AP Chemistry

trạng thái cơ bản

ground state

Trạng thái cơ bản là trạng thái có năng lượng thấp nhất và bền vững nhất của một nguyên tử hay phân tử.

Trạng thái cơ bản (ground state) là mức năng lượng thấp nhất mà các êlectron trong nguyên tử (atom) có thể chiếm giữ. Khi mọi êlectron đều phân bố ở các mức năng lượng thấp nhất cho phép, nguyên tử đạt độ bền cực đại và không tự phát phát ra bức xạ điện từ. Đây chính là cấu hình mà nguyên tử tồn tại ở điều kiện bình thường, trước khi nhận bất kì năng lượng kích thích nào từ bên ngoài.

Đối với nguyên tử hiđrô, năng lượng của êlectron ở trạng thái cơ bản ứng với số lượng tử chính $n = 1$ và có giá trị:

$E_1 = -2{,}18 \times 10^{-18} \text{ J}$

Dấu âm phản ánh lực hút (attractive forces) tĩnh điện giữa êlectron và hạt nhân, nên năng lượng càng âm thì hệ càng bền. Khi nguyên tử hấp thụ một lượng tử năng lượng đúng bằng hiệu hai mức, êlectron sẽ nhảy lên mức cao hơn và nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích.

Ngược lại, khi êlectron rơi từ mức năng lượng cao về mức thấp hơn, nguyên tử phát ra một phôtôn có tần số xác định. Nhờ đó, sự chuyển dời giữa trạng thái kích thích và trạng thái cơ bản tạo nên các vạch quang phổ đặc trưng cho mỗi nguyên tố (element). Vì vậy, việc xác định năng lượng của trạng thái cơ bản là nền tảng để giải thích phổ phát xạ và phổ hấp xạ trong phép phân tích quang phổ.

Ký hiệu

n

E_n

E_1

Đơn vịJ (jun)

Trực giác: Hãy tưởng tượng một viên bi nằm yên ở đáy bát — đó là vị trí thấp nhất và bền nhất; muốn viên bi lên thành bát, ta phải cung cấp năng lượng.

Công thức

E_n = \htmlClass{fp-1}{-2.18 \times 10^{-18} \text{ J}} \left(\frac{1}{\htmlClass{fp-0}{n^2}}\right)

Dùng để tính năng lượng của electron trong nguyên tử hydro ở mức năng lượng $n$ bất kỳ; thay $n=1$ để được năng lượng trạng thái cơ bản.

Trong đó

E_n

năng lượng của electron ở mức lượng tử chính

n

— J

n

số lượng tử chính (principal quantum number), nhận giá trị

1, 2, 3, \ldots

2.18 \times 10^{-18} \text{ J}

hằng số Rydberg (Rydberg constant), độ lớn năng lượng ion hóa nguyên tử hydro từ trạng thái cơ bản — J

Hay hiểu sai

Đếm đủ số electron chưa chắc đã là trạng thái cơ bản.

Số electron độc thân không đọc được từ số mũ của phân lớp.

Ghép đôi electron trước khi mỗi orbital có một electron là vi phạm quy tắc Hund.

Phân lớp có năng lượng cao nhất không phải lúc nào cũng là phân lớp viết sau cùng.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Xét các nguyên tử trung hòa của năm nguyên tố sau: Mg (Z = 12), Al (Z = 13), Si (Z = 14), P(Z = 15) và Cl (Z = 17). Giả thiết mọi nguyên tử đều ở trạng thái cơ bản, tức là các electron đã chiếm những mức năng lượng thấp nhất còn trống.

aNguyên tử nào có đúng hai electron độc thân?
bNguyên tử nào chỉ có một electron ở phân lớp năng lượng cao nhất đang bị chiếm?

1Bước 1: Trước hết cần viết cấu hình electron (electron configuration) của từng nguyên tử theo thứ tự năng lượng tăng dần. Vì cả năm nguyên tố đều thuộc chu kì 3, phần lõi giống nhau là

[\mathrm{Ne}] = 1s^2 2s^2 2p^6

và chỉ khác nhau ở lớp ngoài cùng:

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

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

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

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

\mathrm{Cl}\ [\mathrm{Ne}]3s^2 3p^5

. Ta kiểm tra lại bằng cách cộng số electron: Al có

10 + 2 + 1 = 13

, Cl có

10 + 2 + 5 = 17

, đúng bằng số hiệu nguyên tử.

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 trướcnăng lượngorbital nguyên tử

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

trạng thái kích thích (excited state)excited state

Khác nhau ở đâuTrạng thái cơ bản là mức năng lượng thấp nhất mà electron có thể chiếm giữ. Trạng thái kích thích là mức năng lượng cao hơn, khi electron hấp thụ năng lượng và nhảy lên orbital trống.

Hay nhầm khiđề hỏi electron đang ở mức năng lượng nào, hoặc hỏi sự khác biệt giữa hai trạng thái khi giải thích vạch phổ

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 286, 294, 296.

2Ví dụ 2/2

Một đề trắc nghiệm đưa ra bốn cách viết cấu hình cho nguyên tử oxygen (Z = 8): (A)

1s^2 2s^2 2p^4

; (B)

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

; (C)

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

; (D)

1s^2 2s^4 2p^2

aCách viết nào biểu diễn nguyên tử oxygen ở trạng thái cơ bản?
bBa cách viết còn lại sai hoặc khác ở điểm nào?

1Bước 1: Việc đầu tiên luôn là đếm tổng số electron, vì một cấu hình chỉ có thể mô tả oxygen trung hòa khi tổng đó bằng 8. Phương án (A) cho

2 + 2 + 4 = 8

, phương án (B) cho

2 + 2 + 3 + 1 = 8

, phương án (D) cho

2 + 4 + 2 = 8

, riêng phương án (C) cho

2 + 2 + 6 = 10

. Như vậy (C) bị loại ngay từ phép cộng đơn giản này, còn ba phương án kia vẫn phải xét tiếp.

2Bước 2: Tiếp theo ta kiểm tra sức chứa của từng phân lớp: phân lớp

s

chỉ có một orbital nên tối đa hai electron, phân lớp

p

có ba orbital nên tối đa sáu. Phương án (D) ghi

2s^4

, tức là nhét bốn electron vào một orbital duy nhất, điều mà nguyên lý loại trừ Pauli (Pauli exclusion principle) cấm tuyệt đối. Vì vậy (D) không mô tả bất kì trạng thái nào của oxygen, kể cả trạng thái kích thích.

3Bước 3: Chỉ còn (A) và (B), và cả hai đều hợp lệ về số electron lẫn sức chứa; điều phân biệt chúng là năng lượng. Trạng thái cơ bản đòi hỏi các electron lấp đầy từ dưới lên, mà phân lớp

2p

còn tới ba chỗ trống thì không electron nào được phép nhảy lên

3s

. Cấu hình (B) đã đưa một electron lên mức cao hơn trong khi mức thấp chưa đầy, nên nó mô tả một trạng thái kích thích (excited state) — nguyên tử này kém bền và sẽ phát ra photon để rơi về (A).

Phương án (A), tức $1s^2 2s^2 2p^4$ , là cấu hình của nguyên tử oxygen ở trạng thái cơ bản. Phương án (B) vẫn có đủ 8 electron nhưng một electron đã bị đẩy lên $3s$ khi $2p$ chưa đầy nên đó là trạng thái kích thích; phương án (C) ứng với 10 electron nên mô tả ion $\mathrm{O}^{2-}$ chứ không phải nguyên tử trung hòa; phương án (D) vi phạm sức chứa tối đa của phân lớp $s$ nên hoàn toàn không tồn tại.