Giải Hóa 10 Bài 4 ( Chân trời sáng tạo ): Cấu trúc lớp vỏ electron của nguyên tử

Giải bài tập Hóa lớp 10 Bài 4: Cấu trúc lớp vỏ electron của nguyên tử

Video giải Hóa lớp 10 Bài 4: Cấu trúc lớp vỏ electron của nguyên tử

Mở đầu trang 26 Hóa học 10: Trong nguyên tử, các electron chuyển động như thế nào và chiếm những mức năng lượng nào? Trình tự sắp xếp các mức năng lượng này ra sao? Việc phân bố các electron trong nguyên tử tuân theo những nguyên lí và quy tắc nào?

Lời giải:

- Sự chuyển động của electron trong nguyên tử:

+ Theo mô hình nguyên tử của Rutherford – Bohr, các electron chuyển động trên những quỹ đạo hình tròn hay bầu dục xác định xung quanh hạt nhân.

+ Theo mô hình hiện đại, trong nguyên tử, các electron chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân không theo một quỹ đạo xác định, tạo thành đám mây electron.

- Trong nguyên tử các electron được sắp xếp thành từng lớp và phân lớp theo mức năng lượng từ thấp đến cao.

- Trình tự sắp xếp các mức năng lượng:

+ Các electron trên cùng một phân lớp có năng lượng bằng nhau.

+ Các electron trên cùng một lớp có năng lượng gần bằng nhau.

1. Sự chuyển động của electron trong nguyên tử

Câu hỏi 1 trang 26 Hóa học 10: Quan sát Hình 4.1 và 4.2, so sánh điểm giống và khác nhau giữa mô hình Rutherford - Bohr với mô hình hiện đại mô tả sự chuyển động của electron trong nguyên tử.

Lời giải:

Vận dụng trang 27 Hóa học 10: Hệ Mặt Trời gồm Mặt Trời ở trung tâm và các thiên thể quay quanh theo những quỹ đạo xác định. Hãy cho biết mô hình nguyên tử của nhà khoa học nào được gọi là mô hình hành tinh nguyên tử, tương tự như hệ Mặt Trời?
Lời giải:

- Các thiên thể quay quanh Mặt Trời theo quỹ đạo xác định.

- Theo Rutherford – Bohr: các electron chuyển động trên những quỹ đạo hình tròn hay bầu dục xác định xung quanh hạt nhân.

⇒ Mô hình nguyên tử của Rutherford – Bohr được gọi là mô hình hành tinh nguyên tử, tương tự như hệ Mặt Trời.

Câu hỏi 2 trang 27 Hóa học 10: Quan sát Hình 4.3, phân biệt khái niệm đám mây electron và khái niệm orbital nguyên tử.

Lời giải:

- Đám mây nguyên tử được tạo thành khi các electron chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân với xác suất tìm thấy không giống nhau.

- Orbital nguyên tử là khu vực không gian xung quanh hạt nhân mà tại đó xác suất có mặt electron khoảng 90%.

Câu hỏi 3 trang 27 Hóa học 10: Cho biết khái niệm orbital nguyên tử xuất phát từ mô hình nguyên tử của Rutherford - Bohr hay mô hình nguyên tử hiện đại.

Lời giải:

Khái niệm orbital nguyên tử xuất phát từ mô hình nguyên tử hiện đại.

Câu hỏi 4 trang 27 Hóa học 10: Quan sát Hình 4.4, hãy cho biết điểm giống và khác nhau giữa các orbital p (p_x, p_y, p_z).

Lời giải:

- Điểm giống nhau giữa các orbital p (p_x; p_y; p_z): đều có dạng hình số tám nổi.

- Điểm khác nhau: Sự định hướng trong không gian, cụ thể:

+ Orbital p_x có dạng hình số tám nổi, định hướng theo trục x.

+ Orbital p_y có dạng hình số tám nổi, định hướng theo trục y.

+ Orbital p_z có dạng hình số tám nổi, định hướng theo trục z.

2. Lớp và phân lớp electron

Câu hỏi 5 trang 28 Hóa học 10: Quan sát hình 4.5, nhận xét cách gọi tên các lớp electron bằng các chữ cái tương ứng với các lớp từ 1 đến 7

Lời giải:

Trong nguyên tử, các electron được sắp xếp thành từng lớp kí hiệu K, L, M, N, O, P, Q từ gần đến xa hạt nhân theo thứ tự từ lớp n = 1 đến n = 7.

Câu hỏi 6 trang 28 Hóa học 10: Từ hình 4.5, cho biết lực hút của hạt nhân với electron ở lớp nào là lớn nhất và lớp nào là nhỏ nhất.

Lời giải:

Từ hình 4.5 ta thấy: Lực hút của hạt nhân với lớp K là lớn nhất, lớp Q là nhỏ nhất.

Câu hỏi 7 trang 28 Hóa học 10: Quan sát Hình 4.6, nhận xét về số lượng phân lớp trong các lớp từ 1 đến 4.

Lời giải:

Với 4 lớp đầu (1, 2, 3, 4) số phân lớp trong mỗi lớp bằng số thứ tự của lớp đó.

3. Cấu hình electron nguyên tử

Câu hỏi 8 trang 29 Hóa học 10: Quan sát Hình 4.7, nhận xét chiều tăng năng lượng của các electron trên các AO ở trạng thái cơ bản (trạng thái có năng lượng thấp nhất)

Lời giải:

Ở trạng thái cơ bản, các electron trong nguyên tử chiếm lần lượt những orbital có mức năng lượng từ thấp đến cao: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p …

Lưu ý: Khi điện tích hạt nhân tăng có sự chèn mức năng lượng mức 4s trở nên thấp hơn 3d, mức 5s thấp hơn 4d, ...

Câu hỏi 9 trang 30 Hóa học 10: Quan sát Hình 4.8, cho biết cách biểu diễn 2 electron trong một orbital dựa trên cơ sở nào?

Lời giải:

Cách biểu diễn 2 electron trong một orbital dựa trên nguyên lí Pauli:

+ Để biểu diễn orbital nguyên tử, người ta sử dụng các ô vuông, gọi là ô lượng tử, mỗi ô lượng tử ứng với một AO, mỗi AO chứa tối đa 2 electron và có chiều tự quay ngược nhau.

+ Nếu trong AO chỉ chứa một electron thì electron đó gọi là electron độc thân (kí hiệu bởi một mũi tên hướng lên ↑). Ngược lại, nếu AO chứa đủ hai electron thì các electron đó gọi là electron ghép đôi (kí hiệu bởi hai mũi tên ngược chiều nhau ↑↓).

Câu hỏi 10 trang 30 Hóa học 10: Quan sát Hình 4.9, hãy cho biết nguyên tử oxygen có bao nhiêu electron ghép đôi vào bao nhiêu electron độc thân?

Lời giải:

Nguyên tử oxygen có 6 electron ghép đôi và 2 electron độc thân.

Câu hỏi 11 trang 31 Hóa học 10: Từ Bảng 4.1, hãy chỉ ra mối quan hệ giữa số thứ tự lớp và số electron tối đa trong mỗi lớp.

Lời giải:

Từ bảng 4.1 ta có mối quan hệ: lớp n có tối đa 2n² electron (với n ≤ 4).

Luyện tập trang 31 Hóa học 10: Nguyên tử nitrogen có 2 lớp electron trong đó có 2 phân lớp s và 1 phân lớp p. Các phân lớp s đều chứa số electron tối đa, còn phân lớp p chỉ chứa một nửa số electron tối đa. Nguyên tử nitrogen có bao nhiêu electron.

Lời giải:

Số electron tối đa trong phân lớp p là 6.

Trong nguyên tử nitrogen, phân lớp 2p chỉ chứa một nửa số electron tối đa ⇒ phân lớp 2 p chứa 3 electron.

Nitrogen có 2 phân lớp s đều chứa electron tối đa ⇒ tổng số các electron trên các phân lớp s là 2 × 2 = 4.

Nguyên tử nitrogen có 3 + 4 = 7 electron.

Câu hỏi 12 trang 31 Hóa học 10: Quan sát Hình 4.10, hãy nhận xét số lượng electron độc thân ở mỗi trường hợp

Lời giải:

Trường hợp a) không có electron độc thân ⇒ Phân lớp bão hòa chứa đủ số electron tối đa.

Trường hợp b) có 3 electron độc thân ⇒ Phân lớp nửa bão hòa chứa một nửa số electron tối đa.

Trường hợp hợp c) có 2 electron độc thân ⇒ Phân lớp chưa bão hòa chưa đủ số electron tối đa.

Câu hỏi 13 trang 31 Hóa học 10: Hãy đề nghị cách phân bố electron vào các orbial để số electron độc thân là tối đa.

Lời giải:

Cách phân bố electron vào các orbial để số electron độc thân là tối đa:

Biểu diễn các electron bằng mũi tên đi lên vào lần lượt các orbital trước, sau đó mới quay lại biểu diễn các electron bằng mũi tên đi xuống vào các orbital.

Luyện tập trang 31 Hóa học 10: Trong các trường hợp (a) và (b) dưới đây, trường hợp nào có sự phân bố electron vào các orbital tuân theo và không tuân theo quy tắc Hund

Lời giải:

Quy tắc Hund: Trong cùng một phân lớp chưa bão hòa, các electron sẽ phân bố vào các orbital sao cho số electron độc thân là tối đa. Vậy:

+ Trường hợp (a) tuân theo quy tắc Hund vì số electron độc thân đã tối đa.

+ Trường hợp (b) không tuân theo quy tắc Hund vì số electron độc thân chưa tối đa.

Câu hỏi 14 trang 32 Hóa học 10: Cấu hình electron của một nguyên tử cho biết những thông tin gì?

Lời giải:

Cấu hình electron của một nguyên tử cho biết sự phân bố electron trong vỏ nguyên tử trên các phân lớp thuộc các lớp khác nhau

Luyện tập trang 32 Hóa học 10: Viết cấu hình electron nguyên tử của nguyên tố aluminium (Z = 13) và biểu diễn cấu hình electron của aluminium theo ô orbital. Từ đó, xác định số electron độc thân của nguyên tử này.

Lời giải:

Z = 13 ⇒ nguyên tử aluminium có 13 electron.

Cấu hình electron nguyên tử aluminium là: 1s²2s²2p⁶3s²3p¹ hoặc viết gọn [Ne]3s²3p¹.

Cấu hình electron theo ô orbital:

⇒ Nguyên tử aluminium có 1 electron độc thân.

Câu hỏi 15 trang 33 Hóa học 10: Quan sát Bảng 4.2, hãy cho biết dựa trên cơ sở nào để dự đoán phosphorus là nguyên tố phi kim.

Lời giải:

Dựa vào Bảng 4.2, cấu hình electron của phosphorus (Z = 15): 1s²2s²2p⁶3s²3p³ hay [Ne]3s²3p³.

Cơ sở để dự đoán phosphorus (Z = 15) là nguyên tố phi kim: có 5 electron lớp ngoài cùng.

Vận dụng trang 33 Hóa học 10: Lithium là một nguyên tố có nhiều công dụng, được sử dụng trong chế tạo máy bay và trong một số loại pin nhất định. Pin Lithium - Ion (pin Li- Ion) đang ngày càng phổ biến, nó cung cấp năng lượng cho cuộc sống của hàng triệu người mỗi ngày thông qua các thiết bị như máy tính xách tay, điện thoại di động, xe Hybrid, xe điện, … nhờ trọng lượng nhẹ, cung cấp năng lượng cao và khả năng sạc lại. Dựa vào cấu hình electron nguyên tử (Bảng 4.2), hãy dự đoán lithium là kim loại, phi kim hay khí hiếm?

Lời giải:

Dựa vào Bảng 4.2, cấu hình electron của lithium (Z = 3) là 1s²2s¹ hay [He]2s¹.

Nguyên tử lithium có 1 electron lớp ngoài cùng ⇒ là kim loại.

Bài tập (trang 34)

Bài 1 trang 34 Hóa học 10: Trong các cách biểu diễn electron vào các orbital của phân lớp 2p ở trạng thái cơ bản, hãy chọn cách phân bố đúng:

Lời giải:

Chọn (1) phân bố đúng vì chứa tối đa electron độc thân và các electron độc thân được biểu diễn bằng mũi tên hướng lên trên.

Bài 2 trang 34 Hóa học 10: Cho nguyên tố X có 2 lớp eletron, lớp thứ 2 có 6 electron. Xác định số hiệu nguyên tử của X.

Lời giải:

Số electron của nguyên tử của X là 2 + 6 = 8 electron.

⇒ X có 8 proton, số hiệu nguyên tử của X là 8.

Bài 3 trang 34 Hóa học 10: Ở trạng thái cơ bản, nguyên tử của những nguyên tố nào dưới đây có electron độc thân?

a) Boron

b) Oxygen

c) Phosphorus

d) Chlorine

Lời giải:

Ở trạng thái cơ bản, nguyên tử của tất cả các nguyên tố trên đều chứa electron độc thân. Cụ thể:

Bài 4 trang 34 Hóa học 10: Viết cấu hình electron nguyên tử của các nguyên tố: carbon (Z = 6), sodium (Z = 11) và oxygen (Z = 8). Cho biết số electron lớp ngoài cùng trong nguyên tử các các nguyên tố trên. Chúng là kim loại, phi kim hay khí hiếm?

Lời giải:

Cấu hình electron carbon (Z = 6): 1s²2s²2p² hay [He] 2s²2p²

⇒ Nguyên tử carbon có 4 electron lớp ngoài cùng ⇒ là phi kim.

Cấu hình electron sodium (Z = 11): 1s²2s²2p⁶3s¹ hay [Ne] 3s¹

⇒ Nguyên tử sodium có 1 electron lớp ngoài cùng ⇒ là kim loại.

Cấu hình electron oxygen (Z = 8): 1s²2s²2p⁴ hay [He] 2s²2p⁴

⇒ Nguyên tử oxygen có 6 electron lớp ngoài cùng ⇒ là phi kim.

Lý thuyết Cấu trúc lớp vỏ electron của nguyên tử

I. Sự chuyển động của electron trong nguyên tử

1. Sự chuyển động của electron trong nguyên tử

- Theo mô hình nguyên tử của Rutherford – Bohr (mô hình hành tinh nguyên tử), các electron chuyển động trên những quỹ đạo hình tròn hay bầu dục xác định xung quanh hạt nhân.

- Theo mô hình hiện đại, trong nguyên tử, các electron chuyển động rất nhanh xung quanh hạt nhân không theo một quỹ đạo xác định, tạo thành đám mây electron.

2. Orbital nguyên tử

- Orbital nguyên tử (Atomic Orbital, viết tắt AO) là khu vực không gian xung quanh hạt nhân nguyên tử mà tại đó xác suất tìm thấy electron là lớn nhất (khoảng 90%).

- Một số AO thường gặp: s, p, d, f

- Các AO có hình dạng khác nhau: AO s có dạng hình cầu, AO p có dạng hình số tám nổi, AO d và f có hình dạng phức tạp.

II. Lớp và phân lớp electron

Trong nguyên tử, các electron được sắp xếp thành từng lớp và phân lớp theo năng lượng từ thấp đến cao.

1. Lớp electron

- Trong nguyên tử, các electron được sắp xếp thành từng lớp (kí hiệu K, L, M, N, O, P, Q) từ gần đến xa hạt nhân, theo thứ tự từ lớp n = 1 đến n = 7.

- Các electron trên cùng một lớp có năng lượng gần bằng nhau.

2. Phân lớp electron

- Mỗi lớp electron phân chia thành các phân lớp, được kí hiệu bằng các chữ cái viết thường: s, p, d, f. Các electron thuộc các phân lớp s, p, d và f được gọi tương ứng là các electron s, p, d và f.

- Các phân lớp s, p, d và f lần lượt có các số AO tương ứng 1, 3, 5 và 7.

- Các electron trên cùng một phân lớp có năng lượng bằng nhau.

- Với 4 lớp đầu (1, 2, 3, 4) số phân lớp trong mỗi lớp bằng số thứ tự của lớp đó.

Ví dụ: Lớp thứ 3 có 3 phân lớp. Lớp thứ 4 có 4 phân lớp.

III. Cấu hình electron nguyên tử

1. Nguyên lí vững bền

- Trong nguyên tử, các electron trên mỗi AO có một mức năng lượng xác định. Người ta gọi mức năng lượng này là mức năng lượng AO nguyên tử.

- Nguyên lí vững bền: Ở trạng thái cơ bản, các electron trong nguyên tử chiếm lần lượt những orbital có mức năng lượng từ thấp đến cao: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p …

- Các electron trên các AO khác nhau của cùng một phân lớp có năng lượng như nhau.

Ví dụ: Phân lớp 3p có 3 AO 3p_x, 3p_y, 3p_z; các electron của các AO p trong phân lớp này tuy có sự định hướng trong không gian khác nhau nhưng chúng có cùng mức năng lượng AO.

2. Nguyên lí Pauli

- Để biểu diễn orbital nguyên tử, người ta sử dụng các ô vuông, gọi là ô lượng tử. Mỗi ô lượng tử ứng với một AO. Mỗi AO chứa tối đa 2 electron.

+ Nếu trong AO chỉ chứa 1 electron thì electron đó gọi là electron độc thân (kí hiệu bởi 1 mũi tên hướng lên ↑).

+ Nếu AO chứa đủ 2 electron thì các electron đó gọi là electron ghép đôi (kí hiệu bởi hai mũi tên ngược chiều nhau ↑↓).

- Nguyên lí Pauli: Mỗi orbital chỉ chứa tối đa 2 electron và có chiều tự quay ngược nhau.

- Dựa vào nguyên lí Pauli, ta dễ dàng xác định được số AO và số electron tối đa trong mỗi lớp và phân lớp:

+ Số AO tối đa trong lớp n là n² (n ≤ 4).

+ Số electron tối đa trong lớp n là 2n² (n ≤ 4).

Ví dụ: Số AO tối đa trong lớp thứ 2 là 2² = 4

Số electron tối đa trong lớp thứ 2 là 2.2² = 8 electron.

3. Quy tắc Hund

- Các phân lớp: s²; p⁶; d¹⁰; f¹⁴ chứa đủ số electron tối đa gọi là phân lớp bão hòa.

- Các phân lớp: s¹; p³; d⁵; f⁷ chứa một nửa số electron tối đa gọi là phân lớp nửa bão hòa.

- Các phân lớp chưa đủ số electron tối đa gọi là phân lớp chưa bão hòa.

- Quy tắc Hund: Trong cùng một phân lớp chưa bão hòa, các electron sẽ phân bố vào các orbital sao cho số electron độc thân là tối đa.

4. Cách viết cấu hình electron nguyên tử

- Cấu hình electron nguyên tử biểu diễn sự phân bố electron trong vỏ nguyên tử trên các phân lớp thuộc các lớp khác nhau.

- Cấu hình electron nguyên tử phải được viết theo thứ tự các lớp electron và phân lớp trong mỗi lớp. Trong đó:

+ Số thứ tự lớp electron được viết bằng các số tự nhiên (n = 1, 2, 3, …)

+ Phân lớp được kí hiệu bằng các chữ cái thường s, p, d, f.

+ Số electron của từng phân lớp được ghi bằng chỉ số ở phía trên, bên phải kí hiệu của phân lớp.

- Quy ước cách biểu diễn sự phân bố electron trên các phân lớp thuộc các lớp như sau:

- Cách viết cấu hình electron:

+ Bước 1: Xác định số electron của nguyên tử.

+ Bước 2: Các electron được phân bố theo thứ tự các AO có mức năng lượng tăng dần, theo các nguyên lí và quy tắc phân bố electron trong nguyên tử.

+ Bước 3: Viết cấu hình electron theo thứ tự các phân lớp trong một lớp và theo thứ tự của các lớp electron.

Ví dụ:

K (Z = 19): Thứ tự mức năng lượng orbital: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹.

Cấu hình electron: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹ hoặc viết gọn là: [Ar]4s¹.

[Ar] là kí hiệu cấu hình electron nguyên tử của nguyên tố argon, là khí hiếm gần nhất đứng trước K.

Cấu hình electron theo orbital:

5. Đặc điểm electron lớp ngoài cùng của nguyên tử

- Dựa vào số lượng electron lớp ngoài cùng của nguyên tử nguyên tố, có thể dự đoán một nguyên tố là kim loại, phi kim hay khí hiếm.

+ Các nguyên tử có 1, 2, 3 electron ở lớp ngoài cùng là các nguyên tử của nguyên tố kim loại (trừ H, He, B).

+ Các nguyên tử có 5, 6, 7 electron ở lớp ngoài cùng thường là nguyên tử của các nguyên tố phi kim.

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

+ Các nguyên tử có 8 electron ở lớp ngoài cùng là nguyên tử của nguyên tố khí hiếm (trừ He có 2 electron ở lớp ngoài cùng).

Xem thêm lời giải bài tập Hóa học lớp 10 Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Bài 5: Cấu tạo bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Bài 6: Xu hướng biến đổi một số tính chất của nguyên tử các nguyên tố, thành phần và một số tính chất của hợp chất trong một chu kì và nhóm

Bài 7: Định luật tuần hoàn – Ý nghĩa của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Bài 8: Quy tắc octet

Bài 9: Liên kết ion

Xem thêm tài liệu Hóa học lớp 10 Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Lý thuyết Bài 4: Cấu trúc lớp vỏ electron của nguyên tử