1. Khám phá Electron
Electron là một hạt nhỏ mang điện tích âm, tồn tại trong nguyên tử và xoay quanh hạt nhân. Nguyên tử gồm một hạt nhân mang điện tích dương ở trung tâm và các electron mang điện tích âm di chuyển xung quanh. Mỗi electron mang điện tích là -1,6.10-19 Coulomb (được kí hiệu là C) và có khối lượng là 9,1.10-31 kg. Chúng ta kí hiệu electron là “e”.
Electron có những đặc tính sau:
1. Nếu một nguyên tử có số proton (p) và số electron (e) bằng nhau, thì nguyên tử đó sẽ trung hòa về điện. Điều này bởi vì điện tích âm của electron bị trung hòa bởi điện tích dương của proton.
2. Electron luôn xoay quanh hạt nhân theo các quỹ đạo cố định.
3. Lực hút từ hạt nhân mang điện tích dương tác động lên electron mang điện tích âm. Đây là lực hướng tâm giúp electron xoay quanh hạt nhân.
4. Các electron gần hạt nhân có liên kết mạnh với hạt nhân và khó bị loại bỏ khỏi nguyên tử.
2. Tính chất và Bản chất của Electron:
2.1. Tính chất:
– Electron có tính chất của cả hạt và sóng. Chúng có thể bị nhiễu xạ như photon, nhưng cũng có thể va chạm và tách ra.
– Trong thuyết nguyên tử, electron được miêu tả xoay quanh một hạt nhân proton/neutron trong các lớp vỏ. Tuy nhiên, thực tế là electron có thể được tìm thấy ở bất kỳ vị trí nào trong nguyên tử hoặc lớp vỏ của nó.
2.2. Bản chất:
Mức năng lượng của electron:
Để loại bỏ một electron khỏi quỹ đạo, cần một lượng năng lượng nhất định. Loại bỏ một electron khỏi quỹ đạo thứ nhất cần nhiều năng lượng hơn so với loại bỏ một electron khỏi quỹ đạo bên ngoài cùng. Điều này là do lực hút từ hạt nhân lên electron ở quỹ đạo thứ nhất lớn hơn lực hút từ hạt nhân lên electron ở quỹ đạo bên ngoài. Tương tự, loại bỏ một electron khỏi quỹ đạo thứ hai cần nhiều năng lượng hơn so với loại bỏ một electron khỏi quỹ đạo thứ ba.
Mức năng lượng của electron được kí hiệu bằng các chữ cái K, L, M, N… Thứ tự các mức năng lượng được sắp xếp như sau: K < L < M < N… trong đó K là quỹ đạo gần hạt nhân nhất và có năng lượng thấp nhất, còn quỹ đạo N bên ngoài cùng là quỹ đạo có năng lượng cao nhất.
Các mức năng lượng trong cùng một nguyên tử được sắp xếp theo thứ tự tăng dần. Electron của nguyên tử chiếm các mức năng lượng từ thấp đến cao. Các lớp vỏ cũng được sắp xếp theo thứ tự tăng dần theo s, p, d, f…
Thứ tự các lớp con theo chiều tăng năng lượng là 1s 2s 3s 3p 4s 3d 4p 5s… Khi điện tích của hạt nhân tăng, mức năng lượng cũng tăng. Vì vậy, mức năng lượng của 4s thấp hơn mức năng lượng của 3d.
3. Cấu hình của Electron:
Cấu hình electron là sự phân bố các lớp vỏ electron trong nguyên tử ở các trạng thái năng lượng khác nhau. Cấu hình vỏ nguyên tử cho phép xác định các tính chất cơ bản của một nguyên tố.
Phân bố electron theo các mức năng lượng:
Mỗi nguyên tử có một mức năng lượng khác nhau. Do đó, electron được phân chia và phân bố ở các mức năng lượng nhất định. Các electron được sắp xếp theo thứ tự tăng dần mức năng lượng:
– Cấu hình electron của nguyên tử ở trạng thái cơ bản được sắp xếp theo thứ tự tăng dần mức năng lượng.
– Các mức năng lượng được sắp xếp theo thứ tự lớp s, p, d, f.
– Mỗi phân lớp có thể chứa tối đa số electron nhất định: s2, p6, d10, f1.
– Số electron tối đa trong mỗi lớp thứ n là 2n2 với n = 1, 2, 3, 4.
Ngoài các lớp K, L, M, N, còn có các lớp O, P, Q… cho đến khi tất cả các electron được sắp xếp đủ vào các lớp.
Đặc điểm của các electron ở lớp vỏ ngoài cùng:
– Dựa vào số electron ở lớp vỏ ngoài cùng, ta có thể biết được cấu hình và tính chất của nguyên tố đang xét.
– Đối với tất cả các nguyên tố trong bảng tuần hoàn, số electron tối đa có thể có ở lớp vỏ ngoài cùng là 8. Nguyên tử helium và các nguyên tử có 1, 2 hoặc 3 electron ở lớp vỏ ngoài cùng thường không phản ứng hóa học vì liên kết này rất bền.
– Các nguyên tử có 1, 2 hoặc 3 electron ở lớp vỏ ngoài cùng dễ nhường electron và thường là các nguyên tử kim loại, trừ các khí hiđro, helium, bo.
– Các nguyên tử có 5, 6 hoặc 7 electron ở lớp vỏ ngoài cùng nhận thêm electron để đạt trạng thái ổn định với 8 electron và thường là các nguyên tử phi kim.
– Các nguyên tử có 4 electron ở lớp vỏ ngoài cùng có thể là phi kim hoặc kim loại.
4. Thuyết electron
4.1. Nội dung:
Thuyết electron là một lý thuyết dựa trên vị trí và chuyển động của electron để giải thích các hiện tượng điện và tính chất điện của các vật thể.
– Electron có thể rời khỏi nguyên tử để di chuyển từ nơi này sang nơi khác. Khi một nguyên tử mất electron, trở thành một ion dương mang điện tích dương. Nguyên tử trung hòa có thể nhận thêm electron để trở thành ion âm mang điện tích âm.
– Một vật nhiễm điện âm khi chứa nhiều electron hơn số proton. Nếu số electron ít hơn số proton, vật sẽ nhiễm điện dương.
4.2. Vận dụng:
4.2.1. Vật dẫn điện và vật cách điện:
– Điện tích tự do là điện tích có thể di chuyển từ điểm này sang điểm khác trong vật dẫn.
– Vật dẫn điện là những vật chứa điện tích tự do, ví dụ như kim loại chứa electron tự do, dung dịch axit, bazơ, muối chứa các ion tự do. Chúng đều là các chất dẫn điện.
– Vật cách điện là những vật không chứa điện tích tự do, ví dụ như không khí khô, dầu, thủy tinh, sứ, cao su, nhựa. Tất cả đều là chất cách điện.
4.2.2. Sự nhiễm điện do tiếp xúc:
– Khi một vật không tích điện tiếp xúc với một vật tích điện, vật không tích điện sẽ bị nhiễm điện cùng dấu với vật tích điện. Đây là hiện tượng nhiễm điện khi tiếp xúc.
– Ví dụ, khi đưa một quả cầu tích điện dương đến gần đầu của thanh kim loại trung hòa điện. Đầu của thanh kim loại sau đó tích điện âm, đầu kia tích điện dương. Hiện tượng này gọi là hiện tượng nhiễm điện của thanh kim loại (hoặc hiện tượng cảm ứng tĩnh điện).
– Tóm lại, hiện tượng nhiễm điện do cảm ứng là khi đưa một vật tích điện gần một vật dẫn trung hòa, nhưng không chạm vào. Kết quả là hai đầu của vật dẫn nhiễm điện trái dấu. Khi đầu vật dẫn gần vật tích điện, điện tích trên vật tích điện trái dấu.
4.2.3. Sử dụng thuyết electron để giải thích về các hiện tượng nhiễm điện:
– Sự nhiễm điện do cọ sát: Khi hai vật cọ xát, các electron chuyển từ vật này sang vật kia khiến vật bị thừa electron nhiễm điện âm và vật bị thiếu electron nhiễm điện dương.
– Sự nhiễm điện do tiếp xúc: Khi một vật không tích điện tiếp xúc với một vật có điện tích, các electron có thể chuyển từ vật này sang vật khác, khiến vật không tích điện trước đó cũng bị nhiễm điện.
– Sự nhiễm điện do cảm ứng: Khi đặt một vật kim loại gần một vật đã nhiễm điện, các điện tích trong vật đã nhiễm điện sẽ hút hoặc đẩy các electron tự do trong kim loại, làm dư electron ở một đầu của vật và không có electron ở đầu kia. Do đó, hai đầu của vật nhiễm điện trái dấu.
4.3. Định luật bảo toàn điện tích:
– Hệ cô lập về điện là hệ vật không có trao đổi điện tích với các vật khác ngoài hệ.
– Định luật bảo toàn điện tích: Trong một hệ cô lập về điện, tổng đại số của các điện tích không đổi.
5. Cách viết cấu hình electron:
Nguyên lý và quy tắc:
– Nguyên lý Pauli: Mỗi obital nguyên tử có thể chứa tối đa 2 electron và hai electron này phải xoay khác hướng quanh trục riêng của mỗi electron.
– Nguyên lý vững bền: Trong trạng thái cơ bản, các electron lần lượt điền các obital có năng lượng thấp hoặc cao.
– Quy tắc Hund: Trong cùng một phân lớp, các electron sẽ được phân bố trên các obital sao cho số electron đơn lẻ là tối đa và các electron này có cùng chiều tự quay.
Các bước xác định:
Bước 1: Xác định số electron trong nguyên tử (Z)
Bước 2: Sắp xếp các electron theo thứ tự tăng dần mức năng lượng và tuân theo các quy tắc:
– Phân lớp s không chứa quá 2 electron.
– Phân lớp p không chứa quá 6 electron.
– Phân lớp d không chứa quá 10 electron.
– Phân lớp f không chứa quá 14 electron.
Bước 3: Sắp xếp tập hợp các electron theo thứ tự các mức (1->7) và trong mỗi lớp theo thứ tự lớp con (s->p->d->f).