4. Bài 5. Lớp, phân lớp và cấu hình electron

Phát biểu nào sau đây là đúng?

A. Electron trong cùng một lớp có năng lượng bằng nhau.

B. Electron trong cùng một phân lớp có năng lượng bằng nhau.

C. Electron ở các phân lớp 1s; 2s; 3s có năng lượng bằng nhau.

D. Electron ở lớp bên ngoài có năng lượng thấp hơn electron ở lớp bên trong.

Lời giải chi tiết:

Đáp án: B

A sai vì: Electron trong cùng một lớp có năng lượng gần bằng nhau.

C sai vì: Electron ở các phân lớp 1s; 2s; 3s có năng lượng khác nhau.

D sai vì: Electron ở lớp bên ngoài có năng lượng cao hơn electron ở lớp bên trong.

Phát biểu nào sau đây không đúng?

A. Electron càng ở xa hạt nhân thì có năng lượng càng thấp.

B. Số lượng electron tối đa trong một phân lớp luôn là một số chẵn.

C. Phân lớp p có nhiều orbital hơn phân lớp s.

D. Số electron tối đa trên phân lớp p gấp ba lần số electron tối đa trên phân lớp s.

Lời giải chi tiết:

Đáp án: A

Mỗi phát biểu sau đây là đúng hay sai?

(1) Số lượng orbital trong các phân lớp 1s, 2s, 3s là bằng nhau.

(2) Số lượng orbital trong các phân lớp 3s, 3p, 3d là bằng nhau.

(3) Các electron trên các phân lớp 1s, 2s, 3s có năng lượng bằng nhau.

(4) Các electron trên các phân lớp 3s, 3p, 3d có năng lượng bằng nhau.

(5) Số lượng electron tối đa trong một lớp là 2n².

(6) Số lượng các orbital trong một phân lớp (s, p, d, f) luôn là một số lẻ.

Lời giải chi tiết:

Các phát biểu (1); (5); (6) đúng, (2); (3); (4)  sai

Phát biểu (2): Số lượng orbital trong các phân lớp 3s, 3p, 3d là khác nhau.

Phát biểu (3): Các electron trên các phân lớp 1s, 2s, 3s có năng lượng khác nhau.

Phát biểu (4): Các electron trên các phân lớp 3s, 3p, 3d có năng lượng gần bằng nhau.

Điền từ/ cụm từ hoặc số thích hợp vào chỗ trống trong mỗi phát biểu sau:

a) Các electron trong lớp vỏ nguyên tử được phân bố vào các ...(1)... và ...(2)... dựa theo năng lượng của chúng. Các electron thuộc cùng một lớp có năng lượng ...(3)..., các electron thuộc cùng một phân lớp có năng lượng ...(4).... Các electron ở ...(5)... có vai trò quyết định đến tính chất hoá học đặc trưng của nguyên tố.

b) Magnesium được sử dụng nhiều trong công nghiệp để chế tạo các bộ phận của máy bay, ô tô. Nguyên tử magnesium có 12 electron, được phân bố vào ...(1)... lớp. Lớp ngoài cùng của magnesium có ...(2)... electron.

Lời giải chi tiết:

(1) lớp

(2) phân lớp 

(3) gần bằng nhau

(4) bằng nhau

(5) lớp ngoài cùng 

b)

(1) ba

(2) hai 

Số phân lớp bão hòa trong các phân lớp: 1s²; 2s²; 2p³; 3d¹⁰; 3p⁴ là

A. 1.         B. 2.              C. 3.            D. 5.

Phương pháp giải:

Phân lớp đã có đủ số electron tối đa được gọi là phân lớp electron bão hoà.

Lời giải chi tiết:

Đáp án: C

Các phân lớp bão hòa là: 1s²; 2s²; 3d¹⁰.

Ghép mỗi biểu diễn ô orbital của phân lớp p ở cột A với mô tả thích hợp ở cột B. 

Phương pháp giải:

Phân lớp đã có đủ số electron tối đa được gọi là phân lớp electron bão hoà.

Phân lớp bán bão hòa là phân lớp mới có một nửa số electron tối đa của phân lớp đó.

Phân lớp chứa AO trống là phân lớp không có e.

Lời giải chi tiết:

a - 3, b - 2; c - 1

Nguyên tử O có 8 electron. Biểu diễn sự sắp xếp electron trong nguyên tử O theo orbital nào sau đây là đúng?

Phương pháp giải:

- Dựa trên Quy tắc Hund:  Trong cùng một phân lớp, các electron sẽ phân bố trên các obital sao cho số electron độc thân là tối đa. Các electron này phải có chiều tự quay giống nhau.

- Tuân theo nguyên lý vững bền: Ở trạng thái cơ bản, trong nguyên tử các electron lần lượt chiếm các obital có mức năng lượng tăng dần từ thấp đến cao.

Lời giải chi tiết:

Đáp án: B

A. không tuân theo quy tắc Hund.

C, D. Không tuân theo nguyên lí vững bền.

Các nguyên tử Ne, Na và F có Z lần lượt là 10, 11 và 9. Cấu hình electron của Ne, Na⁺ và F^- tương ứng là:

A. 1s²2s²2p⁶; 1s²2s²2p⁶3s¹ và 1s²2s²2p⁵.

B. đều có cấu hình 1s²2s²2p⁶.

C. 1s²2s²2p⁶; 1s²2s²2p⁵ và 1s²2s²2p⁴.

D. 1s²2s²2p⁶; 1s²2s²2p⁵; 1s²2s²2p³.

Phương pháp giải:

Các bước viết cấu hình electron của nguyên tử

+ Bước 1: Xác định số electron của nguyên tử

+ Bước 2: Các electron được phân bố theo thứ tự các AO có mức năng lượng tăng dần, theo các nguyên lí và quy tắc phân bố electron trong phân tử

+ Bước 3: Viết cấu hình electron theo thứ tự các phân lớp trong một lớp và theo thứ tự của các lớp electron

Lời giải chi tiết:

Đáp án: B

- Ne (Z = 10) có cấu hình electron: 1s²2s²2p⁶.

- Na (Z = 11) có cấu hình electron: 1s²2s²2p⁶3s¹

Na nhường 1 electron để tạo thành ion Na⁺. Cấu hình electron của Na⁺ là: 1s²2s²2p⁶.

- F (Z = 9) có cấu hình electron: 1s²2s²2p⁵

F nhận 1 electron để tạo thành ion F^-. Cấu hình electron của F^- là: 1s²2s²2p⁶.

Biết rằng điện tích hạt nhân của C, N, O và F lần lượt là 6, 7, 8, 9. Ghép mỗi cấu hình electron ở cột A với nguyên tử/ ion thích hợp ở cột B.

Phương pháp giải:

- Các bước viết cấu hình electron của nguyên tử

+ Bước 1: Xác định số electron của nguyên tử, ion

+ Bước 2: Các electron được phân bố theo thứ tự các AO có mức năng lượng tăng dần, theo các nguyên lí và quy tắc phân bố electron trong phân tử

+ Bước 3: Viết cấu hình electron theo thứ tự các phân lớp trong một lớp và theo thứ tự của các lớp electron

Lời giải chi tiết:

a - 2; b - 1; c - 4; d - 3.

1. O (Z = 8) có cấu hình electron 1s²2s²2p⁴.

2. C (Z = 6) có cấu hình electron 1s²2s²2p²

C nhường 2 electron được ion C²⁺ có cấu hình electron: 1s²2s².

3. N (Z = 7) có cấu hình electron 1s²2s²2p³

N nhận 3 electron được ion N^3- có cấu hình electron 1s²2s²2p⁶.

4. F (Z = 9) có cấu hình electron: 1s²2s²2p⁵

Trong các nguyên tử N (Z = 7), O (Z = 8), F (Z = 9) và Ne (Z = 10), nguyên tử có nhiều electron độc thân nhất là

A. N.      B. O.         C. F.        D. Ne.

Phương pháp giải:

- Xác định số phân lớp của nguyên tử => số AO

- Điền các e vào AO theo quy tắc: Mỗi AO chứa tối đa 2e

Lời giải chi tiết:

Đáp án A

Chi tiết: 

Nối mỗi cấu hình electron của nguyên tử ở cột A với các loại nguyên tố hóa học thích hợp ở cột B.

Phương pháp giải:

B1: Viết cấu hình e các nguyên tố

B2: Dựa vào cấu hình xác định được loại nguyên tố theo:

Nguyên tử có 8 electron ở lớp ngoài cùng -> khí hiếm

Nguyên tử có 5, 6, 7 electron ở lớp ngoài cùng -> Phi kim

Nguyên tử có 1, 2, 3 electron ở lớp ngoài cùng -> kim loại

Lời giải chi tiết:

a - 3; b và d - 2; c - 1.

a) 1s²2s²2p⁶: Nguyên tử có 8 electron ở lớp ngoài cùng nên là nguyên tử của nguyên tố khí hiếm.

b) 1s²2s²2p⁵: Nguyên tử có 7 electron ở lớp ngoài cùng nên là nguyên tử của nguyên tố phi kim.

c) 1s²2s²2p⁶3s¹: Nguyên tử có 1 electron ở lớp ngoài cùng nên là nguyên tử của nguyên tố kim loại.

d) 1s²2s²2p⁶3s²3p³: Nguyên tử có 5 electron ở lớp ngoài cùng nên là nguyên tử của nguyên tố phi kim.

Cấu hình electron của một nguyên tử được biểu diễn dưới dạng các ô orbital như sau:

Số electron hóa trị và tính chất đặc trưng của nguyên tố hóa học này là

A. 3, tính kim loại.       B. 5, tính phi kim.

C. 7, tính phi kim.        D. 4, tính kim loại.

Lời giải chi tiết:

Đáp án: B

Dựa vào cấu hình electron theo orbital ta có cấu hình electron nguyên tử như sau: 1s²2s²2p³.

 Vậy nguyên tử có 5 electron hóa trị, là phi kim (do có 5 electron ở lớp ngoài cùng).

Cho các cấu hình electron của một số nguyên tử nguyên tố như sau:

(1) 1s²2s²2p⁶

(2) 1s²2s²2p⁶3s²

(3) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s²

(4) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹4s²

(5) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴

(6) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵

Số lượng các nguyên tố kim loại trong số các nguyên tố ở trên là

A. 1.         B. 2.       C. 3.      D. 4.

Phương pháp giải:

Dựa theo quy tắc:

Nguyên tử có 8 electron ở lớp ngoài cùng -> khí hiếm

Nguyên tử có 5, 6, 7 electron ở lớp ngoài cùng -> Phi kim

Nguyên tử có 1, 2, 3 electron ở lớp ngoài cùng -> kim loại

Lời giải chi tiết:

Đáp án: C

Các nguyên tử có 1, 2, 3 electron ở lớp ngoài cùng thường là nguyên tử của nguyên tố kim loại.

Các nguyên tố kim loại là: (2), (3), (4)

Từ các nguyên tử có thể tạo ra các ion bằng cách thêm hoặc bớt electron từ nguyên tử đó.

a) Oxygen là nguyên tố chiếm tỉ lệ phần trăm khối lượng cao nhất trong cơ thể con người (khoảng 65%). Hãy viết cấu hình electron của O và O^2- (Z = 8). Cho biết để hình thành ion O^2-, nguyên tử O sẽ nhận thêm electron vào orbital nào. Xác định số electron độc thân trong nguyên tử và ion này.

b) Nhôm (aluminium) được sử dụng phổ biến trong đời sống (chế tạo dụng cụ nhà bếp, cửa, …) cũng như công nghiệp (chế tạo một số bộ phận của máy bay). Hãy biểu diễn cấu hình electron của Al và ion Al³⁺ (Z = 13) dưới dạng ô orbital. Cho biết để tạo thành ion Al³⁺, nguyên tử Al sẽ mất đi electron từ orbital nào. Xác định số electron độc thân trong các nguyên tử và ion này.

Phương pháp giải:

B1: Xác định số e của ion O^2- và Al³⁺

B2: Viết cấu hình e của các ion đó theo quy tắc Hund và nguyên lí vững bền

B3: Xác định các phân lớp và biểu diễn AO theo quy tắc: mỗi AO chứa tối đa 2 e

B4: Xác định số e độc thân (e độc thân là e đứng 1 mình trong AO, không ghép cặp với e khác)

Lời giải chi tiết:

a) Nguyên tử O (Z = 8) có cấu hình electron: 1s²2s²2p⁴

Biểu diễn dưới dạng ô AO:

Vậy nguyên tử O có 2 electron độc thân.

O nhận 2 electron vào AO 2p hình thành nên ion O^2- có cấu hình electron:

1s²2s²2p⁶.

Biểu diễn dưới dạng ô AO:

Ion O^2- không có electron độc thân nào.

b) Nguyên tử Al (Z = 13) có cấu hình electron: 1s²2s²2p⁶3s²3p¹.

Biểu diễn dưới dạng ô orbital:

Vậy Al có 1 electron độc thân.

Nguyên tử Al nhường đi 3 electron từ các orbital 3p, 3s để tạo thành ion Al³⁺ có cấu hình electron: 1s²2s²2p⁶.

Biểu diễn dưới dạng ô orbital:

Vậy ion Al³⁺ không có electron độc thân nào.

Hãy cho biết những nguyên tử và ion (cation mang điện tích 1+, 2+ hoặc anion mang điện tích 1-, 2-) nào có cấu hình electron là 1s²2s²2p⁶.

Lời giải chi tiết:

Số electron trong cấu hình 1s²2s²2p⁶ là 10 electron.

TH 1: Nếu đây là cấu hình electron của nguyên tử thì nguyên tử phải có 10 electron,

→  Z = 10,

→ nguyên tử Ne.

TH 2: Nếu là cấu hình electron của cation Mⁿ⁺ (n = 1, 2) thì cation này được tạo ra từ nguyên tử M bằng cách tách đi n electron:

 M → Mⁿ⁺ (10 electron) + ne

→ số electron trong nguyên tử M là: 10 + n.

- Với n = 1, M có 11 electron → Z = 11 ⇒ ion Na⁺ có cấu hình electron: 1s²2s²2p⁶.

- Với n = 2, M có 12 electron → Z = 12 ⇒ ion Mg²⁺ có cấu hình electron: 1s²2s²2p⁶.

TH 3: Nếu là cấu hình lectron của anion X^n- (n = 1, 2) thì anion này được tạo ra từ X bằng cách nhận vào n electron.

X + ne → Xn- (10 electron) 

 → số electron trong nguyên tử X là: 10 – n.

- Với n = 1, X có 9 electron → Z = 9 ⇒ ion F^- có cấu hình electron: 1s²2s²2p⁶.

- Với n = 2, X có 8 electron → Z = 8 ⇒ ion O^2- có cấu hình electron: 1s²2s²2p⁶.

Tại một khu vực của Úc, gia súc không phát triển mạnh mặc dù có thức ăn thô xanh thích hợp. Một cuộc điều tra cho thấy nguyên nhân là do không có đủ cobalt trong đất. Cobalt tạo thành cation ở hai dạng là Co²⁺ và Co³⁺ (Z = 27). Viết cấu hình electron của hai cation này và sơ đồ phân bố các electron vào các ô orbital. Cho biết số electron độc thân trong mỗi ion.

Phương pháp giải:

B1: Xác định số e của ion O^2- và Al³⁺

B2: Viết cấu hình e của các ion đó theo quy tắc Hund và nguyên lí vững bền

B3: Xác định các phân lớp và biểu diễn AO theo quy tắc: mỗi AO chứa tối đa 2 e

B4: Xác định số e độc thân (e độc thân là e đứng 1 mình trong AO, không ghép cặp với e khác)

Lời giải chi tiết:

Co có Z = 27 nên có cấu hình electron là: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁷4s² hoặc [Ar]3d74s2

Khi Co mất đi 2 electron và 3 electron sẽ lần lượt tạo ra: Co²⁺ và Co³⁺. Cấu hình electron của hai ion này là:

Co²⁺: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁷

Co³⁺: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶

Sơ đồ phân bố electron vào các ô orbital:

Số electron độc thân trong Co²⁺ và Co³⁺ lần lượt là 3 và 4.

Bromine (Z = 35) dễ phản ứng, trong khi krypton (Z = 36) tương đối trơ về mặt hóa học. Giải thích sự khác biệt này dựa trên cấu hình electron của chúng.

Phương pháp giải:

B1: Viết cấu hình e nguyên tử các nguyên tố

B2: Từ cấu hình xác định loại nguyên tố theo quy tắc:

Nguyên tử có 8 electron ở lớp ngoài cùng -> khí hiếm -> tính khử

Nguyên tử có 5, 6, 7 electron ở lớp ngoài cùng -> Phi kim -> tính oxi hóa

Nguyên tử có 1, 2, 3 electron ở lớp ngoài cùng -> kim loại -> tính trơ

Lời giải chi tiết:

Cấu hình electron của bromine (Z = 35): 

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d104s24p5 hoặc  [Ar]3d¹⁰4s²4p⁵.

Nguyên tử bromine có 7 electron ở lớp ngoài cùng là phi kim điển hình.

Cấu hình electron của krypton (Z = 36):

1s22s22p63s23p63d104s24p6 hoặc [Ar]3d¹⁰4s²4p⁶.

Nguyên tử krypton có 8 electron ở lớp ngoài cùng nên là khí hiếm -> không tham gia phản ứng hóa ọc 

Cũng giống như nam châm, mỗi nguyên tử/ ion cũng có thể có từ tính (bị nam châm hút). Nếu nguyên tử/ ion có electron độc thân thì nó có từ tính và được gọi là chất thuận từ. Ngược lại, nguyên tử/ ion nếu không có electron độc thân thì được gọi là chất nghịch từ. Hãy giải thích vì sao nguyên tử Cu (Z = 29) thuận từ nhưng ion Cu⁺ lại nghịch từ.

Phương pháp giải:

B1: Xác định số e của Cu và Cu⁺

B2: Viết cấu hình e của các ion đó theo quy tắc Hund và nguyên lí vững bền

B3: Xác định các phân lớp và biểu diễn AO theo quy tắc: mỗi AO chứa tối đa 2 e

B4: Xác định e độc thân (e độc thân là e đứng 1 mình trong AO, không ghép cặp với e khác)

Có e độc thân -> Chất thuận từ

Không có e độc thân -> Chất nghịch từ

Lời giải chi tiết:

Cấu hình electron của Cu (Z = 29): 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹. Viết gọn: [Ar]3d¹⁰4s¹.

Cu nhường đi 1 electron tạo thành ion Cu+ có cấu hình electron: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰.Viết gọn: [Ar]3d10.

Biểu diễn dưới dạng ô orbital nguyên tử:

Cu có 1 e độc thân -> Thuận từ

Cu⁺  không có e độc thân -> nghịch từ