Obitan nguyên tử là gì? Khái niệm AO và bài tập

Trả lời nhanh

Orbital (obitan) nguyên tử, kí hiệu là AO (Atomic Orbital), là khu vực không gian xung quanh hạt nhân mà tại đó xác suất có mặt của electron là lớn nhất (thường lấy khoảng 90%). Electron không chuyển động theo quỹ đạo cố định như hành tinh, nên ta chỉ nói về “vùng có khả năng gặp electron cao nhất”.

Hiểu đúng khái niệm obitan nguyên tử

Trong mô hình hiện đại, electron chuyển động rất nhanh quanh hạt nhân và ta không thể xác định chính xác vị trí của nó tại một thời điểm. Thay vào đó, ta chỉ tính được xác suất tìm thấy electron ở mỗi vùng không gian.

Vùng không gian mà xác suất đó cao nhất (khoảng 90%) được gọi là orbital nguyên tử. Hình ảnh quen thuộc là “đám mây electron” có chỗ đậm (dễ gặp electron), chỗ nhạt (khó gặp).

Obitan khác quỹ đạo ở điểm nào?

Quỹ đạo (mô hình Bo cũ): đường tròn xác định, electron đi đúng đường đó.
Obitan (mô hình hiện đại): vùng không gian ba chiều, chỉ cho biết khả năng gặp electron.

Lỗi hay gặp: viết “obitan là quỹ đạo chuyển động của electron”. Cách nói này sai, vì electron không có quỹ đạo xác định.

Hình dạng các obitan s, p

Obitan s: dạng hình cầu, tâm là hạt nhân. Phân lớp s chỉ có 1 AO. Số lớp càng lớn (1s, 2s, 3s…) thì hình cầu càng to.
Obitan p: dạng hình số tám nổi (hai thuỳ), có 3 AO là p_x, p_y, p_z định hướng theo ba trục vuông góc nhau, cùng mức năng lượng.
Obitan d: phức tạp hơn, có 5 AO. Obitan f có 7 AO (chỉ cần biết số lượng).

Hình minh hoạ obitan s hình cầu và obitan px hình số tám nổi dọc trục x — Obitan s có dạng hình cầu, obitan p có hai thuỳ định hướng theo một trục.

Số AO và số electron tối đa

Mỗi AO chứa tối đa 2 electron, và hai electron đó có chiều tự quay (spin) ngược nhau. Từ đó ta có bảng:

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

Với lớp electron thứ n, số AO là n² và số electron tối đa là 2n². Ví dụ: lớp K (n = 1) có 1 AO; lớp L (n = 2) có 4 AO (1 AO s và 3 AO p); lớp M (n = 3) có 9 AO (1 s + 3 p + 5 d).

Mẹo nhớ: số AO của các phân lớp s, p, d, f là dãy số lẻ 1 – 3 – 5 – 7.

Ô lượng tử và electron độc thân

Người ta biểu diễn mỗi AO bằng một ô vuông (ô lượng tử), electron là mũi tên ↑ hoặc ↓. AO có 2 electron ghép đôi (↑↓) gọi là AO đầy; AO chỉ có 1 electron gọi là electron độc thân. Khi điền electron vào các AO cùng mức năng lượng, các electron ưu tiên chiếm riêng từng ô trước rồi mới ghép đôi (quy tắc Hund).

Bài tập vận dụng

Bài 1. Lớp M (n = 3) có bao nhiêu AO, chứa tối đa bao nhiêu electron?

Đáp án: Số AO = 3² = 9; số electron tối đa = 2 × 9 = 18.

Bài 2. Phân lớp 3p chứa tối đa bao nhiêu electron? Vì sao?

Đáp án: 6 electron, vì phân lớp p có 3 AO, mỗi AO chứa tối đa 2 electron.

Bài 3. Nguyên tử Cl (Z = 17) có cấu hình 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵. Có bao nhiêu AO đã chứa electron? Bao nhiêu electron độc thân?

Đáp án: AO có electron: 1 (1s) + 1 (2s) + 3 (2p) + 1 (3s) + 3 (3p) = 9 AO. Phân lớp 3p có 5 electron nên điền thành ↑↓, ↑↓, ↑ → có 1 electron độc thân (8 AO đầy, 1 AO chứa 1 electron; kiểm tra: 8 × 2 + 1 = 17).

Tóm tắt cần nhớ

AO là vùng không gian quanh hạt nhân có xác suất gặp electron lớn nhất (khoảng 90%).
s: 1 AO hình cầu; p: 3 AO hình số tám nổi; d: 5 AO; f: 7 AO.
Mỗi AO tối đa 2 electron có spin ngược nhau.
Lớp n có n² AO, tối đa 2n² electron.

Câu hỏi thường gặp

Orbital nguyên tử kí hiệu là gì?

Orbital nguyên tử được kí hiệu là AO (viết tắt của Atomic Orbital). Mỗi AO được biểu diễn bằng một ô vuông gọi là ô lượng tử.

Một obitan nguyên tử chứa tối đa bao nhiêu electron?

Tối đa 2 electron, và hai electron này phải có chiều tự quay (spin) ngược nhau.

Obitan s và obitan p khác nhau thế nào?

Obitan s có dạng hình cầu và mỗi phân lớp s chỉ có 1 AO. Obitan p có dạng hình số tám nổi, mỗi phân lớp p có 3 AO định hướng theo ba trục x, y, z.

Lớp electron thứ n có bao nhiêu obitan?

Lớp thứ n có n² obitan nguyên tử, chứa tối đa 2n² electron. Ví dụ lớp n = 3 có 9 AO và tối đa 18 electron.