Cấu hình e của Fe, Fe2+, Fe3+ chuẩn và dễ nhớ

Trả lời nhanh

Sắt có Z = 26 nên nguyên tử Fe có cấu hình 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s², viết gọn [Ar]3d⁶4s². Ion Fe³⁺ có cấu hình 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵, viết gọn [Ar]3d⁵. Fe nhường 2 electron ở 4s rồi nhường thêm 1 electron ở 3d để tạo Fe³⁺.

Cấu hình electron của nguyên tử Fe

Sắt ở ô số 26 trong bảng tuần hoàn, nghĩa là nguyên tử trung hòa có 26 proton và 26 electron. Ta điền electron theo thứ tự mức năng lượng tăng dần: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d.

1s² → 2 electron (tổng 2)
2s²2p⁶ → 8 electron (tổng 10)
3s²3p⁶ → 8 electron (tổng 18)
4s² → 2 electron (tổng 20)
3d⁶ → 6 electron còn lại (tổng 26)

Khi viết cấu hình, ta sắp xếp lại theo thứ tự lớp: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s², hay [Ar]3d⁶4s².

Từ cấu hình suy ra: Fe thuộc chu kì 4 (có 4 lớp electron), nhóm VIIIB (tổng electron 3d + 4s = 8), là nguyên tố d, kim loại chuyển tiếp. Phân lớp 3d⁶ có 4 electron độc thân.

Cấu hình electron của ion Fe²⁺ và Fe³⁺

Quy tắc quan trọng: khi nguyên tử kim loại tạo cation, electron bị tách ra từ lớp ngoài cùng trước. Với Fe, lớp ngoài cùng là lớp 4 (phân lớp 4s), nên 4s mất trước, sau đó mới đến 3d.

Hạt	Số electron	Cấu hình electron	Số electron độc thân
Fe	26	[Ar]3d⁶4s²	4
Fe²⁺	24	[Ar]3d⁶	4
Fe³⁺	23	[Ar]3d⁵	5

Fe → Fe²⁺ + 2e: mất 2 electron ở 4s, còn lại 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶.
Fe²⁺ → Fe³⁺ + 1e: mất 1 electron ở 3d, còn lại 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵.

Vì sao viết 3d trước 4s nhưng lại mất 4s trước?

Đây là chỗ nhiều bạn thắc mắc. Khi điền electron vào nguyên tử trống, 4s có năng lượng thấp hơn 3d nên được điền trước. Nhưng khi 3d đã có electron, lực hút của hạt nhân làm 3d thấp xuống, còn electron 4s ở xa hạt nhân hơn nên liên kết yếu hơn.

Vì vậy electron 4s dễ bị tách ra hơn. Cách nhớ: điền theo mức năng lượng, nhường theo lớp ngoài cùng.

Vì sao Fe³⁺ bền?

Cấu hình 3d⁵ có mỗi obitan d chứa đúng 1 electron, gọi là cấu hình bán bão hòa, có độ bền tương đối cao. Đó là lí do:

Fe²⁺ dễ bị oxi hóa thành Fe³⁺: 2FeCl₂ + Cl₂ → 2FeCl₃.
Fe dư khử Fe³⁺ về Fe²⁺: Fe + 2FeCl₃ → 3FeCl₂.
Fe tác dụng HNO₃ loãng dư tạo muối Fe(III): Fe + 4HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO↑ + 2H₂O (khí không màu hóa nâu ngoài không khí).

Cách viết nhanh cho mọi ion của kim loại chuyển tiếp

Viết cấu hình của nguyên tử trung hòa (có thể dùng khí hiếm đứng trước, ví dụ [Ar]).
Đưa phân lớp ns ra sau cùng (sắp xếp theo lớp): …3d⁶4s².
Tách electron từ ns trước, rồi mới tới (n−1)d.
Kiểm tra: tổng electron = Z − điện tích dương của ion.

Lỗi sai thường gặp

Viết Fe³⁺ là [Ar]3d³4s² hoặc [Ar]3d⁴4s¹: sai, vì 4s phải mất trước.
Viết Fe²⁺ là [Ar]3d⁴4s²: sai, vì 2 electron mất đi là 2 electron 4s.
Quên đếm đúng số electron của ion (Fe³⁺ có 23, không phải 26 hay 29).
Nhầm vị trí: Fe ở nhóm VIIIB, không phải VIIIA.

Bài tập luyện tập

Bài 1. Viết cấu hình electron của Fe²⁺ và cho biết có bao nhiêu electron độc thân.

Đáp án: Fe²⁺ có 24 electron: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶. Phân lớp 3d⁶ gồm 5 obitan, có 1 obitan chứa cặp electron ghép đôi và 4 obitan chứa 1 electron, nên có 4 electron độc thân.

Bài 2. Ion X³⁺ có cấu hình [Ar]3d⁵. Xác định số hiệu nguyên tử của X.

Đáp án: [Ar] có 18 electron, cộng 5 electron 3d được 23 electron của ion. Nguyên tử X có 23 + 3 = 26 electron nên Z = 26, X là sắt.

Bài 3. Cho biết Cu (Z = 29) có cấu hình [Ar]3d¹⁰4s¹. Viết cấu hình của Cu²⁺.

Đáp án: Cu mất 1 electron ở 4s rồi 1 electron ở 3d, được Cu²⁺: [Ar]3d⁹ (27 electron).

Tóm tắt cần nhớ

Fe (Z = 26): [Ar]3d⁶4s².
Fe²⁺: [Ar]3d⁶.
Fe³⁺: [Ar]3d⁵ (bán bão hòa, 5 electron độc thân).
Tạo cation: mất electron ở lớp ngoài cùng (4s) trước.

Câu hỏi thường gặp

Cấu hình electron của Fe3+ là gì?

Fe3+ có 23 electron: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5, viết gọn là [Ar]3d5.

Vì sao Fe mất electron ở 4s trước rồi mới đến 3d?

Electron 4s nằm ở lớp ngoài cùng, xa hạt nhân hơn nên liên kết yếu hơn electron 3d. Vì vậy khi tạo cation, electron 4s bị tách ra trước.

Fe3+ có bao nhiêu electron độc thân?

Fe3+ có cấu hình 3d5 nên 5 obitan d đều chứa 1 electron, tức là có 5 electron độc thân.

Fe nằm ở ô, chu kì, nhóm nào trong bảng tuần hoàn?

Fe ở ô 26, chu kì 4, nhóm VIIIB vì có 4 lớp electron và tổng electron 3d + 4s bằng 8.