Lớp, phân lớp và orbital nguyên tử

Hình s, p và sức chứa n², 2n²

Mục tiêu

Phân biệt mô hình hành tinh (Rutherford – Bohr) với mô hình hiện đại; nêu khái niệm orbital nguyên tử (AO).
Nhận ra hình dạng orbital s (cầu) và p (hai thuỳ, ba hướng $x$ , $y$ , $z$ ).
Xác định số phân lớp, số orbital và số electron tối đa của một lớp hay phân lớp.

Khởi động

Ta thường vẽ electron quay quanh hạt nhân như hành tinh quay quanh Mặt Trời. Nhưng electron quá nhỏ và nhanh để có quỹ đạo xác định: ta chỉ nói được vùng không gian nào electron hay xuất hiện nhất. Vùng ấy có hình gì, và chứa được bao nhiêu electron?

01Kiến thức cần nhớ

1. Từ quỹ đạo đến orbital

Mô hình Rutherford – Bohr: electron chuyển động trên các quỹ đạo tròn quanh hạt nhân. Dễ hình dung nhưng chỉ gần đúng.
Mô hình hiện đại: electron chuyển động không theo quỹ đạo cố định mà tạo thành "đám mây electron"; chỗ nào đám mây dày hơn thì xác suất tìm thấy electron lớn hơn.
Orbital nguyên tử (AO) là khu vực không gian xung quanh hạt nhân, trong đó xác suất tìm thấy electron là lớn nhất (thường lấy khoảng $90\%$ ). Mỗi orbital chứa tối đa $2$ electron, hai electron đó ngược chiều tự quay (spin).

Tương tácOrbital nguyên tử trong 3D

d (mở rộng)

Hai thuỳ dọc trục x (một thuỳ dương xanh, một thuỳ âm đỏ), nút ở hạt nhân.

Màu xanh: dấu +, màu đỏ: dấu − của hàm sóng (không phải điện tích). Chấm sáng: mỗi chấm là một lần “bắt gặp” electron; chỗ dày chấm là xác suất lớn.

Chọn orbital, kéo để xoay. Thử “Đám mây electron”: các chấm dày ở đâu thì electron hay ở đó. Chọn “cả ba” để thấy ba orbital p vuông góc nhau, rồi bật “Trục x, y, z”.

2. Hình dạng orbital

Orbital s: hình cầu, tâm là hạt nhân. Orbital $1s$ nhỏ nhất, $2s$ lớn hơn.
Orbital p: hình hai thuỳ (như số 8 nổi), hai thuỳ nằm hai phía hạt nhân; có ba orbital $p_x$ , $p_y$ , $p_z$ vuông góc nhau theo các trục toạ độ, cùng năng lượng và cùng kích thước.
Orbital d, f có hình phức tạp hơn (xem Mở rộng).

3. Lớp và phân lớp electron

Các electron trong nguyên tử chia thành lớp theo mức năng lượng tăng dần, đánh số $n = 1, 2, 3, 4,\dots$ (tên K, L, M, N...). Mỗi lớp chia thành phân lớp kí hiệu $s, p, d, f$ theo năng lượng tăng dần.

Với bốn lớp đầu, số phân lớp của lớp $n$ bằng $n$ :

Lớp $n$	Tên	Các phân lớp
$1$	K	$1s$
$2$	L	$2s,\ 2p$
$3$	M	$3s,\ 3p,\ 3d$
$4$	N	$4s,\ 4p,\ 4d,\ 4f$

4. Số orbital và số electron tối đa

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

Cộng theo các phân lớp của lớp $n$ ( $n \le 4$ ): số orbital $= n^2$ , số electron tối đa $= 2n^2$ .

Lớp	$1$	$2$	$3$	$4$
Số orbital $n^2$	$1$	$4$	$9$	$16$
Electron tối đa $2n^2$	$2$	$8$	$18$	$32$

Tương tácLớp và phân lớp

Lớp 3 (M) : 3 s, 3 p, 3 d

s o ˆ ˊ ph a ˆ n lớp = 3

orbital = 1 + 3 + 5 = 9 = 3^{2}

e_{m a x} = 2 \cdot 9 = 18 = 2 \cdot 3^{2}

Chọn n từ 1 đến 4: đếm ô orbital của từng phân lớp thấy n² và 2n². Bấm một ô để xem hình của orbital đó.

02Tóm tắt

Ý	Nội dung
Orbital	Vùng không gian xác suất tìm thấy electron lớn nhất; tối đa $2$ electron ngược spin
Hình dạng	s cầu; p hai thuỳ, ba hướng
Lớp $n$	$n$ phân lớp ( $n \le 4$ ), $n^2$ orbital, tối đa $2n^2$ electron
Phân lớp $s, p, d, f$	$1, 3, 5, 7$ orbital; $2, 6, 10, 14$ electron

03Mở rộng

Năm orbital d có hình bốn múi (bốn thuỳ xen kẽ dấu): bốn orbital $d_{xy}$ , $d_{xz}$ , $d_{yz}$ , $d_{x^2-y^2}$ giống nhau về hình, chỉ khác hướng; orbital $d_{z^2}$ có hai thuỳ dọc trục $z$ và một vòng ở giữa. Dấu $+$ và $-$ của các thuỳ liên quan đến pha của hàm sóng, quan trọng khi hai orbital xen phủ tạo liên kết.

Tiếp theoPhương pháp →