Câu hỏi: Cấu hình electron của nguyên tử X được biểu diễn bằng ô orbital: ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑. Thông tin nào dưới đây không đúng khi nói về cấu hình của nguyên tử X?
- A. Nguyên tử X có 7 electron.
- B. Lớp ngoài cùng có 3 electron.
- C. Nguyên tử X có 3 electron độc thân.
- D. Nguyên tử X có 2 lớp electron.
Đáp án đúng là B. Lớp ngoài cùng có 3 electron. Đọc sơ đồ ô orbital ta đếm được 7 electron, tương ứng cấu hình 1s²2s²2p³. Lớp ngoài cùng (n = 2) gồm phân lớp 2s² và 2p³ nên chứa 5 electron; số 3 chỉ là số electron của riêng phân lớp 2p.
Vì sao thông tin ở phương án B không đúng
Sơ đồ gồm 5 ô orbital: ô 1s (↑↓), ô 2s (↑↓) và ba ô 2p (mỗi ô một mũi tên ↑). Tổng số electron là 2 + 2 + 1 + 1 + 1 = 7, vậy cấu hình electron của nguyên tử X là 1s²2s²2p³ (X là nguyên tố nitơ, Z = 7).
Theo cấu hình này, electron chiếm hai lớp: lớp K (n = 1) và lớp L (n = 2). Lớp ngoài cùng là lớp L, bao gồm cả 2s² lẫn 2p³, nên chứa 5 electron. Phương án B sai vì nhầm “lớp ngoài cùng” với “phân lớp ngoài cùng”: chỉ riêng phân lớp 2p mới có 3 electron.
Vì sao các phương án A, C, D đều là thông tin đúng
Câu hỏi yêu cầu tìm thông tin không đúng, nên ba phương án còn lại phải là các phát biểu chính xác:
- A đúng: đếm trực tiếp các mũi tên trong sơ đồ được 7 electron, trùng với Z = 7.
- C đúng: ba ô 2p mỗi ô chỉ chứa một electron, đó chính là 3 electron độc thân — cách điền tuân theo quy tắc Hund.
- D đúng: electron nằm ở các phân lớp 1s, 2s, 2p thuộc hai lớp n = 1 và n = 2.
Bẫy của câu này nằm ở chỗ số 3 (electron ở 2p) trùng với số electron độc thân, khiến nhiều bạn chọn nhầm B vì tưởng nó đúng. Khi đọc đề, cần phân biệt rõ “lớp” (gồm tất cả phân lớp có cùng số lượng tử n) với “phân lớp” (một nhóm orbital cùng n và l).
Đáp án và giải thích các câu hỏi liên quan
Nguyên lí hay quy tắc nào bị vi phạm trong sơ đồ ô orbital cho trước
Đáp án đúng là C. Nguyên lí Pauli. Trong sơ đồ, có một ô orbital chứa hai electron biểu diễn bằng hai mũi tên cùng chiều, tức hai electron có spin cùng chiều. Nguyên lí Pauli quy định mỗi orbital tối đa 2 electron và chúng phải có spin ngược nhau (một ↑ một ↓), nên sơ đồ này vi phạm nguyên lí Pauli. Các nguyên lí, quy tắc khác không bị vi phạm.
Nhận xét đúng về sự sắp xếp electron trên các orbital của nguyên tử
Đáp án đúng là C. Sơ đồ cho thấy hai electron được xếp vào cùng một ô 2p trong khi các ô 2p khác còn trống, trái với quy tắc Hund: các electron phải được điền vào từng orbital của cùng phân lớp, mỗi orbital một electron với spin cùng chiều, rồi mới ghép đôi sau. Vì vậy cách sắp xếp đúng là một electron trong ô 2p đầu tiên và một electron trong ô 2p thứ hai.
Các phương án còn lại sai: A và D đòi hỏi các mũi tên cùng hướng lên trong cùng một ô, điều vi phạm nguyên lí Pauli vì hai electron chung orbital phải ngược spin; chỉ các electron độc thân ở các ô khác nhau mới cùng chiều. B sai vì sơ đồ đã vi phạm quy tắc Hund nên không thể là sắp xếp chính xác.
Cấu hình electron của Cu (Z = 29)
Đáp án đúng là A. 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹. Nếu điền electron thuần theo thứ tự năng lượng sẽ được 3d⁹4s², nhưng đây là trường hợp ngoại lệ: cấu hình có phân lớp 3d bão hòa (3d¹⁰) kết hợp 4s¹ bền hơn 3d⁹4s², nên một electron của 4s chuyển sang 3d. Đây là hiện tượng bù trừ bão hòa đặc trưng của đồng.
B và C chỉ là cấu hình “điền đúng thứ tự” chưa xét đến độ bền nên không phải cấu hình thực của Cu; D có tất cả 30 electron, sai với Z = 29.
Cấu hình electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tố A (Z = 20)
Đáp án đúng là D. 4s². Nguyên tố A là canxi, có cấu hình electron đầy đủ 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s². Lớp ngoài cùng là lớp N (n = 4) với phân lớp 4s².
A, B, C đều là các phân lớp thuộc lớp M (n = 3), không phải lớp ngoài cùng. Cần nhớ theo quy tắc Klechkovski, phân lớp 4s có năng lượng thấp hơn 3d nên được điền electron trước — vì vậy lớp ngoài cùng của Ca là 4s chứ không liên quan đến 3d.
Cấu hình electron của nguyên tử R biết ion R³⁺ có phân lớp cuối cùng là 3d⁵
Đáp án đúng là B. 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s². Ion R³⁺ có cấu hình [Ar]3d⁵ với 23 electron. Nguyên tử R mất 3 electron để tạo ion, tức nguyên tử R có 26 electron — đó là sắt (Fe) với cấu hình [Ar]3d⁶4s². Khi tạo cation, electron được lấy ra từ lớp ngoài cùng (4s) trước, sau đó mới đến 3d, nên khôi phục lại 3 electron vào 4s² và 3d.
A sai vì 4p không thể được điền khi 3d còn thiếu electron; C có tất cả 24 electron, không khớp với 26; D có phân lớp 4s³ vi phạm nguyên lí Pauli vì orbital s tối đa chỉ chứa 2 electron.
Hệ thống kiến thức cần nhớ
Cả các câu hỏi trên đều xoay quanh ba nguyên lí, quy tắc cơ bản khi biểu diễn cấu hình electron bằng ô orbital:
- Quy tắc Klechkovski: electron điền vào phân lớp theo thứ tự tăng dần mức năng lượng (n + l), ví dụ 4s được điền trước 3d.
- Nguyên lí Pauli: mỗi orbital tối đa 2 electron và hai electron này phải có spin ngược chiều nhau.
- Quy tắc Hund: trong cùng phân lớp, electron điền vào từng orbital một với spin cùng chiều trước, sau đó mới ghép đôi; cách điền này cho số electron độc thân lớn nhất.
- Ngoại lệ cấu hình bền: Crom (Cr, Z = 24) là [Ar]3d⁵4s¹ và Đồng (Cu, Z = 29) là [Ar]3d¹⁰4s¹, do trạng thái bán bão hòa và bão hòa của phân lớp 3d làm nguyên tử bền vững hơn.
- Khi nguyên tử mất electron tạo cation, electron mất ở lớp ngoài cùng trước (ví dụ mất 4s trước 3d).
Mẹo ghi nhớ và nhận diện nhanh
Đọc ô orbital: số mũi tên bằng số electron, mũi tên đơn là electron độc thân, nhóm ô có số lượng tử n lớn nhất chính là lớp ngoài cùng. Phân biệt “lớp ngoài cùng” (nguyên tử đạt lớp electron đã bão hòa hay chưa, thuộc nguyên tố nào) với “phân lớp cuối cùng được điền” (4s đứng trước 3d theo Klechkovski). Với bài toán ion dương, luôn cộng lại số electron mất vào lớp ngoài cùng trước. Cuối cùng, ghi cặp ngoại lệ kinh điển Cr (3d⁵4s¹) và Cu (3d¹⁰4s¹) để không rơi vào phương án nhiễu “điền đúng thứ tự” như 3d⁹4s².
Bài viết liên quan: