Chương 5 : NGUYÊN TỬ NHIỀU ELECTRON
Ví dụ như viết cấu hình electron của Cu (Z = 29). Trước tiên ta viết theo đúng quy tắc Klechkowski (theo mức năng lượng tăng dần : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d9 ECấu hình electron phải là : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d9 4s2. Nhưng mức năng lượng của 3d xấp xỉ 4s và để cho năng lượng của cả nguyên tử được cực tiểu (bền nhất) thì lúc ấy 1 electron từ 4s sẽ nhảy sang 3d để được cấu hình đúng của Cu (ở trạng thái cơ bản) là : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1. Lúc này ta thấy ở 3d của Cu đạt được phân lớp bão hòa sẽ bền hơn cấu hình cũ. Khi Cu mất 1 electron, nó sẽ mất electron ở phân lớp 4s và có cấu hình Cu+ : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 Tương tự, để đạt cấu hình bán bão hoà ở 3d thì cấu hình electron của Cr (Z = 24) ở trạng thái cơ bản sẽ là : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s1. Chú ý là trong một nguyên tử, để đạt cấu hình bền electron có thể chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác khi các mức năng lượng đó xấp xỉ nhau, thông thường là (n - 1)d ns hoặc (n - 2)f (n-1)d và chỉ chuyển được 1 electron Cấu hình electron và tính chất hóa học của nguyên tử có mối liên hệ rất là khắng khít : Khi nguyên tử này phản ứng (hoặc không phản ứng) với nguyên tử khác thì buộc các nguyên tử phải tiến gần lại với nhau, nhưng gần ở mức độ nào ? Các nguyên tử không thể xâm nhập sâu vào nhau được vì như vậy các electron (mang điện tích âm) của các nguyên tử sẽ đẩy nhau theo lực tĩnh điện, như vậy chúng chỉ đủ gần để lớp ngoài, cùng lắm là lớp sát bên ngoài tiếp xúc nhau, lúc ấy sẽ có hai trường hợp xảy ra : hoặc là có sự phân bố lại các electron, nhất là lớp electron ngoài cùng sao cho năng lượng toàn phần của chúng giảm - lúc ấy ta nói chúng phản ứng với nhau, hoặc là các electron của các nguyên tử không thể phân bố lại để giảm thiểu năng lượng toàn phần - chúng không phản ứng, chúng sẽ đẩy nhau. Như vậy ta thấy tính chất của nguyên tử phụ thuộc hoàn toàn vào cấu hình electron, nhất là lớp electron ngoài cùng, vì vậy chỉ cần biết số điện tích hạt nhân Z của nguyên tử nào đó, qua đó viết cấu hình electron, rồi dựa vào cấu hình electron ta có thể dự đoán tính chất hóa học của nguyên tử đó mà không hề có nguyên tử đó "trong tay". Vậy tính chất hóa học của một nguyên tử phụ thuộc vào 2 yếu tố : - Cấu hình electron, nhất là lớp electron ngoài cùng - Năng lượng liên kết của electron ngoài cùng với nhân, nếu năng lượng liên kết này càng lớn thì electron ngoài cùng càng bị nhân giữ chặt, nguyên tử sẽ khó mất electron và ngược lại. Yếu tố này lại phụ thuộc vào lực hút của hạt nhân và số lớp n. Ví dụ : Một nguyên tố M có Z = 11. Hãy cho biết bộ số lượng tử của electron có mức năng lượng cao nhất và tính chất hóa học chính của M ? M (Z = 11) có cấu hình electron : 1s2 2s2 2p6 3s1 . Electron có năng lượng cao nhất rơi vào 3s1 nên electron này có các số lượng tử : n = 3, l = 0, m = 0, ms = +1/2 Vì M có 1 electron ở lớp ngoài cùng nên M dễ dàng mất 1 electron này để có cấu hình lớp ngoài (n = 2) được 8 electron, vì vậy M có tính chất của một kim loại điển hình, tức có tính khử mạnh và có hóa trị 1 5.5.PHƯƠNG PHÁP SLATER XÁC ĐỊNH AO và NĂNG LƯỢNG ELECTRON Từ thực nghiệm, Slater đã tìm ra những hệ thức gần đúng để xác định hàm bán kính ℜ n,l (r ) = c.r
n*−1
−
.e
Z *.r n*.a0
và E = −
(Z ')2 .e 2
(n ) .2a * 2
0
(Z : điện tích hạt nhân, S : tổng hiệu ứng
n* : số lượng tử hiệu chỉnh ; Z' = Z - S chắn), Z’ : điện tích hiệu dụng c : hằng số
;
a0 =
h2 4π 2 .m.e 2
Nếu tính năng lượng theo eV thì :
0
≈ 0,53 A (bán kính nguyên tử H theo Bohr)
E = -13,6 .
34
(Z ')2 (n *)2
(eV)