Cấu hình electron

Phân bố electron trong nguyên tử bạc.

Electron trong orbital nguyên tử hoặc phân tử.

Một mô hình Bohr về lithi.

Trong vật lý nguyên tử và hóa học lượng tử, cấu hình electron là sự phân bố các electron của một nguyên tử hoặc phân tử (hoặc cấu trúc vật chất khác) trong orbital nguyên tử hoặc phân tử.[1] Ví dụ, cấu hình electron của nguyên tử neon là 1s^2 2s^2 2p^6, nghĩa là các phân lớp 1s, 2s và 2p lần lượt có 2, 2 và 6 electron.

Số lượng tử và lớp

Trạng thái của mỗi electron trong lớp vỏ có thể được biểu diễn qua 4 số lượng tử (cả mô hình nguyên tử Bohr và orbital):

Tên gọi	Ký hiệu	Giá trị	Danh hiệu	Ví dụ
Số lượng tử chính	n	1, 2, 3, 4,...	Lớp chính K, L, M, N,...	3
Số lượng tử quỹ đạo	l	0,..., n-1	Lớp hay phân lớp s, p, d, f,...	0, 1, 2
Số lượng tử từ	m	-l,... 0,..., l		-2, -1, 0, 1, 2
Số lượng tử spin	s	-1/2, +1/2		-1/2, +1/2

Theo nguyên lý Pauli, 4 số lượng tử của từng cặp electron trong nguyên tử không được trùng nhau, giải thích cho sự phân bố của chúng trong các lớp khác nhau. Điều này cũng có nghĩa là, trên cùng một phân lớp, không có 2 electron có chiều tự quay giống nhau.

Số lượng tử chính n hình thành nên các lớp chính, trong mỗi lớp chính có n phân lớp. Các electron trên cùng một lớp thì có mức năng lượng xấp xỉ nhau, và trên cùng một phân lớp thì có năng lượng bằng nhau. Tổng số electron ở mỗi lớp chính phụ thuộc vào bộ 4 số lượng tử n, l, m và s nhưng tối đa là 2n^2 electron.

Lớp electron ngoài cùng (lớp hóa trị) của các nguyên tố chứa các electron hóa trị, các electron này quyết định các tính chất hóa học cũng như tính chất vật lý của chúng.

Điền electron vào các lớp

Thứ tự điền electron vào các lớp theo các mức năng lượng khác nhau.

Các electron sẽ điền theo thứ tự vào các lớp có năng lượng từ thấp đến cao, bắt đầu là lớp 1s. Ngoài ra theo quy tắc Hund, các lớp electron có cùng mức năng lượng thì ban đầu được điền đơn, sao cho số electron độc thân là lớn nhất, sau đấy mới được điền đôi.

Sự điền electron vào các lớp không chỉ phụ thuộc hoàn toàn vào vị trí hay khoảng cách của chúng đến hạt nhân mà còn phụ thuộc vào mức năng lượng của các lớp.

Ví dụ: titan có Z = 22, cấu hình theo thứ tự các lớp 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^4 4s^0 nhưng do năng lượng của lớp 4s thấp hơn lớp 3d nên 4 electron còn lại sẽ điền đầy vào lớp 4s (2) trước, sau đấy mới đến lớp 3d (2), cấu hình đúng của titan là 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^2 4s^2

Ngoại lệ:

• Nguyên tố lanthan, Z = 57 lớp ngoài cùng 6s^2 4f^1, electron tự do cuối cùng điền vào 5d trước khi vào 4f, tương tự trong nguyên tử Ac thì 6d trước 5f.
• Trong nguyên tử Cr và Cu một electron trong lớp có năng lượng thấp 4s điền vào lớp có năng lượng cao hơn 3d, chúng có cấu hình lớp ngoài cùng là 3d^5 4s^1 và 3d^10 4s^1
• Các trường hợp ngoại lệ khác Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, Au, Gd, các actini từ Ac đến Np và Cm

Liên hệ đến bảng tuần hoàn

18 nhóm chính (nhóm mới) trong bảng tuần hoàn được phân ra dựa theo số electron trong các lớp ngoài cùng:

• lớp s: nhóm 1 (s^1) - 2 (s^2)
• lớp p: nhóm 13 (p^1) - 18 (p^6) (Trừ He, H)
• lớp d: nhóm 3 (d^1) - 12 (d^10)

Số chu kỳ bằng số lớp n, với ns là lớp ngoài cùng.

Cấu hình electron của một số nguyên tố

Cấu hình electron của các nguyên tố thường được viết dưới dạng kèm theo cấu hình electron của các khí hiếm có số thứ tự nhỏ hơn đứng gần nó cộng với các lớp còn lại. Ví dụ, cấu hình electron của magiê (Z = 12): [Ne] 3s^2 thì được hiểu 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2.

Khí hiếm

Nguyên tố	Z	Cấu hình electron
Heli	2	1s^2
Neon	10	1s^2 2s^2 2p^6
Argon	18	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6
Krypton	36	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^10 4s^2 4p^6
Xenon	54	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^10 4s^2 4p^6 4d^105s^25p^6
Radon	86	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^10 4s^2 4p^6 4d^105s^25p^6 4f­^14 5d^106s^26p^6

Z từ 1 đến 17

Nguyên tố	Z	Cấu hình electron	Cấu hình viết tắt
Hydro	1	1s^1
Lithi	3	1s^22s^1
Beryli	4	1s^22s^2
Bo	5	1s^2 2s^2 2p^1	[He] 2s^2 2p^1
Cacbon	6	1s^2 2s^2 2p^2	[He] 2s^2 2p^2
Nito	7	1s^2 2s^2 2p^3	[He] 2s^2 2p^3
Oxi	8	1s^2 2s^2 2p^4	[He] 2s^2 2p^4
fluor	9	1s^2 2s^2 2p^5	[He] 2s^2 2p^5
Natri	11	1s^2 2s^2 2p^6 3s^1	[Ne] 3s^1
Magie	12	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2	[Ne] 3s^2
Nhôm	13	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^1	[Ne] 3s^2 3p^1
Silic	14	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^2	[Ne] 3s^2 3p^2
Phosphor	15	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^3	[Ne] 3s^2 3p^3
Lưu huỳnh	16	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^4	[Ne] 3s^2 3p^4
Clo	17	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5	[Ne] 3s^2 3p^5

Z từ 21 đến 38

Nguyên tố	Z	Cấu hình electron	Cấu hình viết tắt
Scandi	21	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^1	[Ar] 4s^2 3d^1
Titanium	22	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^2	[Ar] 4s^2 3d^2
Vanadi	23	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^3	[Ar] 4s^2 3d^3
Crôm	24	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^1 3d^5	[Ar] 4s^1 3d^5
Mangan	25	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^5	[Ar] 4s^2 3d^5
Sắt	26	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^6	[Ar] 4s^2 3d^6
Coban	27	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^7	[Ar] 4s^2 3d^7
Niken	28	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^8	[Ar] 4s^2 3d^8
Đồng	29	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^1 3d^10	[Ar] 4s^1 3d^10
Kẽm	30	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^10	[Ar] 4s^2 3d^10
Gali	31	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^10 4p^1	[Ar] 4s^2 3d^10 4p^1

Z từ 39 đến 49

Nguyên tố	Z	Cấu hình electron	Cấu hình viết tắt
Ytri	39	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^10 4p^6 5s^2 4d^1	[Kr] 5s^2 4d^1
Zirconi	40	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^10 4p^6 5s^2 4d^2	[Kr] 5s^2 4d^2
Niobi	41	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^10 4p^6 5s^1 4d^4	[Kr] 5s^1 4d^4
Molybden	42	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^10 4p^6 5s^1 4d^5	[Kr] 5s^1 4d^5
Tecneti	43	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^10 4p^6 5s^2 4d^5	[Kr] 5s^2 4d^5
Rutheni	44	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^10 4p^6 5s^1 4d^7	[Kr] 5s^1 4d^7
Rhodi	45	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^10 4p^6 5s^1 4d^8	[Kr] 5s^1 4d^8
Palladi	46	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^10 4p^6 4d^10	[Kr] 4d^10
Bạc	47	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^10 4p^6 5s^1 4d^10	[Kr] 5s^1 4d^10
Cadmi	48	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^10 4p^6 5s^2 4d^10	[Kr] 5s^2 4d^10
Indi	49	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^10 4p^6 5s^2 4d^10 5p^1	[Kr] 4d^10 5s^2 5p^1

Xem thêm

• Bảng tuần hoàn
• Số lượng tử
• Danh sách các nguyên tố hoá học

Tham khảo

1. IUPAC, Compendium of Chemical Terminology (Giản lược thuật ngữ hoá học), bản thứ 2 ("Gold Book") (1997). Bản đã chỉnh sửa trực tuyến: (2006–) "configuration (electronic)". doi:10.1351/goldbook.C01248