Mục lục bài họcĐang ở d01-b2
← IB Chemistry
0/18 bài đã học xong
Chương 1 · Structure 1 — Models of the Particulate Nature of Matter · Bài 2/3 của chương · bài 2/18 của IB Chemistry

Electron Configurations and Ionization Energy

Cấu hình electron và năng lượng ion hoá
← Mục lục bài học
Lý thuyết · English

Evidence: emission spectra

When excited electrons fall back to lower levels they emit photons of fixed energy, $E=hf$. The spectrum is therefore a set of discrete lines, not a continuum — direct evidence that electron energy is quantised. Within a series the lines converge at higher energy; the convergence limit corresponds to $n=\infty$, i.e. removal of the electron, so it gives the ionization energy directly.

Filling the orbitals

Order of filling: $\text{1s }\text{2s }\text{2p }\text{3s }\text{3p }\text{4s }\text{3d }\text{4p}$. Hund's rule: fill degenerate orbitals singly with parallel spins before pairing. Chromium and copper are the two exceptions in period 4: $\ce{Cr}=[\ce{Ar}]\,\text{3d}^5\text{4s}^1$ and $\ce{Cu}=[\ce{Ar}]\,\text{3d}^{10}\text{4s}^1$.

The rule that catches everyone: for a transition-metal cation, electrons are removed from 4s first, because once 3d is occupied the 3d orbitals drop below 4s in energy. So $\ce{Fe^{2+}}=[\ce{Ar}]\,\text{3d}^6$, not $[\ce{Ar}]\,\text{3d}^4\text{4s}^2$.

(HL) Successive ionization energies

Each successive energy is larger, because the electron is pulled from an increasingly positive ion. A large jump appears when the next electron must come from a shell closer to the nucleus — so the number of electrons removed before the jump equals the number of valence electrons, which identifies the group.

Across a period the first ionization energy generally rises, with two dips: $\ce{Al}<\ce{Mg}$ (the 3p electron is higher in energy and shielded by 3s) and $\ce{S}<\ce{P}$ (a paired 3p electron suffers extra repulsion).

Giải thích tiếng Việt

Bằng chứng: emission spectra (phổ phát xạ). Electron bị kích thích rơi về mức thấp thì phát ra photon năng lượng xác định, $E=hf$. Nên phổ là tập hợp các vạch rời rạc chứ không phải dải liên tục — đó là bằng chứng trực tiếp cho việc năng lượng electron bị lượng tử hoá. Trong một dãy, các vạch hội tụ về phía năng lượng cao; giới hạn hội tụ ứng với $n=\infty$, tức electron bị tách hẳn, nên nó cho ngay năng lượng ion hoá.

Thứ tự điền obitan: $\text{1s }\text{2s }\text{2p }\text{3s }\text{3p }\text{4s }\text{3d }\text{4p}$. Quy tắc Hund: điền mỗi obitan cùng mức một electron với spin song song trước đã, rồi mới ghép đôi. Hai ngoại lệ của chu kỳ 4 là $\ce{Cr}=[\ce{Ar}]\,\text{3d}^5\text{4s}^1$ và $\ce{Cu}=[\ce{Ar}]\,\text{3d}^{10}\text{4s}^1$.

Quy tắc bẫy gần như mọi học viên: khi tạo cation kim loại chuyển tiếp, electron bị lấy khỏi 4s trước, vì khi 3d đã có electron thì 3d tụt xuống thấp hơn 4s. Do đó $\ce{Fe^{2+}}=[\ce{Ar}]\,\text{3d}^6$, chứ không phải $[\ce{Ar}]\,\text{3d}^4\text{4s}^2$.

(HL) Successive ionization energies (năng lượng ion hoá liên tiếp). Mỗi giá trị sau đều lớn hơn giá trị trước, vì electron bị kéo ra khỏi một ion ngày càng dương. Bước nhảy lớn xuất hiện khi electron tiếp theo phải lấy từ lớp gần hạt nhân hơn — nên số electron tách được trước bước nhảy chính là số electron hoá trị, và nó chỉ ra nhóm.

Trong một chu kỳ, năng lượng ion hoá thứ nhất nhìn chung tăng, với hai chỗ tụt: $\ce{Al}<\ce{Mg}$ (electron 3p ở mức cao hơn và bị 3s chắn) và $\ce{S}<\ce{P}$ (electron 3p đã ghép đôi nên chịu thêm lực đẩy).

lần ion hoá thứ nlg (IE /kJ mol⁻¹)12345675781817274511577148421837923326Bảy năng lượng ion hoá liên tiếp của một nguyên tố Xbước nhảy
Bước nhảy nằm ở đâu thì nhóm nằm ở đó. Ba giá trị đầu (chấm xanh) tăng đều; giá trị thứ tư vọt từ $2745$ lên $11577\ \text{kJ mol}^{-1}$, gấp hơn bốn lần. Nghĩa là ba electron đầu ở lớp ngoài cùng, electron thứ tư đã phải lấy từ lớp trong. Ba electron hoá trị $\Rightarrow$ nhóm 13. Phải nhìn vị trí bước nhảy chứ không nhìn độ lớn tuyệt đối của con số nào.
Ví dụ — cấu hình của ion kim loại chuyển tiếp

Viết cấu hình electron đầy đủ của $\ce{Fe}$, $\ce{Fe^{2+}}$ và $\ce{Fe^{3+}}$. Giải thích vì sao $\ce{Fe^{3+}}$ bền hơn nhiều so với dự đoán thô.

Giải.

$\ce{Fe}$ ($Z=26$): $\text{1s}^2\text{2s}^2\text{2p}^6\text{3s}^2\text{3p}^6\text{3d}^6\text{4s}^2$ — điền theo thứ tự năng lượng, 4s trước 3d.

$\ce{Fe^{2+}}$: lấy hai electron khỏi 4s, không phải khỏi 3d, vì khi 3d đã có electron thì 3d nằm thấp hơn 4s. Kết quả $\text{1s}^2\text{2s}^2\text{2p}^6\text{3s}^2\text{3p}^6\text{3d}^6$.

$\ce{Fe^{3+}}$: lấy tiếp một electron, lần này buộc phải lấy từ 3d: $\text{1s}^2\text{2s}^2\text{2p}^6\text{3s}^2\text{3p}^6\text{3d}^5$.

Vì sao $\ce{Fe^{3+}}$ bền: $\text{3d}^5$ là phân lớp bán bão hoà — năm obitan d mỗi obitan một electron, spin song song. Cấu hình này có năng lượng trao đổi lớn nên đặc biệt bền, và đó là lý do sắt cho ra cả $\ce{Fe^{2+}}$ lẫn $\ce{Fe^{3+}}$ trong khi nhiều kim loại lân cận không dễ lên $+3$.

Ví dụ — suy nhóm từ năng lượng ion hoá liên tiếp

Một nguyên tố Y có bốn năng lượng ion hoá đầu $(\text{kJ mol}^{-1})$: $738$, $1451$, $7733$, $10543$. Suy ra nhóm của Y và viết công thức oxit của nó.

Giải.

Tìm bước nhảy. Từ lần 1 sang lần 2: $1451/738\approx2{,}0$ — tăng bình thường. Từ lần 2 sang lần 3: $7733/1451\approx5{,}3$ — đây là bước nhảy. Từ lần 3 sang lần 4: $10543/7733\approx1{,}4$ — lại bình thường.

Đọc kết quả. Hai electron tách ra dễ trước bước nhảy $\Rightarrow$ Y có hai electron hoá trị $\Rightarrow$ Y thuộc nhóm 2.

Oxit. Nhóm 2 cho ion $\ce{Y^{2+}}$, oxi cho $\ce{O^{2-}}$, nên công thức là $\ce{YO}$.

Kiểm chéo: các số này đúng là của magie, và $\ce{MgO}$ là công thức đã biết. Chú ý không được kết luận "nhóm 3" chỉ vì bước nhảy nằm ở lần thứ ba — phải đếm số electron tách được trước bước nhảy.

Bẫy hay mất điểm — Điền thì 4s trước 3d, nhưng tách thì 4s trước 3d — hai câu này nghe như mâu thuẫn nhưng đều đúng, vì thứ tự năng lượng đảo lại ngay khi 3d bắt đầu có electron. Viết $\ce{Fe^{2+}}=[\ce{Ar}]\,\text{3d}^4\text{4s}^2$ là lỗi mất điểm phổ biến nhất của Structure 1.
Phải nhớ — Vạch phổ rời rạc $\Rightarrow$ năng lượng lượng tử hoá; giới hạn hội tụ $\Rightarrow$ năng lượng ion hoá. Cation kim loại chuyển tiếp mất 4s trước. Bước nhảy trong dãy IE liên tiếp chỉ ra số electron hoá trị.

Đọc xong rồi — làm thử ngay

Bài tập của chương Structure 1 — Models of the Particulate Nature of Matter gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận, ra khó hơn đề thật 30–50%. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.

Làm bài tập chương →