Đang tải bài học…

AP Chemistry

phân lớp electron

electron subshell

Còn gọi: phân lớp · subshell · electron subshells · phân lớp vỏ electron · phân mức năng lượng · subshell (sublevel)

Phân lớp electron là nhóm các orbital cùng nằm trong một lớp electron và cùng dạng hình học (s, p, d, f), có năng lượng bằng nhau.

Mỗi lớp êlectron trong nguyên tử (atom) không phải là một khối đồng nhất mà còn được chia nhỏ thêm một bậc nữa. Cụ thể, các obitan thuộc cùng một lớp nhưng khác hình dạng thì cũng khác nhau về năng lượng, và mỗi nhóm obitan cùng hình dạng như vậy hợp thành một phân lớp êlectron. Tiếp theo, người ta đánh dấu phân lớp bằng số lượng tử phụ $\ell$ , với quy ước $\ell = 0, 1, 2, 3$ tương ứng với các ký hiệu $s$ , $p$ , $d$ , $f$ . Do đó, lớp thứ $n$ chứa đúng $n$ phân lớp, chẳng hạn lớp $n=3$ gồm $3s$ , $3p$ và $3d$ .

Kế đến, số obitan trong một phân lớp được xác định bởi $N_{\text{orb}} = 2\ell + 1$ , nghĩa là phân lớp $s$ có một obitan, phân lớp $p$ có ba, còn phân lớp $d$ có năm. Hơn nữa, vì nguyên lý loại trừ Pauli chỉ cho phép tối đa hai êlectron ngược chiều spin trên mỗi obitan, sức chứa của một phân lớp là $2(2\ell+1)$ êlectron, tức $2$ , $6$ , $10$ , $14$ cho $s$ , $p$ , $d$ , $f$ . Chính các con số này giải thích vì sao bảng tuần hoàn có khối $s$ rộng hai cột, khối $p$ sáu cột và khối $d$ mười cột. Cuối cùng, khi các êlectron lần lượt điền vào cùng một phân lớp, chúng phân bố mỗi obitan một êlectron trước rồi mới ghép đôi theo quy tắc Hund (Hund's rule).

Ngoài ra, trong nguyên tử nhiều êlectron, hiệu ứng chắn làm các phân lớp cùng lớp tách hẳn về năng lượng: $E_{2s} < E_{2p}$ , và thứ tự điền gần đúng tuân theo tổng $n+\ell$ nhỏ trước. Vì vậy, mức $4s$ được điền trước $3d$ , một chi tiết thường xuất hiện trong đề. Hệ quả quan trọng nhất là mỗi phân lớp ứng với một năng lượng ion hóa (ionization energy) riêng, nên phổ quang êlectron cho ta các đỉnh tách biệt với chiều cao tỉ lệ số êlectron trong phân lớp đó.

Ký hiệu

• $\ell$
•ký hiệu $1s$ , $2s$ , $2p$ , $3d$
•số electron ghi ở số mũ như $2p^6$

Trực giác: Lớp electron giống một tầng của tòa nhà, còn phân lớp là các loại phòng khác nhau trên cùng tầng đó — phòng s chỉ có 1 phòng đơn, phòng p có 3 phòng đơn, phòng d có 5 phòng đơn, mỗi phòng đơn chứa đúng hai người.

Công thức

2l + 1

Dùng để tính số orbital nguyên tử có trong một phân lớp, trong đó $l$ là số lượng tử góc (angular momentum quantum number) xác định hình dạng phân lớp đó.

Trong đó

l

Số lượng tử góc (angular momentum quantum number), nhận giá trị nguyên từ

0

đến

n - 1

, quy định phân lớp thuộc loại

s

p

d

hay

f

2(2l + 1)

Dùng để tính số electron tối đa mà một phân lớp có thể chứa, xuất phát từ việc mỗi orbital trong phân lớp chứa tối đa hai electron có spin ngược nhau.

Trong đó

l

Số lượng tử góc (angular momentum quantum number), cùng công thức

2l + 1

cho biết số orbital của phân lớp.

2

Hệ số 2 đứng trước, phản ánh nguyên lý Pauli: mỗi orbital chỉ chứa tối đa hai electron với spin đối nhau (spin-up và spin-down).

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1923–1925Charles BarklaHenry MoseleyNiels BohrEdmund StonerWolfgang Pauli

Hay hiểu sai

Phân lớp không phải lớp electron.

Thứ tự điền electron không trùng thứ tự viết cấu hình.

Electron cùng một phân lớp vẫn không hoàn toàn cùng năng lượng trong nguyên tử nhiều electron.

Phổ quang electron (PES) đọc theo phân lớp, không đọc theo lớp.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một mẫu nguyên tố tinh khiết được phân tích bằng phổ quang electron (photoelectron spectroscopy, PES). Phổ thu được có đúng năm đỉnh, với năng lượng liên kết (binding energy) lần lượt là 247; 22,7; 16,5; 2,05 và 1,00 MJ/mol. Chiều cao tương đối của năm đỉnh, theo thứ tự vừa nêu, tỉ lệ 2 : 2 : 6 : 2 : 4.

aGán mỗi đỉnh cho một phân lớp electron và viết cấu hình electron đầy đủ của nguyên tố.
bXác định nguyên tố và giải thích cách xác định.
cGiải thích vì sao đỉnh ứng với 2s nằm ở năng lượng cao hơn đỉnh ứng với 2p, dù hai phân lớp này cùng thuộc lớp electron thứ hai.

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 trướclớp electronsố lượng tử phụ

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

lớp electron (electron shell)electron shell

Khác nhau ở đâuLớp electron xác định bởi số lượng tử chính n, gom các electron cùng mức năng lượng. Phân lớp electron xác định bởi số lượng tử phụ l, chia lớp theo hình dạng orbital.

Hay nhầm khiKhi đề hỏi số orbital tối đa trong một mức năng lượng, dễ nhầm số phân lớp (s, p, d, f) với số orbital thực tế trong từng phân lớp

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 465.

Ý tưởng chia lớp electron thành các phân lớp lớn lên từ những nghiên cứu tia X của Charles Barkla và Henry Moseley và từ mô hình nguyên tử của Niels Bohr, rồi được Edmund Stoner (1923) và Wolfgang Pauli (1925) đưa về dạng hiện đại. Mục đích là giải thích vì sao mỗi mức năng lượng chỉ chứa được một số electron nhất định và vì sao phổ nguyên tử lại tách thành nhiều vạch.

Đầu thế kỷ 20, khi bắn tia X vào các nguyên tố, các nhà thực nghiệm thấy sự hấp thụ xảy ra ở những ngưỡng năng lượng rời rạc và ngưỡng ấy tăng dần theo nguyên tố nặng hơn. Điều đó gợi ý rằng electron nằm trong những lớp có sức chứa giới hạn, và tia X phát ra khi electron nhảy về lớp thấp hơn. Từ năm 1913 đến 1925, nhiều nhà hóa học cùng một số nhà vật lý tiếp tục công việc xếp electron vào các lớp. Năm 1923, Stoner đưa ra quy tắc lớp thứ $n$ chứa $2n^2$ electron; hai năm sau Pauli bổ sung số lượng tử thứ tư là spin, hoàn tất bức tranh.

Vì sao mang đúng cái tên này? Chữ "vỏ" trong lớp electron đến thẳng từ mô hình Bohr: người ta hình dung từng nhóm electron quay quanh hạt nhân ở những khoảng cách xác định, nên quỹ đạo của chúng tạo thành các lớp bao quanh hạt nhân như những lớp vỏ. Vì vậy khi mô hình cần chi tiết hơn, mỗi lớp lại được chẻ nhỏ thành phân lớp — tức là phần chia nhỏ bên trong một lớp, gồm các orbital cùng số lượng tử moment động lượng (angular momentum quantum number) $l$ , trong khi cả lớp thì cùng một số lượng tử chính (principal quantum number) $n$ . Còn dãy ký hiệu K, L, M, N, O, P, Q dùng cho các lớp thì không mang ý nghĩa vật lý nào cả: nguồn gốc của nó thuần túy là thứ tự bảng chữ cái. Barkla, khi nghiên cứu tán xạ tia X độc lập với Moseley, năm 1909 phân biệt được hai kiểu tán xạ và ban đầu gọi chúng là "A" và "B"; về sau ông chuyển sang đặt tên K, L, M…, trong đó K được để dành cho những vạch phổ giả định mà rốt cuộc chưa bao giờ tìm thấy. Do đó, cái tên nghe có vẻ tùy tiện này thực ra là dấu vết của một dự đoán bị bỏ lửng, và các chữ cái ấy sau này được đối chiếu tương ứng với $n = 1, 2, 3\dots$ , vẫn còn sống trong ký hiệu phổ học Siegbahn ngày nay.

Khi trả lời PES, hãy viết rõ đỉnh nào ứng với phân lớp nào.

Muốn giải thích xu hướng năng lượng ion hóa, phải nói tới phân lớp và điện tích hạt nhân hiệu dụng.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Trong phổ này, chiều cao mỗi đỉnh tỉ lệ với số electron nằm trong cùng một phân lớp, nên trước hết ta cộng các chiều cao lại:

2+2+6+2+4=16

. Vậy nguyên tử trung hòa có 16 electron, và vì trung hòa nên nó cũng có 16 proton.

2Bước 2: Electron càng gần hạt nhân thì càng bị giữ chặt, nên đỉnh có năng lượng lớn nhất ứng với phân lớp trong cùng. Sắp theo thứ tự giảm dần: 247 MJ/mol là

1s

, 22,7 MJ/mol là

2s

, 16,5 MJ/mol là

2p

, 2,05 MJ/mol là

3s

và 1,00 MJ/mol là

3p

. Chiều cao đọc được khớp hoàn toàn với sức chứa của từng phân lớp, cho cấu hình

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

3Bước 3: Tổng số electron trong cấu hình đúng bằng 16, tức

Z=16

, ứng với lưu huỳnh (S). Có thể kiểm tra chéo bằng vị trí trong bảng tuần hoàn: bốn electron ở phân lớp

3p

đặt nguyên tố vào chu kì 3, nhóm VIA — đúng là lưu huỳnh.

4Bước 4: Hai phân lớp

2s

và

2p

có cùng số lượng tử chính, nhưng hình dạng đám mây electron của chúng khác nhau. Electron

2s

có xác suất xuất hiện sát hạt nhân lớn hơn, tức xuyên sâu hơn qua lớp

1s^2

, nên nó chịu điện tích hạt nhân hiệu dụng (effective nuclear charge) lớn hơn electron

2p

. Do đó cần nhiều năng lượng hơn để bứt nó ra, và đỉnh

2s

nằm ở 22,7 MJ/mol trong khi đỉnh

2p

chỉ ở 16,5 MJ/mol.

Phổ gồm năm đỉnh vì lưu huỳnh có electron nằm trên đúng năm phân lớp: $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4$ với $Z=16$ . Vị trí mỗi đỉnh phản ánh độ chặt của liên kết giữa electron và hạt nhân, còn chiều cao phản ánh số electron trong phân lớp đó; riêng khoảng cách giữa đỉnh $2s$ và đỉnh $2p$ chứng tỏ trong nguyên tử nhiều electron, các phân lớp của cùng một lớp không còn cùng mức năng lượng.

2Ví dụ 2/2

Năng lượng ion hóa thứ nhất (first ionization energy) của ba nguyên tố liền kề trong chu kì 3 được đo như sau: Mg là 738 kJ/mol, Al là 578 kJ/mol và Si là 786 kJ/mol.

aViết cấu hình electron của Mg và Al, chỉ rõ electron bị tách ra thuộc phân lớp nào.
bGiải thích vì sao năng lượng ion hóa thứ nhất của Al lại nhỏ hơn của Mg, mặc dù Al có điện tích hạt nhân lớn hơn.
cGiải thích vì sao khi đi từ Al sang Si thì giá trị này lại tăng trở lại.

1Bước 1: Magnesium có

Z=12

nên cấu hình là

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

, còn nhôm có

Z=13

nên cấu hình là

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

. Electron dễ bứt nhất luôn là electron ở phân lớp có năng lượng cao nhất, tức là electron

3s

đối với Mg và electron

3p

duy nhất đối với Al.

2Bước 2: Hai electron này không xuất phát từ cùng một phân lớp, nên không thể so sánh chỉ bằng điện tích hạt nhân. Trong cùng lớp thứ ba, phân lớp

3p

nằm cao hơn

3s

về năng lượng và đám mây electron của nó phân bố xa hạt nhân hơn; thêm vào đó, cặp electron

3s^2

của nhôm còn góp phần chắn bớt lực hút của hạt nhân đối với electron

3p

3Bước 3: Hai hiệu ứng đó cộng lại thắng cả phần tăng một đơn vị điện tích hạt nhân khi đi từ

Z=12

sang

Z=13

. Vì vậy electron

3p^1

của Al bị giữ lỏng hơn electron

3s

của Mg, và năng lượng ion hóa thứ nhất giảm từ 738 xuống 578 kJ/mol, tức thấp hơn 160 kJ/mol.

4Bước 4: Từ Al sang Si thì bối cảnh đổi hẳn: cả hai đều tách electron khỏi cùng phân lớp

3p

(

3p^1

và

3p^2

). Khi so sánh trong cùng một phân lớp, điện tích hạt nhân tăng mà số lớp electron bên trong không đổi, nên lực hút mạnh lên và giá trị tăng từ 578 lên 786 kJ/mol, đúng theo xu hướng chung của chu kì.

Chỗ gãy của xu hướng tại nhôm không phải là ngoại lệ vô cớ mà là hệ quả trực tiếp của cấu trúc phân lớp: Mg mất một electron $3s$ còn Al mất một electron $3p$ có năng lượng cao hơn và được chắn tốt hơn, nên 578 kJ/mol nhỏ hơn 738 kJ/mol. Khi hai nguyên tố cùng tách electron từ một phân lớp, như Al và Si, xu hướng tăng theo chu kì lập tức trở lại. Bài học rút ra là mỗi lần so sánh năng lượng ion hóa, việc đầu tiên phải làm là xác định electron bị tách nằm ở phân lớp nào.

Dẫn tớicấu hình electron trạng thái cơ bản (sắp có)

Liên quanorbital nguyên tử (sắp có)quy tắc Hund (sắp có)

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