Mục lục bài họcĐang ở d01-b2
Electronic configuration, orbitals and ionisation energies
Orbitals and subshells
An orbital holds a maximum of two electrons with opposite spins. An $s$ subshell has $1$ orbital, $p$ has $3$, $d$ has $5$, $f$ has $7$. The $n$th shell therefore contains $n^2$ orbitals and at most $2n^2$ electrons. An $s$ orbital is spherical; a $p$ orbital is dumb-bell shaped and lies along one of three mutually perpendicular axes.
Filling rules
Electrons fill from the lowest energy level upwards (aufbau), singly into degenerate orbitals before pairing (Hund), and never two with the same spin in one orbital (Pauli). The $4s$ subshell lies below $3d$ when empty, so it fills first — but once occupied it is the outermost subshell, so it is also emptied first on ionisation. Chromium is $[\ce{Ar}]3d^5 4s^1$ and copper is $[\ce{Ar}]3d^{10}4s^1$.
Ionisation energy
The first ionisation energy is the energy needed to remove one electron from each atom in one mole of gaseous atoms:
$$\ce{X(g) -> X+(g) + e^-}$$It depends on nuclear charge, distance of the electron from the nucleus, and shielding by inner shells. Across a period it rises; down a group it falls. Two dips appear in Period 3: at aluminium (the electron leaves a higher-energy $3p$ orbital) and at sulfur (the electron leaves a paired $3p$ orbital and is repelled by its partner).
Obitan và phân lớp. Mỗi obitan chứa tối đa hai electron ngược chiều tự quay. Phân lớp $s$ có $1$ obitan, $p$ có $3$, $d$ có $5$, $f$ có $7$; vậy lớp thứ $n$ có $n^2$ obitan và chứa tối đa $2n^2$ electron. Obitan $s$ hình cầu; obitan $p$ hình quả tạ nằm dọc theo một trong ba trục vuông góc.
Ba quy tắc xếp electron. Điền từ mức năng lượng thấp lên (aufbau); vào các obitan cùng mức thì điền lẻ trước rồi mới ghép đôi (Hund); không hai electron nào trong cùng obitan có cùng chiều tự quay (Pauli). Phân lớp $4s$ nằm thấp hơn $3d$ khi còn trống nên điền trước — nhưng khi đã có electron thì $4s$ là phân lớp ngoài cùng, nên nó cũng bị tách ra trước. Hai bất thường phải thuộc: crom là $[\ce{Ar}]3d^5 4s^1$ và đồng là $[\ce{Ar}]3d^{10}4s^1$.
Năng lượng ion hoá. Năng lượng ion hoá thứ nhất là năng lượng cần để tách một electron khỏi mỗi nguyên tử trong một mol nguyên tử ở trạng thái khí:
$$\ce{X(g) -> X+(g) + e^-}$$Ba chữ "$(g)$" ấy là một điểm trọn vẹn trong đề Paper 2 và bị bỏ quên thường xuyên. Giá trị của nó phụ thuộc điện tích hạt nhân, khoảng cách từ electron tới hạt nhân, và hiệu ứng chắn của các lớp trong. Đi ngang chu kì thì tăng, đi xuống nhóm thì giảm. Chu kì 3 có hai chỗ tụt: ở nhôm (electron bị tách nằm ở obitan $3p$ có năng lượng cao hơn $3s$) và ở lưu huỳnh (electron bị tách nằm trong obitan $3p$ đã ghép đôi, bị chính bạn cùng cặp đẩy ra).
Sáu năng lượng ion hoá đầu tiên của nguyên tố Q, tính bằng kJ mol$^{-1}$:
| Lần thứ | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| IE | 1000 | 2250 | 3360 | 4560 | 7010 | 8500 |
Nguyên tố Q nằm ở nhóm nào, và nêu rõ căn cứ.
Bước 1 — tính tỉ số giữa hai lần liên tiếp thay vì nhìn hiệu số. Hiệu số luôn dương và luôn tăng, nên nó không phân biệt được "tăng đều" với "nhảy bậc". Tỉ số thì có:
$$\frac{2250}{1000}=2{,}25;\quad \frac{3360}{2250}=1{,}49;\quad \frac{4560}{3360}=1{,}36;\quad \frac{7010}{4560}=1{,}54;\quad \frac{8500}{7010}=1{,}21$$Bước 2 — tìm chỗ tỉ số vọt lên. Dãy tỉ số là $2{,}25$ — $1{,}49$ — $1{,}36$ — $1{,}54$ — $1{,}21$. Con số $1{,}54$ ở bước thứ tư sang thứ năm nhô lên so với hai bên, tức có một bước nhảy sau khi tách bốn electron. Tỉ số $2{,}25$ ở đầu dãy thì không phải bước nhảy lớp: tỉ số IE2/IE1 luôn lớn vì tách electron khỏi một ion dương đã khó hơn hẳn tách khỏi nguyên tử trung hoà.
Bước 3 — kết luận. Bốn electron tách ra dễ hơn hẳn electron thứ năm, nên lớp ngoài cùng có bốn electron. Q thuộc Nhóm 14.
Vì sao không đọc IE lần 1 để đoán. Giá trị $1000$ kJ mol$^{-1}$ tự nó chẳng nói gì — cả silic, lưu huỳnh và photpho đều rơi vào khoảng đó. Chỉ có vị trí bước nhảy mới xác định được nhóm, và đó là lý do đề luôn cho ít nhất một giá trị vượt qua bước nhảy.
Viết cấu hình electron đầy đủ của $\ce{Cu}$, $\ce{Cu+}$ và $\ce{Cu^{2+}}$, rồi cho biết ion nào có electron độc thân.
Bước 1 — nguyên tử đồng là một bất thường. Theo aufbau máy móc ta chờ đợi $[\ce{Ar}]3d^9 4s^2$, nhưng cấu hình thật là
$$\ce{Cu}:\ 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{10} 4s^1$$Phân lớp $3d$ đầy trọn vẹn ổn định hơn, đủ để "mượn" một electron từ $4s$.
Bước 2 — tách electron thì lấy từ $4s$ trước. Đây là chỗ ngược với thứ tự điền, và là chỗ mất điểm nhiều nhất của cả chương. Khi $3d$ đã có electron, nó tụt xuống dưới $4s$ về năng lượng, nên $4s$ trở thành phân lớp ngoài cùng.
$$\ce{Cu+}:\ 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{10}$$Bước 3 — ion $2+$. Đồng chỉ còn một electron $4s$, nên electron thứ hai buộc phải lấy từ $3d$:
$$\ce{Cu^{2+}}:\ 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{9}$$Bước 4 — electron độc thân. $\ce{Cu+}$ có $3d^{10}$ đầy nên không có electron độc thân, và đó là lý do muối đồng(I) không màu. $\ce{Cu^{2+}}$ có $3d^9$, tức một obitan $d$ chỉ chứa một electron — một electron độc thân — và đó là lý do dung dịch đồng(II) có màu xanh lam.
Kiểm nhanh bằng phép đếm: đồng có $29$ electron. Cấu hình $\ce{Cu^{2+}}$ viết ra phải cộng lại đúng $27$: $2+2+6+2+6+9=27$. Phép cộng mười giây này bắt được mọi lỗi viết thiếu hoặc thừa một phân lớp.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Atomic Structure gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.