có nhiều electron (như chlorine, calcium) khá dài và cồng kềnh. Bài sau giới thiệu cách viết cấu hình electron thu gọn, đồng thời luyện thêm nhiều dạng bài suy luận khó hơn.