Cấu hình electron

Electron trong orbital nguyên tử hoặc phân tử.

Trong vật lý nguyên tử và hóa học lượng tử, cấu hình electron là sự phân bố các electron của một nguyên tử hoặc phân tử (hoặc cấu trúc vật chất khác) trong orbital nguyên tử hoặc phân tử.^[1] Ví dụ, cấu hình electron của nguyên tử neon là 1s² 2s² 2p⁶, nghĩa là các phân lớp 1s, 2s và 2p lần lượt có 2, 2 và 6 electron.

Số lượng tử và lớp[sửa | sửa mã nguồn]

Trạng thái của mỗi electron trong lớp vỏ có thể được biểu diễn qua 4 số lượng tử (cả mô hình nguyên tử Bohr và orbital):

Tên gọi	Ký hiệu	Giá trị	Danh hiệu	Ví dụ
Số lượng tử chính	n	1, 2, 3, 4,...	Lớp chính K, L, M, N,...	3
Số lượng tử quỹ đạo	l	0,..., n-1	Lớp hay phân lớp s, p, d, f,...	0, 1, 2
Số lượng tử từ	m	-l,... 0,..., l		-2, -1, 0, 1, 2
Số lượng tử spin	s	-1/2, +1/2		-1/2, +1/2

Theo nguyên lý Pauli, 4 số lượng tử của từng cặp electron trong nguyên tử không được trùng nhau, giải thích cho sự phân bố của chúng trong các lớp khác nhau. Điều này cũng có nghĩa là, trên cùng một phân lớp, không có 2 electron có chiều tự quay giống nhau.

Số lượng tử chính n hình thành nên các lớp chính, trong mỗi lớp chính có n phân lớp. Các electron trên cùng một lớp thì có mức năng lượng xấp xỉ nhau, và trên cùng một phân lớp thì có năng lượng bằng nhau. Tổng số electron ở mỗi lớp chính phụ thuộc vào bộ 4 số lượng tử n, l, m và s nhưng tối đa là 2n² electron.

Lớp electron ngoài cùng (lớp hóa trị) của các nguyên tố chứa các electron hóa trị, các electron này quyết định các tính chất hóa học cũng như tính chất vật lý của chúng.

Điền electron vào các lớp[sửa | sửa mã nguồn]

Thứ tự điền electron vào các lớp theo các mức năng lượng khác nhau.

Các electron sẽ điền theo thứ tự vào các lớp có năng lượng từ thấp đến cao, bắt đầu là lớp 1s. Ngoài ra theo quy tắc Hund, các lớp electron có cùng mức năng lượng thì ban đầu được điền đơn, sao cho số electron độc thân là lớn nhất, sau đấy mới được điền đôi.

Sự điền electron vào các lớp không chỉ phụ thuộc hoàn toàn vào vị trí hay khoảng cách của chúng đến hạt nhân mà còn phụ thuộc vào mức năng lượng của các lớp.

Ví dụ: titan có Z = 22, cấu hình theo thứ tự các lớp 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁴ 4s⁰ nhưng do năng lượng của lớp 4s thấp hơn lớp 3d nên 4 electron còn lại sẽ điền đầy vào lớp 4s (2) trước, sau đấy mới đến lớp 3d (2), cấu hình đúng của titan là 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d² 4s²

Ngoại lệ:

Nguyên tố lanthan, Z = 57 lớp ngoài cùng 6s² 4f¹, electron tự do cuối cùng điền vào 5d trước khi vào 4f, tương tự trong nguyên tử Ac thì 6d trước 5f.
Trong nguyên tử Cr và Cu một electron trong lớp có năng lượng thấp 4s điền vào lớp có năng lượng cao hơn 3d, chúng có cấu hình lớp ngoài cùng là 3d⁵ 4s¹ và 3d¹⁰ 4s¹
Các trường hợp ngoại lệ khác Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, Au, Gd, các actini từ Ac đến Np và Cm

Liên hệ đến bảng tuần hoàn[sửa | sửa mã nguồn]

18 nhóm chính (nhóm mới) trong bảng tuần hoàn được phân ra dựa theo số electron trong các lớp ngoài cùng:

lớp s: nhóm 1 (s¹) - 2 (s²)
lớp p: nhóm 13 (p¹) - 18 (p⁶) (Trừ He, H)
lớp d: nhóm 3 (d¹) - 12 (d¹⁰)

Số chu kỳ bằng số lớp n, với ns là lớp ngoài cùng.