Chương 5 : NGUYÊN TỬ NHIỀU ELECTRON
5.4.CẤU TẠO ELECTRON CỦA NGUYÊN TỬ Sự phân bố các electron vào các phân lớp (nl) gọi là cấu hình electron, người ta biểu diễn mỗi AO (không gian) bằng một ô vuông, khi các AO có năng lượng khác nhau thì các ô vuông - còn gọi là ô lượng tử - được vẽ rời ra, còn khi các AO đồng năng - có năng lượng như nhau - thì các ô vuông được vẽ dính liền nhau. Để biểu diễn một electron người ta vẽ một mũi tên đi lên (↑) hoặc đi xuống (↓) vào trong AO. Và theo quy tắc (Hund 2) electron vào trước thì có spin = + ½ nghĩa là có mũi tên đi lên trước. Cấu hình electron là sự phân bố các electron vào các AO sẽ tuân theo một số nguyên lý và quy tắc sau : 5.4.1.Nguyên lý vững bền : Trong một nguyên tử nhiều electron , các electron sẽ điền vào các AO theo thứ tự năng lượng từ thấp đến cao. (Thứ tự năng lượng tuân theo quy tắc Klechkowski). Ví dụ : điện tử vào 4s trước, khi 4s đã đầy điện tử thì mới vào 3d). 5.4.2.Hệ quả của nguyên lý không phân biệt các hạt cùng loại - Nguyên lý ngoại trừ Pauli Trong một nguyên tử nhiều electron, không thể có hai electron có cùng chung 4 số lượng tử. Nghĩa là nếu có 2 electron đã giống y như nhau 3 số lượng tử thì buộc số lượng tử thứ 4 phải khác nhau. Điều này dẫn đến một AO chỉ chứa tối đa 2 electron với spin ngược chiều Cũng nhờ nguyên lý này, chúng ta có thể tính số electron tối đa trong một lớp : - Ta biết ứng với một lớp thứ n có n phân lớp l, l có giá trị từ 0, 1, …(n – 1) - Một phân lớp l có (2l + 1) AO (ô lượng tử) - Vậy ứng với một lớp thứ n thì số AO trong lớp n sẽ là : n
∑ (2l + 1) = 1 + 3 + 5 + ... + (2n − 1) . l =0
Đây là cấp số cộng với công sai là 2, có n số hạng, số hạng đầu u1 = 1, số hạng cuối un = 2n-1. Nên tổng số AO trong một lớp n là : S =
n(u1 + u n ) n(1 + 2n − 1) = = n2 . 2 2
- Mà một AO chứa tối đa 2 electron. Vậy số electron tối đa trong một lớp n là : 2n2 5.4.3.Quy tắc Hund : Khi electron phân bố vào các AO đồng năng thì electron sẽ điền như thế nào để tổng spin cực đại. Ví dụ : ..........2p2 : 5.4.4.Trạng thái bền của cấu hình bão hoà Người ta nhận thấy rằng các khí hiếm (trừ He) đều có cấu hình electron ở lớp ngoài cùng là : ns2 np6 . Vì vậy người ta gọi những nguyên tử có cấu hình 8 electron ở lớp ngoài thì rất bền - nó tuân theo quy tắc bát tử : có 8 electron ở lớp ngoài cùng, đây là cấu hình bền nhất mà các nguyên tử muốn đạt được. Dựa trên sự nhận xét về cấu hình của các nguyên tử và các ion người ta nhận thấy các cấu hình electron bền : + Lớp ngoài cùng có 8electron : ns2 np6 : bền nhất + Lớp ngoài cùng có 18electron : ns2 np6 nd10 (hay (n-1)d10 ) + Phân lớp bão hoà : phân lớp chứa đầy electron : p6, d10 ,.... + Phân lớp bán bão hoà : phân lớp chứa 1/2 số electron tối đa: p3, d5,... 5.4.5.Cấu hình electron : Sự phân bố electron vào các AO tuân theo các nguyên lý và quy tắc ở trên, cần chú ý là khi viết theo thứ tự năng lượng không hẳn là đã đúng với cấu hình electron, cấu hình electron phải sắp xếp theo thứ tự lớp từ trong ra ngoài và khi nguyên tử mất electron nó sẽ mất electron ở lớp ngoài trước chứ không phải mất electron ở mức năng lượng cao nhất. Trong một số trường hợp, để được trạng thái cấu hình electron bền, có thể phá vỡ một số nguyên lý, qui tắc trên. 33