Cấu hình e nguyên tử: Định nghĩa, cách viết và bài tập vận dụng

1. Thứ tự của các mức năng lượng trong một nguyên tử

Trong trạng thái cơ bản, các electron (e) của nguyên tử lần lượt chiếm mức năng lượng từ thấp tới cao. Đồng thời, theo chiều từ trong ra ngoài thì mức năng lượng tại các lớp sẽ tăng theo thứ tự từ 1 đến 7 và năng lượng của phân lớp cũng sẽ tăng theo thứ tự là s, p, d, f.

Thứ tự sắp xếp các phân lớp theo chiều hướng tăng của năng lượng đã được xác định như sau: 1s 2s 3s 3p 4s 3d 4p 5s… Khi điện tích hạt nhân tăng lên gây ra hiện tượng chèn ép mức năng lượng nên mức năng lượng ở 4s bị thấp hơn so với 3d.

2. Cấu hình e nguyên tử

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

Cách viết cấu hình electron nguyên tử:

• Xác định được số electron của nguyên tử.
• Các electron này sẽ được phân bố theo thứ tự tăng dần các mức năng lượng AO và tuân theo nguyên lí Pau-li, nguyên lí vững bền và quy tắc Hund.
• Viết cấu hình electron phải theo thứ tự các phân lớp ở trong 1 lớp và theo thứ tự lần lượt của các lớp electron.
• Lưu ý: các electron được phân bố vào các AO theo chiều phân mức năng lượng tăng dần và đã có sự chèn mức năng lượng. Tuy vậy, khi viết cấu hình electron, các phân mức năng lượng cần phải được sắp xếp lại theo hình thức từng lớp.

Ví dụ: Nguyên tử Na có Z= 11.

• Có 11e
• Các electron sẽ được phân bố như sau: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹.
• Hoặc viết gọn: [Ne]3s¹ ([Ne] là cấu hình e nguyên tử của nguyên tố Neon, là khí hiếm)

2.1. Cấu hình electron nguyên tử biểu diễn điều gì?

Cấu hình e của nguyên tử biểu diễn khả năng phân bố các electron ở các phân lớp thuộc các lớp khác nhau.

2.2. Cách viết cấu hình e nguyên tử

2.2.1. Quy ước cách viết cấu hình electron nguyên tử

Ta có quy ước cách viết cấu hình electron nguyên tử như sau:

• Số thứ tự các lớp electron thể hiện bằng các chữ số: 1, 2, 3
• Phân lớp sẽ được kí hiệu bằng chữ cái in thường: s, p, d, f
• Số electron trong phân lớp sẽ được ghi bằng chỉ số ở phía trên góc bên phải và kí hiệu của phân lớp sẽ là: s², p⁶, d¹⁰…

2.2.2. Viết cấu hình e nguyên tử cần tuân theo quy tắc nào?

Để viết được các cấu hình electron, đầu tiên chúng ta cần phải nắm chắc các nguyên lý và quy tắc sau:

• Nguyên lý Pauli: Trên một obitan nguyên tử thì chỉ có thể chứa tối đa là 2 electron và 2 electron này chuyển động tự quay ngược chiều nhau xung quanh trục riêng của mỗi electron.
• Quy tắc Hund: Tại cùng một phân lớp, các electron sẽ được phân bố trên các obitan sao cho số các electron độc thân là tối đa và các electron này bắt buộc có chiều tự quay giống nhau.
• Nguyên lý vững bền: Trong trạng thái cơ bản, ở nguyên tử thì các electron sẽ lần lượt chiếm các obitan có mức năng lượng đi từ thấp tới cao

2.2.3. Các bước viết cấu hình e nguyên tử

Bước 1: Xác định chính xác số electron trong nguyên tử.

Bước 2: Các electron cần được phân bố lần lượt dưới các phân lớp theo chiều hướng tăng của mức năng lượng bên trong các nguyên tử như: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p,… và phải tuân thủ theo quy tắc sau:

• Phân lớp s chứa tối đa là 2e.
• Phân lớp p chứa tối đa là 6e.
• Phân lớp d chứa tối đa là 10e.
• Phân lớp f chứa tối đa là 14e.

Bước 3: Viết cấu hình electron bằng cách phân bố các electron trên các phân lớp thuộc vào các lớp khác nhau như: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p,…

2.2.4. Cách xác định nguyên tố s, p, d, f

• Nguyên tố s: có electron cuối cùng được viết thuộc phân lớp s
• Nguyên tố p: có electron cuối cùng được viết thuộc phân lớp p
• Nguyên tố d: có electron cuối cùng được viết thuộc phân lớp d
• Nguyên tố f: có electron cuối cùng được viết thuộc phân lớp f

*Lưu ý một số trường hợp khác biệt: Một số nguyên tố có cấu hình nguyên tử kiểu bán bão hòa:

• Cr (có Z = 24) 1s² 2s² 2p⁶ 3s²³p⁶³d⁴⁴s² chuyển thành 1s² 2s² 2p⁶ 3s²³p⁶³d⁵⁴s¹.
• Cu (có Z = 29) 1s² 2s² 2p⁶ 3s²³p⁶³d⁹⁴s² chuyển thành 1s² 2s² 2p⁶ 3s²³p⁶³d¹⁰⁴s¹.

Đăng ký ngay khóa học DUO để được thầy cô lên lộ trình ôn thi tốt nghiệp ngay từ bây giờ nhé!

3. Đặc điểm của lớp e ngoài cùng – cấu hình e nguyên tử

Đối với gần như toàn bộ các nguyên tố thì lớp e ngoài cùng có nhiều nhất sẽ là 8e.

Trong vài trường hợp ở các nguyên tử có 8 electron lớp ngoài cùng thì có cấu hình electron của các nguyên tử này vô cùng bền. Đây thường là các nguyên tố thuộc khí hiếm. Các nguyên tố khí hiếm này tồn tại dưới dạng nguyên tử trong tự nhiên.

Các nguyên tử có 1, 2, 3 electron lớp ngoài cùng sẽ dễ “NHƯỜNG” e thì sẽ là nguyên tử của các nguyên tố kim loại (trừ các nguyên tố He, H, B).

Các nguyên tử có 5, 6, 7 electron lớp ngoài cùng sẽ dễ “NHẬN” e, thông thường sẽ là những nguyên tử của các nguyên tố phi kim.

Các nguyên tử có 4 e ở lớp ngoài cùng có thể là nguyên tử của các nguyên tố phi kim hoặc kim loại.

Chính vì vậy, lớp electron ngoài cùng sẽ quyết định tính chất hóa học của một nguyên tố bất kỳ. Khi biết được cấu hình electron của nguyên tử cũng có thể dự đoán được loại của nguyên tố nào đó.

4. Bảng cấu hình electron nguyên tử của 20 nguyên tố đầu tiên

Để có thể hiểu hơn về cấu hình e nguyên tử, nhiều sách đã tổng hợp nên bảng cấu hình electron của 40 nguyên tố đầu tiên. Dưới đây là bảng 20 nguyên tố ta hay gặp nhất:

5. Sơ đồ tư duy cấu hình e nguyên tử

6. Bài tập áp dụng lý thuyết cấu hình e nguyên tử

6.1. Bài tập cơ bản và nâng cao SGK Hoá 10

Ví dụ 1: Một nguyên tử của nguyên tố X có 3 lớp electron. Lớp ngoài cùng có 4 electron. Hãy xác định số hiệu nguyên tử của nguyên tử nguyên tố X và viết cấu hình e của X.

Hướng dẫn giải:

Z = 2 + 8 + 4 = 14
Cấu hình e của X là 1s² 2s² 2p⁶ 3s²

Ví dụ 2: Một nguyên tố d có 4 lớp electron, phân lớp ngoài cùng đã bão hòa electron. Tính tổng số electron s và electron p của nguyên tố d ở trên.

Hướng dẫn giải:

Nguyên tố d sẽ có 4 lớp electron → electron cuối cùng thuộc phân lớp 3d.
Cấu hình electron của nguyên tố này có dạng: 1s² 2s² 2p⁶ 3s²³p⁶⁴d⁰4s².
→ Tổng số electron s và electron p của nguyên tố d ở trên là 20.

Ví dụ 3: Nguyên tử X có ký hiệu là X2656. Viết cấu hình e nguyên tử của X và cho biết X là nguyên tố kim loại hay phi kim.

Hướng dẫn giải:

Do có sự chèn mức năng lượng nên electron được phân bố như sau:
1s² 2s² 2p⁶ 3s²³p⁶³d⁶
Cấu hình electron của X: 1s² 2s² 2p⁶ 3s²³p⁶³d⁶ hay [Ar] 3d⁶4s²

• Số electron lớp ngoài cùng của nguyên tử X là 2 do đó X là nguyên tố Kim loại
• N = A – Z = 56 – 26 = 30
• Electron cuối cùng của nguyên tố phân bố thuộc phân lớp 3d nên X là nguyên tố nhóm d.

Ví dụ 4: Số lượng electron thuộc lớp ngoài cùng trong nguyên tử của các nguyên tố có số các hiệu nguyên tử Z lần lượt bằng 3, 6, 9, 18 là bao nhiêu?

Hướng dẫn giải:

Dựa trên số hiệu nguyên tử Z, ta có thể viết được cấu hình e, từ đó có thể xác định số e thuộc lớp ngoài cùng.
Z = 3: 1s² 2s¹ → có 1e ở lớp ngoài cùng
Z = 6: 1s² 2s² 2p² → có 4e ở lớp ngoài cùng
Z = 9: 1s² 2s² 2p⁵ → có 7e ở lớp ngoài cùng
Z = 18: 1s² 2s² 2p⁶ 3s²³p⁶ → có 8e ở lớp ngoài cùng

Ví dụ 5: Có bao nhiêu loại nguyên tố hóa học mà nguyên tử của nó có lớp ngoài cùng thuộc lớp M?

Hướng dẫn giải:

Lớp M là lớp n = 3.
Có 8 nguyên tố hóa học mà nguyên tử của chúng có lớp ngoài cùng thuộc lớp M:

• 1s² 2s² 2p¹
• 1s² 2s² 2p²
• 1s² 2s² 2p³
• 1s² 2s² 2p⁴
• 1s² 2s² 2p⁵
• 1s² 2s² 2p⁶
• 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹
• 1s² 2s² 2p⁶ 3s²

6.2. Bài tập trắc nghiệm về Cấu hình e nguyên tử

CÂU 1: Ở trạng thái cơ bản, cấu hình electron của nguyên tử Na( Z = 11) là
A. 1s² 2s² 2p⁵ 3s²
B. 1s² 2s² 2p⁴ 3s¹
C. 1s² 2s² 2p⁶ 3s²
D. 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹

CÂU 2: Nguyên tố X có Z = 17. Số electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tố X là:
A. 1.
B. 5.
C. 3.
D. 7.

CÂU 3: Nguyên tử Z23 có cấu hình e là: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹. Z có
A. 11 nơtron, 12 proton.
B. 11 proton, 12 notron.
C. 13 proton, 10 nơtron.
D. 11 proton, 12 electron.

CÂU 4: Nguyên tử của nguyên tố hóa học X có kí hiệu như sau: XZ67. Và nguyên tử có cấu hình electron như sau: [Ar]3d¹⁰ 4s². Qua đó, số hạt không mang điện của nguyên tử X là:
A. 36.
B. 37.
C. 38.
D. 35.

CÂU 5: Cho các nguyên tử sau: K (Z = 19), Sc (Z = 21), Cr (Z = 24), Cu (Z = 29). Các nguyên tử mà có số electron lớp ngoài cùng tương đương là
A. K, Sc.
B. Sc, Cr, Cu.
C. K, Cr, Cu.
D. K, Sc, Cr, Cu.

CÂU 6: Một nguyên tố A có tổng số electron ở tất cả phân lớp s là 6 và tổng số electron thuộc lớp ngoài cùng là 7. A là nguyên tố nào trong các nguyên tố dưới đây ?
A. F (Z = 9).
B. P (Z = 15).
C. Cl (Z = 17).
D. S (Z = 16).

CÂU 7: Electron cuối cùng của nguyên tử nguyên tố X phân bố vào phân lớp 3d⁶. X là:
A. Zn (Z = 30).
B. Fe (Z = 26).
C. Ni (Z = 28).
D. S (Z = 16).

CÂU 8: Số hiệu nguyên tử của nguyên tố có tổng số electron trên các phân lớp p bằng 11 là:
A. 13.
B. 15.
C. 19.
D. 17.

CÂU 9: Một nguyên tử X có tổng số electron thuộc tất cả các phân lớp s là 6 và tổng số electron lớp ngoài cùng bằng 6. Cho biết X sẽ là nguyên tố hoá học nào dưới đây?
A. Oxi (Z = 8)
B. Lưu huỳnh (Z = 16)
C. Flo (Z = 9)
D. Clo (Z = 17)

CÂU 10: Lớp thứ n có số electron tối đa là
A. n.
B. 2n.
C. n².
D. 2n².

CÂU 11: Lớp thứ n sẽ có số obitan tối đa là:
A. n.
B. 2n.
C. n².
D. 2n².

CÂU 12: Ở tại phân lớp 4d, có số electron tối đa sẽ là
A. 6
B. 10
C. 14
D. 18

CÂU 13: Một nguyên tử R có tổng các loại hạt mang điện và không mang điện bằng 34, trong đó có số hạt mang điện gấp 1,833 lần số hạt không mang điện. Nguyên tố R và cấu hình electron của nguyên tố này là:
A. Na, 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹
B. Mg, 1s² 2s² 2p⁶ 3s²
C. F, 1s² 2s² 2p⁵
D. Ne, 1s² 2s² 2p⁶

CÂU 14: Nguyên tử của nguyên tố X có tổng các loại hạt mang điện nhiều hơn tổng các loại hạt mang điện của nguyên tử X bằng 8. X và Y là các nguyên tố nào sau đây?
A. Al và Sc
B. Al và Cl
C. Mg và Cl
D. Si và Br.

CÂU 15: Phát biểu nào dưới đây là không đúng?
A. Những electron thuộc lớp K thì có mức năng lượng thấp nhất.
B. Những electron mà ở gần hạt nhân thì sẽ có mức năng lượng thấp nhất.
C. Electron thuộc obitan 4p sẽ có mức năng lượng thấp hơn những electron thuộc obitan 4s.
D. Các electron ở trong cùng một lớp sẽ có năng lượng gần tương đương nhau.

CÂU 16: Phát biểu nào dưới đây không đúng?
A. Các electron sẽ chuyển động xung quanh hạt nhân theo một quỹ đạo tròn.
B. Các electron ở trong cùng một phân lớp sẽ có mức năng lượng tương đương nhau.
C. Các electron sẽ chuyển động không tuân theo một quỹ đạo nhất định.
D. Các electron ở trong cùng một lớp thì các electron có mức năng lượng gần bằng nhau.

CÂU 17: Trong các cấu hình electron dưới đây, cấu hình nào không tuân theo nguyên lí Pauli?
A. 1s² 2s¹
B. 1s² 2s² 2p⁵
C. 1s² 2s² 2p⁶ 3s²
D. 1s² 2s² 2p⁷ 3s²

CÂU 18: Lớp thứ 3 (n = 3) có số phân lớp là
A. 7.
B. 4.
C. 3.
D. 5.

CÂU 19: Phát biểu nào sau đây là đúng.
A. Những electron có mức năng lượng tương đương nhau thì được xếp vào cùng một phân lớp.
B. Tất cả đều đúng.
C. Năng lượng của các electron thuộc lớp K sẽ là cao nhất.
D. Lớp thứ n sẽ có n phân lớp

CÂU 20: Lớp M (n = 3) có số obitan nguyên tử là:
A. 4.
B. 9.
C. 1.
D. 16.

Đáp án tham khảo:

1. D
2. B
3. A
4. B
5. C
6. A
7. B
8. A
9. A
10. D
11. D
12. B
13. B
14. B
15. B
16. A
17. B
18. C
19. B
20. C

Qua bài viết này, VUIHOC mong rằng có thể giúp các em hiểu được phần nào kiến thức về cấu hình e nguyên tử. Để học nhiều hơn các kiến thức Hóa học 10 cũng như Hóa học THPT thì các em hãy truy cập wsc.edu.vn hoặc đăng ký khoá học với các thầy cô VUIHOC ngay bây giờ nhé!