Công Cụ Tính Cấu Hình Electron
Nhập bất kỳ nguyên tố hoặc ion nào để nhận cấu hình electron đầy đủ và cấu hình khí hiếm, sơ đồ orbital có áp dụng quy tắc Hund, số electron độc thân và cho biết chất đó có thuận từ hay không. Cấu hình lấy từ dữ liệu NIST chứ không từ một quy tắc duy nhất, nên các ngoại lệ như Cr, Cu và nhóm lantanit đều chính xác. Hoạt động hoàn toàn trong trình duyệt của bạn. Miễn phí, không cần đăng ký.
Một ký hiệu (Fe), một tên (iron) hoặc một số hiệu nguyên tử (26). Có thể thêm điện tích sau đó: Fe3+, Cl-, O2-.
Dùng ô này thay vì viết điện tích: 3, +3 hoặc -1.
Kết quả
Fe
Chất
26
Số hiệu nguyên tử
26
Electron
4
Electron độc thân
Thuận từ
Từ tính
n = 4, 2 electron
Lớp ngoài cùng
Cấu hình đầy đủ
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2
Cấu hình khí hiếm
[Ar] 3d6 4s2
Sơ đồ orbital
Mỗi ô là một orbital, được điền theo quy tắc Hund: các electron trải đều trên các orbital của một phân lớp với spin song song trước khi bất kỳ cặp nào ghép lại.
Cách Sử Dụng Công Cụ Tính Cấu Hình Electron
- 1. Chọn nguyên tố. Nhập một ký hiệu (Fe), một tên (iron) hoặc một số hiệu nguyên tử (26). Không phân biệt chữ hoa và chữ thường.
- 2. Thêm điện tích cho ion. Viết điện tích sau ký hiệu, như Fe3+, Cl- hoặc O2-, hoặc dùng ô điện tích riêng.
- 3. Đọc các cấu hình. Dạng đầy đủ và dạng khí hiếm được hiển thị với chỉ số trên đúng chuẩn, cùng số electron, số electron độc thân, từ tính và lớp ngoài cùng. Chọn các tùy chọn để viết phân lớp theo thứ tự điền, hoặc chỉ hiển thị phần ngoài của sơ đồ orbital.
- 4. Đọc sơ đồ orbital. Mỗi ô là một orbital, với mũi tên biểu thị electron, được điền theo quy tắc Hund. Nguyên tử có electron độc thân là thuận từ; nguyên tử không có electron độc thân là nghịch từ.
Các Quy Tắc Điền
Ba nguyên lý mô tả cách electron chiếm các orbital. Nguyên lý Aufbau cho biết electron điền vào phân lớp có năng lượng thấp nhất còn trống. Nguyên lý loại trừ Pauli cho biết một orbital chứa tối đa hai electron, với spin đối nhau. Quy tắc Hund cho biết các electron chiếm từng orbital của một phân lớp một lần, với spin song song, trước khi bất kỳ orbital nào nhận electron thứ hai.
Quy tắc Madelung đưa ra thứ tự thông thường: các phân lớp được điền theo thứ tự tăng dần của n + l, và khi n + l bằng nhau thì theo n nhỏ hơn. Điều đó tạo ra dãy quen thuộc dưới đây. Một phân lớp chứa tối đa 2 (s), 6 (p), 10 (d) hoặc 14 (f) electron.
Thứ tự điền
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p
Sức chứa
s 2, p 6, d 10, f 14
Ví Dụ Minh Họa: Sắt và Các Ion Của Nó
Sắt có 26 electron. Điền theo thứ tự cho 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶, được viết theo lớp là 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s². Thay lõi argon 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ bằng [Ar] ta được dạng khí hiếm [Ar] 3d⁶ 4s². Trong phân lớp 3d, năm orbital mỗi orbital nhận một electron, rồi một orbital được ghép đôi, nên còn lại 4 electron độc thân, vì vậy sắt là thuận từ. Lớp ngoài cùng của nó là n = 4, với 2 electron.
Cation mất electron từ lớp ngoài cùng trước, nên Fe²⁺ là [Ar] 3d⁶ và Fe³⁺ là [Ar] 3d⁵, một phân lớp d bán bão hòa với 5 electron độc thân. Điều này ngược với thứ tự điền, trong đó 4s được điền trước 3d, vì khi đã có electron 3d thì mức 4s lại cao hơn.
Các Ngoại Lệ Của Thứ Tự Điền
Với hai mươi nguyên tố này, trạng thái cơ bản đo được khác với những gì quy tắc Madelung dự đoán. Công cụ lấy mọi cấu hình trung hòa từ bảng trạng thái cơ bản của NIST, nên chúng luôn đúng; bảng ghi dự đoán bên cạnh kết quả đo.
| Nguyên tố | Quy tắc Madelung dự đoán | Đo được (NIST) |
|---|---|---|
| Cr | [Ar] 3d⁴ 4s² | [Ar] 3d⁵ 4s¹ |
| Cu | [Ar] 3d⁹ 4s² | [Ar] 3d¹⁰ 4s¹ |
| Nb | [Kr] 4d³ 5s² | [Kr] 4d⁴ 5s¹ |
| Mo | [Kr] 4d⁴ 5s² | [Kr] 4d⁵ 5s¹ |
| Ru | [Kr] 4d⁶ 5s² | [Kr] 4d⁷ 5s¹ |
| Rh | [Kr] 4d⁷ 5s² | [Kr] 4d⁸ 5s¹ |
| Pd | [Kr] 4d⁸ 5s² | [Kr] 4d¹⁰ |
| Ag | [Kr] 4d⁹ 5s² | [Kr] 4d¹⁰ 5s¹ |
| La | [Xe] 4f¹ 6s² | [Xe] 5d¹ 6s² |
| Ce | [Xe] 4f² 6s² | [Xe] 4f¹ 5d¹ 6s² |
| Gd | [Xe] 4f⁸ 6s² | [Xe] 4f⁷ 5d¹ 6s² |
| Pt | [Xe] 4f¹⁴ 5d⁸ 6s² | [Xe] 4f¹⁴ 5d⁹ 6s¹ |
| Au | [Xe] 4f¹⁴ 5d⁹ 6s² | [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹ |
| Ac | [Rn] 5f¹ 7s² | [Rn] 6d¹ 7s² |
| Th | [Rn] 5f² 7s² | [Rn] 6d² 7s² |
| Pa | [Rn] 5f³ 7s² | [Rn] 5f² 6d¹ 7s² |
| U | [Rn] 5f⁴ 7s² | [Rn] 5f³ 6d¹ 7s² |
| Np | [Rn] 5f⁵ 7s² | [Rn] 5f⁴ 6d¹ 7s² |
| Cm | [Rn] 5f⁸ 7s² | [Rn] 5f⁷ 6d¹ 7s² |
| Lr | [Rn] 5f¹⁴ 6d¹ 7s² | [Rn] 5f¹⁴ 7s² 7p¹ |
Ở crom và đồng, các mức 3d và 4s gần nhau đến mức một phân lớp d bán bão hòa hoặc bão hòa hoàn toàn sẽ thắng thế. Palađi hoàn toàn không có electron 5s. Các trường hợp của nhóm lantanit và actinit đến từ việc 4f và 5d (hoặc 5f và 6d) có năng lượng gần bằng nhau. Không có quy tắc nào trong số này có thể suy ra chỉ từ bảng orbital, đó là lý do dữ liệu đến từ phép đo.
Các Nguyên Tố 109 đến 118
Bảng của NIST dừng ở hassi (108), vì chỉ có một vài nguyên tử của các nguyên tố nặng hơn từng được tạo ra. Với meitneri đến oganesson, công cụ hiển thị cấu hình theo quy tắc Madelung và ghi nhãn là dự đoán. Các tính toán tương đối tính cho thấy một số nguyên tố trong đó, kể cả roentgeni, có thể khác.
Câu Hỏi Thường Gặp
- Làm thế nào để viết cấu hình electron của một nguyên tố?
- Tìm số electron (số hiệu nguyên tử đối với nguyên tử trung hòa) rồi điền các phân lớp theo thứ tự 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, và tiếp tục như vậy, đến sức chứa của từng phân lớp. Ví dụ, lưu huỳnh có 16 electron là 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴. Hãy kiểm tra bảng ngoại lệ trước khi dựa vào quy luật đó cho các kim loại chuyển tiếp.
- Cách viết tắt khí hiếm của cấu hình electron là gì?
- Nó thay các electron bên trong bằng ký hiệu của khí hiếm đứng trước, đặt trong ngoặc vuông. Lưu huỳnh trở thành [Ne] 3s² 3p⁴ và sắt là [Ar] 3d⁶ 4s². Phần trong ngoặc vuông phải là một cấu hình khí hiếm đầy đủ, nên công cụ chọn khí hiếm lớn nhất vừa khớp.
- Vì sao kim loại chuyển tiếp mất electron 4s trước 3d?
- Khi phân lớp 3d đã có electron, nó có năng lượng thấp hơn 4s, nên các electron 4s là những electron ngoài cùng và dễ bị loại bỏ nhất. Đó là lý do Fe²⁺ là [Ar] 3d⁶ chứ không phải [Ar] 3d⁴ 4s².
- Vì sao crom và đồng là các ngoại lệ?
- Các phân lớp 3d và 4s của chúng gần nhau về năng lượng đến mức một phân lớp d bán bão hòa (Cr, 3d⁵ 4s¹) hoặc bão hòa hoàn toàn (Cu, 3d¹⁰ 4s¹) ổn định hơn một chút so với cách sắp xếp dự đoán. Hiệu ứng tương tự tạo ra các ngoại lệ trong dãy 4d, 5d, lantanit và actinit.
- Quy tắc Hund là gì?
- Các electron điền vào các orbital của một phân lớp riêng lẻ, với spin song song, trước khi bất kỳ orbital nào bị chiếm đôi. Đó là lý do ba electron 2p của nitơ chiếm ba orbital khác nhau, cho 3 electron độc thân, và vì sao sơ đồ orbital hiển thị mũi tên đơn trước các cặp.
- Electron độc thân liên hệ với từ tính như thế nào?
- Nguyên tử hoặc ion có một hoặc nhiều electron độc thân là thuận từ, nghĩa là nó bị hút vào từ trường. Chất có tất cả electron đã ghép đôi là nghịch từ và bị đẩy nhẹ. Fe³⁺, với 5 electron độc thân, là thuận từ mạnh; Zn²⁺, [Ar] 3d¹⁰, là nghịch từ.
- Cấu hình electron của anion là gì?
- Thêm các electron dư vào phân lớp kế tiếp theo thứ tự điền. Clorua, Cl⁻, có 18 electron, 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶, giống với argon, nên được viết là [Ar]. Oxit, O²⁻, là [Ne].