Đang tải bài học…

AP Chemistry

electron hóa trị

valence electrons

Còn gọi: electron ngoài cùng · outer electrons · electron lớp ngoài cùng · valence electron · điện tử hóa trị · e hóa trị

Electron hóa trị là các electron nằm ở lớp ngoài cùng của nguyên tử, tham gia tạo liên kết và quyết định tính chất hóa học của nguyên tố.

Khi viết cấu hình êlectron của một nguyên tử, ta thấy các êlectron không đứng ngang hàng nhau về vai trò. Phần bên trong, trùng với cấu hình của khí hiếm đứng trước, bị giữ rất chặt và hầu như không tham gia phản ứng; người ta gọi chúng là êlectron lõi. Phần còn lại, nằm ở lớp êlectron có số lượng tử chính lớn nhất, chính là êlectron hóa trị (valence electrons) — những êlectron mà nguyên tử đem ra góp chung hoặc cho nhận khi tạo liên kết. Vì vậy hai nguyên tố có cùng số êlectron hóa trị sẽ hành xử hóa học giống nhau, dù khối lượng nguyên tử chênh nhau rất xa.

Cách nhìn này giải thích ngay cấu trúc của bảng tuần hoàn (periodic table). Natri có cấu hình rút gọn $[\mathrm{Ne}]3s^1$ , còn liti là $[\mathrm{He}]2s^1$ ; cả hai đều có đúng một êlectron ở lớp ngoài cùng, nên đều là kim loại rất hoạt động và đều tạo ion $+1$ . Tổng quát, với các nguyên tố nhóm chính thì số êlectron hóa trị bằng số thứ tự nhóm (tính theo cách đánh số 1–2 và 13–18), và các êlectron này chiếm những phân lớp $ns$ và $np$ ngoài cùng.

Do chỉ có lớp ngoài cùng tham gia phản ứng, mọi mô hình liên kết cơ bản đều xây trên êlectron hóa trị. Công thức Lewis chỉ vẽ số chấm đúng bằng số êlectron hóa trị, còn quy tắc octet nói rằng nguyên tử có xu hướng đạt tám êlectron ở lớp ngoài. Sự mất hay nhận êlectron để tạo hợp chất ion cũng chỉ xảy ra ở lớp này, chẳng hạn khi natri nhường $3s^1$ cho clo để hoàn tất phân lớp $3p$ .

Tuy nhiên, cần phân biệt êlectron hóa trị với êlectron lớp ngoài cùng theo nghĩa rộng: ở kim loại chuyển tiếp, các êlectron $d$ chưa lấp đầy cũng tham gia liên kết dù thuộc lớp có $n$ nhỏ hơn. Ngoài ra, chính vì bị các êlectron lõi che chắn nên êlectron hóa trị chỉ cảm nhận một điện tích hạt nhân hiệu dụng nhỏ hơn nhiều so với $Z$ , và điều đó chi phối toàn bộ xu hướng bán kính nguyên tử cùng năng lượng ion hóa (ionization energy).

Ký hiệu

•Cấu hình rút gọn dạng $[\mathrm{Ne}]3s^1$
•số chấm quanh ký hiệu nguyên tố trong công thức Lewis

Trực giác: Giống như bạn chỉ dùng tiền lẻ trong túi áo để mua bán hằng ngày, còn tiền trong két sắt thì gần như không bao giờ đụng tới.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1852Edward FranklandGeorge Stoney

Khái niệm hóa trị (valence) do Edward Frankland đề xuất năm 1852 nhằm giải thích vì sao các nguyên tử chỉ kết hợp với nhau theo những tỉ lệ nhất định; mãi về sau người ta mới biết khả năng kết hợp ấy gắn với các electron ở lớp ngoài cùng.

Từ thời các nhà giả kim, người ta đã thấy các chất phản ứng với nhau theo những tỉ lệ cố định chứ không tùy tiện, nhưng suốt thế kỷ 19 chưa ai giải thích được vì sao. Năm 1852, Edward Frankland đưa ra ý tưởng rằng mỗi nguyên tố có một "khả năng kết hợp" riêng, và các nhà hóa học đo khả năng đó bằng số nguyên tử hydro mà một nguyên tử của nguyên tố có thể kết hợp hoặc thay thế. Do đó, việc hệ thống hóa hóa trị trở thành bài toán lớn của hóa học thế kỷ 19, chủ yếu bằng các quy tắc rút ra từ thực nghiệm. Phải đến khi cấu trúc electron của nguyên tử sáng tỏ, người ta mới thấy hóa trị gắn trực tiếp với vị trí các electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử.

Thử nghiệm tương tác

Bấm thêm từng proton kèm electron — nhìn bộ đếm lớp ngoài cùng chạy 1, 2, 3… rồi bật về 1

Hay hiểu sai

Electron hóa trị không phải toàn bộ electron ở lớp ngoài cùng theo số thứ tự chu kì.

Với nguyên tố nhóm p sau dãy chuyển tiếp, các electron $d$ đã lấp đầy không tính là electron hóa trị.

Quy tắc "8 trừ số electron hóa trị" chỉ đúng cho chu kì 2, không phải mọi phi kim.

Trong phổ quang điện tử, đỉnh của electron hóa trị là đỉnh có năng lượng ion hóa nhỏ nhất.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Phổ quang điện tử (photoelectron spectroscopy, PES) của một nguyên tố thuộc chu kì 3 cho năm đỉnh. Năng lượng liên kết (binding energy) và chiều cao tương đối của từng đỉnh lần lượt là: 189 MJ/mol (chiều cao 2), 16,5 MJ/mol (chiều cao 2), 12,0 MJ/mol (chiều cao 6), 1,95 MJ/mol (chiều cao 2) và 1,06 MJ/mol (chiều cao 3). Chiều cao mỗi đỉnh tỉ lệ với số electron nằm trong phân lớp tương ứng.

aXác định nguyên tố và viết cấu hình electron rút gọn của nguyên tử đó.
bCho biết nguyên tử này có bao nhiêu electron hóa trị, và dùng số liệu của phổ để giải thích vì sao đó chính là những electron tham gia liên kết.

1Bước 1: Cộng chiều cao các đỉnh để tìm tổng số electron của nguyên tử trung hòa:

2+2+6+2+3=15

. Nguyên tử có 15 electron nên số hiệu nguyên tử

Z=15

, tức nguyên tố là phosphorus (P).

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 “Electron hóa trị và hợp chất ion” — khoá AP Chemistry

Cần trướccấu hình electron trạng thái cơ bản (sắp có)

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

electron lõicore electrons

Khác nhau ở đâuElectron hóa trị nằm ở lớp ngoài cùng và tham gia liên kết. Electron lõi nằm ở các lớp bên trong và hầu như không phản ứng.

Hay nhầm khiKhi viết cấu hình rút gọn hoặc giải thích xu hướng năng lượng ion hóa, học sinh hay nhầm đếm cả electron lõi vào số electron tham gia phản ứng

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 15, 309–310.

Vì sao mang đúng cái tên này? Chữ "valence" đi vòng khá xa trước khi đến với hóa học. Nó bắt nguồn từ tiếng Latinh "valentia" nghĩa là sức mạnh, năng lực, vốn lại đi ra từ "valor" nghĩa là giá trị; dạng chữ này xuất hiện từ năm 1425 với nghĩa hoàn toàn khác là "chiết xuất, chế phẩm". Nghĩa hóa học ngày nay đến qua tiếng Đức "Valenz", tức khả năng kết hợp của nguyên tố, và Britannica ghi nhận thuật ngữ được đưa vào dùng năm 1868. Vì vậy, hiểu đúng gốc từ thì hóa trị không phải là "trị số" khô khan mà là "sức kết hợp" của một nguyên tố. Phần thứ hai của cụm từ cũng có gốc riêng: tên gọi electron do George Stoney đặt năm 1881 cho đơn vị điện cơ bản mà trước đó, năm 1874, ông gọi là "electrine"; chữ này lấy từ tiếng Hy Lạp ἤλεκτρον nghĩa là hổ phách, vật liệu cổ điển dùng để tạo ra hiện tượng nhiễm điện do cọ xát. Ghép lại, "valence electrons" nghĩa đen là những electron làm nên sức kết hợp — đúng vai trò của chúng trong liên kết hóa học (chemical bonding).

Bấm thêm từng proton kèm electron — nhìn bộ đếm lớp ngoài cùng chạy 1, 2, 3… rồi bật về 1

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

Mẹo phòng thi

Trước khi vẽ bất kỳ cấu trúc Lewis nào, hãy viết ra phép cộng tổng electron hóa trị.

Khi giải thích xu hướng tuần hoàn, phải nhắc cả lớp electron lẫn lực hút của hạt nhân.

Đừng lẫn số electron hóa trị với số liên kết hay số cặp electron chưa liên kết.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Bước 2: Gán từng đỉnh cho một phân lớp theo thứ tự năng lượng giảm dần: đỉnh 189 MJ/mol ứng với

1s^2

, đỉnh 16,5 MJ/mol ứng với

2s^2

, đỉnh 12,0 MJ/mol ứng với

2p^6

, đỉnh 1,95 MJ/mol ứng với

3s^2

và đỉnh 1,06 MJ/mol ứng với

3p^3

. Cấu hình đầy đủ là

1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^3

, viết rút gọn thành

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

3Bước 3: Phần

[\mathrm{Ne}]

gồm 10 electron lõi (core electrons) nằm ở lớp electron

n=1

và

n=2

đã bão hòa. Những electron còn lại ở lớp ngoài cùng

n=3

mới là electron hóa trị, và số đó bằng

2+3=5

, đúng bằng số thứ tự nhóm 15 của phosphorus.

4Bước 4: Số liệu của phổ củng cố cách phân chia trên. Giữa đỉnh

2p

và đỉnh

3s

có bước nhảy rất lớn, từ 12,0 MJ/mol xuống 1,95 MJ/mol, tức năng lượng liên kết giảm khoảng sáu lần; trong khi hai đỉnh

3s

và

3p

chỉ chênh nhau 1,95 so với 1,06 MJ/mol. Do đó năm electron của lớp

n=3

bị hạt nhân giữ yếu hơn hẳn, vì chúng ở xa hạt nhân hơn và bị mười electron lõi chắn bớt điện tích hạt nhân, nên chính chúng là phần tham gia tạo liên kết hóa học.

Nguyên tố là phosphorus với cấu hình rút gọn $[\mathrm{Ne}]3s^2 3p^3$ . Nguyên tử P có 5 electron hóa trị nằm ở lớp $n=3$ ; bước nhảy năng lượng từ 12,0 MJ/mol xuống 1,95 MJ/mol trên phổ cho thấy nhóm năm electron này liên kết với hạt nhân yếu hơn nhiều so với mười electron lõi, nên chúng là những electron quyết định tính chất hóa học của phosphorus.

2Ví dụ 2/2

Một học sinh khảo sát các hợp chất nhị nguyên tố giữa fluorine và một số phi kim:

\mathrm{CF_4}

\mathrm{NF_3}

và

\mathrm{OF_2}

. Từ bảng số liệu đó, học sinh nêu giả thuyết: số nguyên tử F liên kết với một phi kim luôn bằng 8 trừ đi số electron hóa trị của nguyên tử phi kim ấy. Biết rằng ngoài các chất trên, phòng thí nghiệm còn tổng hợp được

\mathrm{SF_6}

và

\mathrm{PF_5}

aKiểm tra giả thuyết của học sinh đối với ba hợp chất trong bảng.
bChỉ ra một hợp chất mâu thuẫn với giả thuyết và giải thích nguyên nhân.
cTính tổng số electron hóa trị cần dùng khi vẽ công thức Lewis của chloryl fluoride, $\mathrm{FClO_2}$ .

1Bước 1: Đếm electron hóa trị của từng phi kim theo số thứ tự nhóm: C thuộc nhóm 14 nên có 4, N thuộc nhóm 15 nên có 5, O thuộc nhóm 16 nên có 6. Áp dụng công thức của học sinh,

8-4=4

cho

\mathrm{CF_4}

8-5=3

cho

\mathrm{NF_3}

và

8-6=2

cho

\mathrm{OF_2}

. Cả ba dự đoán đều khớp với bảng số liệu.

2Bước 2: Lý do giả thuyết đúng trong ba trường hợp này là mỗi nguyên tử F chỉ góp một electron để tạo một liên kết đơn. Nguyên tử trung tâm ở chu kì 2 cần thêm đúng

8-n

electron (

n

là số electron hóa trị của nó) để đạt tám electron quanh mình, nên số liên kết C–F, N–F, O–F bằng đúng phần thiếu đó.

3Bước 3: Xét

\mathrm{SF_6}

: lưu huỳnh cũng thuộc nhóm 16 nên có 6 electron hóa trị, giả thuyết dự đoán

8-6=2

, tức chỉ có

\mathrm{SF_2}

. Thực tế

\mathrm{SF_6}

vẫn tồn tại với 6 liên kết S–F, nghĩa là quanh S có 12 electron. Tương tự, phosphorus có 5 electron hóa trị nhưng

\mathrm{PF_5}

có 5 liên kết P–F chứ không phải 3. Vì vậy giả thuyết không đúng một cách tổng quát.

4Bước 4: Nguyên nhân là S và P nằm ở chu kì 3, có lớp electron ngoài cùng

n=3

với các orbital

3d

trống, nên chúng có thể chứa nhiều hơn tám electron hóa trị quanh nguyên tử trung tâm — trường hợp bát tử mở rộng (expanded octet). Ngược lại, các nguyên tố chu kì 2 như C, N, O chỉ có orbital

2s

và

2p

, tối đa tám electron, nên chúng luôn tuân theo quy tắc của học sinh.

5Bước 5: Với

\mathrm{FClO_2}

, cộng electron hóa trị của từng nguyên tử: F và Cl mỗi nguyên tử có 7, mỗi nguyên tử O có 6. Tổng cộng

7+7+2(6)=26

electron, tương ứng 13 cặp electron cần bố trí. Công thức Lewis hợp lí đặt Cl ở trung tâm với hai liên kết đôi Cl=O, một liên kết đơn Cl–F và một cặp electron chưa liên kết trên Cl, tức quanh Cl có 10 electron — lại là một ví dụ của bát tử mở rộng ở nguyên tố chu kì 3.

Giả thuyết đúng với $\mathrm{CF_4}$ , $\mathrm{NF_3}$ , $\mathrm{OF_2}$ vì nguyên tử trung tâm ở chu kì 2 bị giới hạn ở tám electron, nhưng sai với $\mathrm{SF_6}$ (dự đoán $\mathrm{SF_2}$ ) và $\mathrm{PF_5}$ (dự đoán $\mathrm{PF_3}$ ), do các nguyên tố chu kì 3 có thể chứa hơn tám electron hóa trị. Khi vẽ công thức Lewis của $\mathrm{FClO_2}$ phải phân bố tổng cộng 26 electron hóa trị, tức 13 cặp.

Liên quanlớp electronquy tắc octet (sắp có)

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