Cấu hình electron của nguyên tử: cách viết và ví dụ

Trả lời nhanh

Cấu hình electron của nguyên tử biểu diễn sự phân bố electron vào các lớp và phân lớp (1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d…) theo thứ tự mức năng lượng tăng dần. Số electron của phân lớp ghi ở phía trên bên phải, ví dụ Na (Z = 11): 1s²2s²2p⁶3s¹. Tổng các số mũ bằng số electron, cũng là số hiệu nguyên tử Z.

Cấu hình electron của nguyên tử là gì?

Mỗi nguyên tử trung hòa có số electron bằng số proton (bằng Z). Các electron này không đứng lộn xộn mà xếp vào các lớp (n = 1, 2, 3…) và phân lớp (s, p, d, f). Cách ghi lại sự sắp xếp đó chính là cấu hình electron.

Cách đọc: trong “2p⁴“, số 2 là lớp thứ hai, chữ p là phân lớp p, số 4 là số electron trong phân lớp đó.

Số electron tối đa và thứ tự mức năng lượng

Phân lớp	s	p	d	f
Số orbital	1	3	5	7
Số electron tối đa	2	6	10	14

Thứ tự điền electron (mức năng lượng tăng dần) với các nguyên tố thường gặp:

1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s…

Chú ý: 4s được điền trước 3d vì 4s có mức năng lượng thấp hơn. Tuy nhiên khi viết cấu hình, ta thường xếp theo lớp: 3d rồi mới đến 4s.

Ba nguyên lý và quy tắc cần nhớ

Nguyên lý vững bền: electron chiếm mức năng lượng thấp trước, rồi mới lên mức cao hơn.
Nguyên lý Pauli: mỗi orbital chứa tối đa 2 electron, hai electron này có chiều tự quay ngược nhau.
Quy tắc Hund: trong cùng một phân lớp, các electron phân bố vào các orbital sao cho số electron độc thân là nhiều nhất và các electron độc thân có chiều tự quay giống nhau.

Ví dụ với N (2p³): ba electron ở 2p nằm riêng trong ba orbital p, nên N có 3 electron độc thân, không ghép đôi thành 2 + 1.

Các bước viết cấu hình electron

Xác định Z, suy ra số electron.
Điền lần lượt theo thứ tự mức năng lượng, mỗi phân lớp đủ số electron tối đa rồi mới sang phân lớp tiếp theo.
Sắp xếp lại theo lớp (1, 2, 3…) và kiểm tra tổng số electron.

Ví dụ: Cl (Z = 17) → 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵; kiểm tra 2 + 2 + 6 + 2 + 5 = 17.

Cách viết gọn: lấy cấu hình của khí hiếm đứng trước đặt trong ngoặc vuông, ví dụ Cl: [Ne]3s²3p⁵.

Bảng cấu hình electron của các nguyên tố thường gặp

Z	Nguyên tố	Cấu hình electron
1	H	1s¹
2	He	1s²
3	Li	1s²2s¹
4	Be	1s²2s²
5	B	1s²2s²2p¹
6	C	1s²2s²2p²
7	N	1s²2s²2p³
8	O	1s²2s²2p⁴
9	F	1s²2s²2p⁵
10	Ne	1s²2s²2p⁶
11	Na	[Ne]3s¹
12	Mg	[Ne]3s²
13	Al	[Ne]3s²3p¹
14	Si	[Ne]3s²3p²
15	P	[Ne]3s²3p³
16	S	[Ne]3s²3p⁴
17	Cl	[Ne]3s²3p⁵
18	Ar	[Ne]3s²3p⁶
19	K	[Ar]4s¹
20	Ca	[Ar]4s²
24	Cr	[Ar]3d⁵4s¹
26	Fe	[Ar]3d⁶4s²
29	Cu	[Ar]3d¹⁰4s¹
30	Zn	[Ar]3d¹⁰4s²

Hai ngoại lệ hay gặp: Cr và Cu

Theo thứ tự thông thường, Cr phải là 3d⁴4s² và Cu là 3d⁹4s². Thực tế một electron từ 4s chuyển sang 3d để phân lớp 3d đạt trạng thái bán bão hòa (d⁵) hoặc bão hòa (d¹⁰), bền hơn. Vì vậy Cr là [Ar]3d⁵4s¹ và Cu là [Ar]3d¹⁰4s¹.

Cấu hình electron của ion

Cation: nguyên tử nhường electron từ lớp ngoài cùng trước. Na⁺: 1s²2s²2p⁶.
Anion: nguyên tử nhận thêm electron vào phân lớp ngoài cùng. Cl^–: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶.
Kim loại chuyển tiếp: mất electron ở 4s trước, rồi mới đến 3d. Fe²⁺: [Ar]3d⁶; Fe³⁺: [Ar]3d⁵; Cu²⁺: [Ar]3d⁹.

Từ cấu hình electron suy ra tính chất

Chỉ cần nhìn số electron lớp ngoài cùng:

1, 2, 3 electron: thường là kim loại (trừ H, He và B).
5, 6, 7 electron: thường là phi kim.
4 electron: có thể là kim loại hoặc phi kim (C, Si là phi kim; Sn, Pb là kim loại).
8 electron (He là 2): khí hiếm, bền, rất khó phản ứng.

Lỗi sai thường gặp

Điền 3d trước 4s khi điền electron (đúng: 4s trước, 3d sau).
Quên ngoại lệ Cr, Cu.
Viết cấu hình ion Fe³⁺ bằng cách bỏ electron ở 3d thay vì 4s.
Không cộng lại tổng số electron để kiểm tra.

Bài luyện tập

Bài 1. Viết cấu hình electron của nguyên tử S (Z = 16), cho biết S là kim loại hay phi kim.

Đáp án: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴. Lớp ngoài cùng có 6 electron nên S là phi kim.

Bài 2. Ion X²⁺ có cấu hình 1s²2s²2p⁶. Xác định X.

Đáp án: X²⁺ có 10 electron, X đã nhường 2 electron nên nguyên tử X có 12 electron, Z = 12, X là magie (Mg), cấu hình [Ne]3s².

Bài 3. Nguyên tử nào trong các nguyên tử C, N, O có nhiều electron độc thân nhất?

Đáp án: C (2p²) có 2, N (2p³) có 3, O (2p⁴) có 2 electron độc thân. Vậy N nhiều nhất.

Câu hỏi thường gặp

Cấu hình electron của nguyên tử biểu diễn điều gì?

Nó biểu diễn sự phân bố electron của nguyên tử vào các lớp và phân lớp theo thứ tự mức năng lượng tăng dần, ví dụ O (Z = 8): 1s²2s²2p⁴.

Vì sao điền 4s trước 3d?

Vì mức năng lượng của phân lớp 4s thấp hơn 3d nên electron chiếm 4s trước. Khi tạo cation, electron ở 4s cũng bị mất trước.

Cấu hình electron của Cr và Cu có gì đặc biệt?

Cr là [Ar]3d⁵4s¹ và Cu là [Ar]3d¹⁰4s¹ vì một electron 4s chuyển sang 3d để đạt cấu hình bán bão hòa hoặc bão hòa, bền hơn.

Làm sao biết nguyên tố là kim loại hay phi kim từ cấu hình electron?

Đếm số electron lớp ngoài cùng: 1–3 electron thường là kim loại, 5–7 electron thường là phi kim, 8 electron (He là 2) là khí hiếm.