Đang tải bài học…

AP Chemistry

orbital

Orbital là vùng không gian quanh hạt nhân mà xác suất tìm thấy electron là cao nhất, được xác định bởi ba số lượng tử.

Trong cơ học lượng tử, obitan không phải là một quỹ đạo cố định như mô hình Bohr mà là một hàm toán học mô tả vùng không gian quanh hạt nhân nơi mật độ êlectron tập trung cao nhất. Mỗi obitan được xác định duy nhất bởi ba số lượng tử (quantum number), bao gồm số lượng tử chính $n$ , số lượng tử phụ $l$ và số lượng tử từ $m_l$ . Nhờ đó, ta có thể biết được hình dạng và định hướng của obitan trong không gian ba chiều.

Các obitan được phân loại thành những phân lớp khác nhau tùy theo giá trị của $l$ , trong đó khi $l = 0$ ta có obitan $s$ mang dạng hình cầu đối xứng. Khi $l = 1$ , obitan $p$ gồm hai thùy định hướng dọc theo một trục tọa độ, ngược lại obitan $d$ ( $l = 2$ ) và obitan $f$ ( $l = 3$ ) có những hình học phức tạp hơn với nhiều thùy và nút. Vì vậy, số lượng obitan trong mỗi phân lớp lần lượt là 1, 3, 5 và 7, tương ứng với các giá trị $m_l$ chạy từ $-l$ đến $+l$ .

Mỗi obitan chỉ chứa tối đa hai êlectron có chiều tự quay ngược nhau theo nguyên lý loại trừ Pauli. Tuy nhiên, khi điền êlectron vào các obitan cùng mức năng lượng, quy tắc Hund (Hund's rule) yêu cầu mỗi obitan phải nhận một êlectron trước khi bất kỳ obitan nào nhận êlectron thứ hai. Do đó, cấu hình êlectron của nguyên tử không chỉ phản ánh thứ tự năng lượng mà còn tuân theo những quy tắc phân bố nghiêm ngặt, tạo nên tính chất hóa học (chemical properties) đặc trưng của mỗi nguyên tố.

Ký hiệu

n

l

m_l

Trực giác: Orbital giống như một đám mây mờ bao quanh hạt nhân — nơi đám mây dày nhất thì khả năng bắt gặp electron cao nhất.

Hay hiểu sai

Orbital không phải quỹ đạo tròn mà electron chạy vòng quanh hạt nhân.

Mỗi orbital chứa tối đa hai electron, bất kể đó là orbital loại nào.

Số miền electron quyết định kiểu lai hóa, không phải số liên kết.

Orbital lai hóa không có sẵn trong nguyên tử cô lập.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Lưu huỳnh có số hiệu nguyên tử

Z = 16

. Một học sinh muốn dùng mô hình orbital nguyên tử để giải thích vì sao năng lượng ion hóa (ionization energy) thứ nhất của lưu huỳnh (

1000

kJ/mol) lại nhỏ hơn của photpho (

1012

kJ/mol), dù lưu huỳnh nằm bên phải photpho trong cùng chu kì. Bài làm phải trình bày rõ lập luận, có thể kèm giản đồ ô orbital.

aViết cấu hình electron đầy đủ của nguyên tử lưu huỳnh và cho biết có bao nhiêu orbital đang chứa electron, trong đó bao nhiêu orbital chỉ chứa một electron độc thân.
bDựa trên cách electron phân bố trong các orbital $3p$ , giải thích vì sao năng lượng ion hóa thứ nhất của lưu huỳnh nhỏ hơn của photpho.

1Bước 1: Xếp

16

electron theo thứ tự năng lượng tăng dần, nhớ rằng mỗi orbital chỉ chứa tối đa hai electron có spin ngược nhau theo nguyên lý loại trừ Pauli (Pauli exclusion principle). Ta được

1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^4

. Kiểm tra lại tổng số electron:

2 + 2 + 6 + 2 + 4 = 16

, đúng bằng

Z

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 nguyên tử và cấu hình electron” — khoá AP Chemistry

Cần trướcnguyên tử

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

lớp electron (electron shell)electron shell

Khác nhau ở đâuOrbital là vùng không gian quanh hạt nhân nơi xác suất tìm thấy electron cao nhất, chứa tối đa hai electron. Lớp electron là tập hợp các orbital có cùng số lượng tử chính n, chứa tối đa 2n² electron.

Hay nhầm khiKhi đề hỏi sức chứa electron tối đa của một lớp (2n²) thay vì của một orbital (2 electron).

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 15–17.

2Ví dụ 2/2

Ion oxalat

\text{C}_2\text{O}_4^{2-}

có công thức Lewis trong đó hai nguyên tử carbon liên kết trực tiếp với nhau, mỗi carbon còn liên kết với hai nguyên tử oxygen: một liên kết đôi

\text{C=O}

và một liên kết đơn

\text{C-O}^-

. Phân tử

\text{CO}_2

thì có hai liên kết đôi

\text{O=C=O}

và là phân tử thẳng.

aXác định trạng thái lai hóa của mỗi nguyên tử carbon trong ion oxalat và trong $\text{CO}_2$ , kèm giải thích dựa trên số vùng electron.
bCho biết trong ion oxalat có bao nhiêu liên kết sigma và bao nhiêu liên kết pi, đồng thời chỉ rõ loại orbital nào tạo nên các liên kết pi đó.

1Bước 1: Đếm số vùng electron quanh mỗi nguyên tử carbon, nhớ rằng một liên kết đôi vẫn chỉ tính là một vùng. Trong ion oxalat, mỗi carbon có ba vùng: liên kết với carbon kia, liên kết đôi với một oxygen và liên kết đơn với oxygen mang điện tích âm. Ba vùng electron ứng với ba orbital lai hóa (hybrid orbital), tức carbon ở trạng thái

sp^2

và các góc liên kết xấp xỉ

120^\circ

2Bước 2: Áp dụng cùng cách đếm cho

\text{CO}_2

. Nguyên tử carbon ở đây chỉ có hai vùng electron là hai liên kết đôi, nên chỉ cần hai orbital lai hóa, tức carbon lai hóa

sp

và phân tử có dạng thẳng với góc

180^\circ

. Sự khác biệt giữa

sp^2

và

sp

vì vậy bắt nguồn hoàn toàn từ số vùng electron chứ không phải từ số nguyên tử oxygen.

3Bước 3: Đếm liên kết sigma trong ion oxalat: một liên kết

\text{C-C}

cộng với bốn liên kết

\text{C-O}

cho

1 + 4 = 5

liên kết sigma. Mỗi liên kết sigma hình thành do sự xen phủ trực diện giữa một orbital lai hóa

sp^2

của carbon với orbital của nguyên tử kia.

4Bước 4: Đếm liên kết pi. Mỗi carbon tham gia đúng một liên kết đôi

\text{C=O}

, mà trong một liên kết đôi có một sigma và một pi, nên toàn ion có

2

liên kết pi. Vì carbon đã dùng ba orbital

2p

... chính xác hơn là dùng một orbital

2s

và hai orbital

2p

để tạo ba orbital

sp^2

, nên mỗi carbon còn dư đúng một orbital

2p

chưa lai hóa nằm vuông góc với mặt phẳng

sp^2

. Chính orbital

2p

đó xen phủ bên với orbital

2p

của oxygen để tạo liên kết pi.

Mỗi nguyên tử carbon trong ion oxalat có ba vùng electron nên lai hóa $sp^2$ , còn carbon trong $\text{CO}_2$ chỉ có hai vùng electron nên lai hóa $sp$ . Ion $\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$ chứa $5$ liên kết sigma tạo bởi sự xen phủ trực diện của các orbital lai hóa $sp^2$ , và $2$ liên kết pi tạo bởi sự xen phủ bên giữa orbital $2p$ chưa lai hóa của carbon với orbital $2p$ của oxygen.