Đang tải bài học…

AP Chemistry

electron

Còn gọi: điện tử

Electron là hạt mang điện tích âm, khối lượng không đáng kể, chuyển động trong đám mây electron bao quanh hạt nhân nguyên tử.

Electron là một trong ba loại hạt hạ nguyên tử (subatomic particle) cấu tạo nên nguyên tử, bên cạnh proton và neutron. Khác với hai hạt kia nằm tập trung trong hạt nhân đặc chắc, electron chuyển động trong vùng không gian rộng lớn bao quanh hạt nhân, tạo thành đám mây electron (electron cloud). Trong một nguyên tử trung hòa về điện, số electron luôn bằng số proton, nhờ đó tổng điện tích của nguyên tử bằng không.

Mỗi electron mang điện tích $-1$ và có khối lượng xấp xỉ $\frac{1}{1836}$ khối lượng proton — nhỏ đến mức có thể bỏ qua khi tính khối lượng nguyên tử. Tuy nhiên, khối lượng nhỏ lại giúp electron di chuyển nhanh và dễ dàng tái sắp xếp quanh hạt nhân. Các electron phân bố theo từng lớp electron (electron shell), từ lớp gần hạt nhân ra lớp xa hơn, tuân theo những quy tắc lượng tử nghiêm ngặt. Trong số đó, lớp ngoài cùng chứa các electron hóa trị (valence electron), quyết định phần lớn tính chất hóa học của nguyên tố.

Do electron có thể trao đổi hoặc chia sẻ giữa các nguyên tử, chúng đóng vai trò trung tâm trong mọi liên kết hóa học và phản ứng hóa học. Khi nguyên tử mất hay nhận electron, nó trở thành ion mang điện tích; khi hai nguyên tử dùng chung electron, liên kết cộng hóa trị hình thành. Vì vậy, hiểu cách electron phân bố và di chuyển là nền tảng để giải thích cấu trúc phân tử, tính axit–bazơ, và cả phản ứng oxi hóa–khử.

Ký hiệu

e^-

Đơn vịĐiện tích: coulomb (C); khối lượng: kilogram (kg) hoặc đơn vị khối lượng nguyên tử (u)

Trực giác: Hãy tưởng tượng electron như những con ong bay vo ve quanh tổ — bạn không biết chính xác từng con ở đâu, nhưng biết chúng tập trung nhiều ở vùng nào quanh tổ.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1881George StoneyJ. J. ThomsonNiels BohrHenry MoseleyEnrico Fermi

Thử nghiệm tương tác

Lấy đi electron ngoài cùng — xem điện tích nhảy mà tên nguyên tố đứng yên

Hay hiểu sai

Số đỉnh trong phổ quang điện tử không phải tổng số electron.

Electron $1s$ là electron khó bứt nhất, không phải dễ bứt nhất.

Lực Coulomb phụ thuộc cả điện tích lẫn khoảng cách, không riêng khoảng cách.

Electron không điền cho đủ lớp 3 rồi mới sang lớp 4.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một phổ quang electron (photoelectron spectroscopy) lý tưởng của một nguyên tử trung hòa ở trạng thái cơ bản cho thấy năm đỉnh. Khi xếp theo năng lượng liên kết giảm dần (tức là từ đỉnh khó bứt nhất đến đỉnh dễ bứt nhất), chiều cao tương đối của các đỉnh lần lượt là 2, 2, 6, 2, 1.

aNguyên tử này có tổng cộng bao nhiêu electron, và đó là nguyên tố nào?
bĐỉnh có chiều cao 1 ứng với electron thuộc phân lớp nào? Giải thích vì sao đỉnh này nằm ở năng lượng liên kết nhỏ nhất.
cViết cấu hình electron dạng lõi khí hiếm của nguyên tử và cho biết phần lõi đó tương ứng với cấu hình của khí hiếm (noble gas) nào.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyCấu trúc & tính chất nguyên tử · bài “Cấu trúc & tính chất nguyên tử” — khoá AP Chemistry

Dẫn tớicấu hình electron trạng thái cơ bản (sắp có)phản ứng oxi hóa–khử

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

protonproton

Khác nhau ở đâuElectron mang điện tích âm và chuyển động ngoài hạt nhân. Proton mang điện tích dương và nằm trong hạt nhân.

Hay nhầm khiKhi đề hỏi về thành phần nguyên tử, so sánh dấu điện tích hoặc vị trí của các hạt cơ bản.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 8, 11, 13.

Tên gọi "electron" do nhà vật lý người Ireland George Stoney đặt ra: năm 1874 ông gọi đơn vị điện cơ bản là "electrine", rồi đến năm 1881 chuyển sang dùng "electron". Khái niệm ra đời để đặt tên cho một lượng điện nhỏ nhất, không chia nhỏ được nữa, trước khi hạt mang lượng điện đó thực sự được tìm thấy.

Suốt các thế kỷ 17–19, điện và từ được khảo sát rộng rãi bởi những tên tuổi như William Gilbert, Alessandro Volta, Hans Christian Ørsted, André-Marie Ampère, Michael Faraday và James Clerk Maxwell, nhưng dòng điện vẫn được hình dung như một chất lỏng liên tục. Stoney là người đầu tiên nêu ý tưởng rằng điện có một đơn vị cơ bản, và ông đặt tên cho đơn vị ấy. Chỉ sau đó, tại phòng thí nghiệm Cavendish của Đại học Cambridge, J. J. Thomson mới phát hiện được hạt tương ứng tồn tại bên ngoài vật chất. Từ chỗ là một đơn vị đo, electron trở thành một hạt có thật.

Vì sao mang đúng cái tên này? Cái tên nghe có vẻ hiện đại này thật ra bắt nguồn từ một mẩu nhựa cây hóa thạch. Trong tiếng Hy Lạp, ἤλεκτρον có nghĩa là hổ phách (amber), và người ta cho rằng nhà triết học Thales xứ Miletus là người đầu tiên ghi nhận hiện tượng nhiễm điện do cọ xát khi ông chà gỗ hoặc lụa lên một mẩu hổ phách. Vì hiệu ứng tĩnh điện gắn liền với chất liệu ấy, gốc từ chỉ hổ phách trở thành gốc từ chỉ điện trong nhiều ngôn ngữ châu Âu. Do đó, khi Stoney cần một cái tên cho đơn vị điện nhỏ nhất, ông chỉ việc mượn lại chính gốc từ cổ này. Đáng chú ý là tên gọi ra đời trước khi hạt được phát hiện, nên ban đầu "electron" không chỉ một hạt mà chỉ một lượng điện tích. Về sau, khi Henry Moseley đưa ra khái niệm số hiệu nguyên tử (atomic number) năm 1913 và Niels Bohr chỉ ra vai trò nền tảng của electron, cái tên mới mang đúng nghĩa hạt như ta hiểu ngày nay; đến năm 1926, thống kê Fermi–Dirac (Fermi–Dirac statistics) của Enrico Fermi và Paul Dirac mới giải thích được cách tập hợp các hạt này hành xử trong kim loại.

Lấy đi electron ngoài cùng — xem điện tích nhảy mà tên nguyên tố đứng yên

Kéo tham số, thấy khái niệm chuyển động — mở khoá bằng tài khoản 0đ.

Tạo tài khoản miễn phí

Mẹo phòng thi

Với bài phổ quang điện tử, hãy ghi rõ trục năng lượng chạy theo chiều nào trước khi trả lời.

Khi giải thích năng lượng ion hóa trong câu tự luận, phải viết đủ ba yếu tố mới trọn điểm.

Viết cấu hình electron theo thứ tự năng lượng, nhưng xác định electron hóa trị theo số lớp.

Tần suất trong đề AP ChemistryHay gặp

Bước 1: Đọc trục hoành của phổ trước khi làm gì khác. Trong phổ quang electron, đỉnh nằm ở năng lượng liên kết lớn nhất ứng với electron ở gần hạt nhân nhất, tức là phân lớp

1s

; càng đi về phía năng lượng nhỏ, electron càng ở xa hạt nhân và bị chắn nhiều hơn. Vì đề đã xếp các đỉnh theo năng lượng liên kết giảm dần nên thứ tự 2, 2, 6, 2, 1 chính là thứ tự

1s

2s

2p

3s

3p

2Bước 2: Chiều cao mỗi đỉnh tỉ lệ với số electron chiếm phân lớp đó, nên chỉ việc cộng lại:

2+2+6+2+1=13

. Nguyên tử trung hòa có số electron bằng số proton, do đó

Z=13

và nguyên tố là nhôm, Al. Một sai lầm thường gặp là nhân chiều cao với số nào đó; không cần, chiều cao đã là số electron.

3Bước 3: Ghép chiều cao với thứ tự phân lớp ở Bước 1, ta được

1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^1

. Đỉnh chiều cao 1 là đỉnh cuối cùng theo chiều năng lượng giảm, nên nó ứng với một electron duy nhất ở phân lớp

3p

4Bước 4: Giải thích vì sao đỉnh

3p

nằm ở năng lượng liên kết nhỏ nhất bằng lập luận Coulomb. Electron

3p

vừa ở lớp electron xa hạt nhân nhất, vừa bị 10 electron bên trong chắn bớt điện tích hạt nhân, nên điện tích hạt nhân hiệu dụng (effective nuclear charge) mà nó cảm nhận nhỏ hơn hẳn so với electron

1s

. Lực hút yếu hơn thì năng lượng cần để bứt electron ra cũng nhỏ hơn, vì vậy đỉnh của nó xuất hiện ở phía năng lượng liên kết thấp.

5Bước 5: Gộp mười electron bên trong lại:

1s^2\,2s^2\,2p^6

đúng bằng cấu hình của neon, một cấu hình có tất cả các phân lớp đều bão hòa nên rất bền và đặc trưng cho khí hiếm. Vậy cấu hình dạng lõi khí hiếm là

[\mathrm{Ne}]\,3s^2\,3p^1

Nguyên tử có 13 electron, tức nhôm (Al), với cấu hình $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^1$ hay $[\mathrm{Ne}]\,3s^2\,3p^1$ . Đỉnh chiều cao 1 là electron $3p$ duy nhất; nó nằm ở năng lượng liên kết nhỏ nhất vì ở xa hạt nhân và được chắn mạnh bởi lõi neon, nên bị giữ lỏng lẻo nhất và cũng chính là electron bị mất trước khi Al tạo ion.

2Ví dụ 2/2

Xét hai electron nằm cách hạt nhân cùng một khoảng

r = 1{,}00\times10^{-10}

m. Electron thứ nhất chịu hạt nhân có điện tích

+1

, electron thứ hai chịu hạt nhân có điện tích

+2

. Cho

k = 8{,}99\times10^{9}\ \mathrm{N\,m^2/C^2}

và

e = 1{,}602\times10^{-19}

aTính độ lớn lực hút Coulomb trong mỗi trường hợp và lập tỉ số giữa chúng.
bElectron nào cần nhiều năng lượng hơn để bứt ra khỏi nguyên tử, và điều đó thể hiện thế nào trên phổ quang electron?

1Bước 1: Viết định luật Coulomb cho một electron và một hạt nhân điện tích

+Z

F = k\,\frac{(Ze)(e)}{r^{2}}

Công thức này nói rằng lực hút tỉ lệ thuận với tích hai điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách; ở đây khoảng cách được giữ cố định nên chỉ còn

Z

thay đổi.

2Bước 2: Thay số cho

Z = 1

. Trước hết

e^{2} = (1{,}602\times10^{-19})^{2} = 2{,}566\times10^{-38}\ \mathrm{C^2}

và

r^{2} = (1{,}00\times10^{-10})^{2} = 1{,}00\times10^{-20}\ \mathrm{m^2}

. Do đó

F_1 = \frac{(8{,}99\times10^{9})(2{,}566\times10^{-38})}{1{,}00\times10^{-20}} = 2{,}31\times10^{-8}\ \mathrm{N}

3Bước 3: Với

Z = 2

, tử số nhân đôi trong khi mẫu số không đổi, nên

F_2 = 2F_1 = 4{,}61\times10^{-8}\ \mathrm{N}

Tỉ số

F_2/F_1 = 2

. Nói cách khác, ở cùng khoảng cách, hạt nhân điện tích gấp đôi hút electron mạnh gấp đôi — quan hệ là tuyến tính theo

Z

, chứ không phải bình phương như phần khoảng cách.

4Bước 4: Từ lực suy ra năng lượng. Thế năng hút có dạng

E \propto -\dfrac{Z}{r}

, nên electron bị hạt nhân

+2

giữ nằm ở mức năng lượng thấp hơn (âm hơn) và cần nhiều năng lượng hơn để kéo ra vô cùng. Vì vậy năng lượng ion hóa (ionization energy) của nó lớn hơn.

5Bước 5: Chuyển sang ngôn ngữ phổ. Năng lượng liên kết đo được chính là năng lượng cần thiết để bứt electron, nên electron chịu hạt nhân

+2

sẽ cho đỉnh nằm về phía năng lượng liên kết lớn. Đây cũng là lý do năng lượng liên kết của phân lớp

1s

tăng đều khi đi từ trái sang phải trong một chu kì: bán kính gần như không đổi nhưng

Z

tăng.

Ở cùng khoảng cách $1{,}00\times10^{-10}$ m, lực hút là $2{,}31\times10^{-8}$ N với hạt nhân $+1$ và $4{,}61\times10^{-8}$ N với hạt nhân $+2$ , tức mạnh gấp đúng hai lần. Electron ở hạt nhân $+2$ do đó bị giữ chặt hơn, cần nhiều năng lượng hơn để tách ra và cho đỉnh ở năng lượng liên kết cao hơn trên phổ quang electron.

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.