Electron là gì? Cấu tạo Electron? Các thuộc tính của Electron?

1. Electron là gì?

Electron là hạt mang điện tích âm nằm trong nguyên tử và bao quanh hạt nhân. Nguyên tử gồm hạt nhân mang điện tích dương ở trung tâm và các electron mang điện tích âm chuyển động xung quanh. Điện tích mỗi electron là -1,6.10-19 Coulomb (kí hiệu  C), khối lượng 9,1.10-31 kg. Electron được kí hiệu e.

Electron có các tính chất sau: 

Thứ nhất, Nếu một nguyên tử có cùng số proton (số p) và cùng số electron (số e) thì nguyên tử đó trung hòa về điện, vì điện tích âm của nguyên tử electron bị trung hòa bởi điện tích của nguyên tử proton dương.

Thứ hai, Các electron luôn quay quanh hạt nhân trong các lớp vỏ theo một quỹ đạo nhất định. 

Thứ ba, Lực hút do hạt nhân mang điện tích dương (+ ) tạo ra tác dụng lên các electron mang điện tích âm (-). Lực hút này đóng vai trò là lực hướng tâm cần thiết để quay các electron xung quanh hạt nhân. 

Thứ tư, Các electron ở gần hạt nhân liên kết mạnh với hạt nhân và khó kéo (loại bỏ)  khỏi nguyên tử hơn các electron ở xa hạt nhân hơn.

2. Các thuộc tính, bản chất của Electron:

2.1. Thuộc tính:

‐ Electron có cả tính chất hạt và sóng, electron nhiễu xạ như photon, nhưng  có thể va chạm và tách ra. 

‐ Thuyết nguyên tử mô tả một electron  quay quanh một hạt nhân proton/neutron của một nguyên tử trong lớp vỏ. Tuy nhiên, trong thực tế, một electron có thể được tìm thấy ở bất kỳ đâu trong nguyên tử hoặc lớp vỏ của nó.

2.2. Bản chất:

Mức năng lượng của electron:

Cần một lượng năng lượng nhất định để phá vỡ một electron ra khỏi quỹ đạo. Cần nhiều năng lượng hơn để loại bỏ một electron khỏi quỹ đạo thứ nhất hơn là loại bỏ một electron khỏi quỹ đạo ngoài cùng. Điều này bởi lực hấp dẫn do hạt nhân tác dụng lên các electron ở quỹ đạo thứ nhất lớn hơn  lực hấp dẫn do hạt nhân tác dụng lên các electron ở quỹ đạo ngoài. Tương tự, năng lượng cần thiết để loại bỏ một electron khỏi quỹ đạo thứ hai lớn hơn năng lượng từ quỹ đạo thứ ba.

Có thể nói các mức năng lượng của electron được ký hiệu bằng các chữ cái K, L, M, N… Thứ tự các mức năng lượng được thể hiện như sau: K < L < M < N … trong đó K là quỹ đạo gần hạt nhân nhất có năng lượng thấp nhất, còn quỹ đạo N ngoài cùng là quỹ đạo có năng lượng cao nhất.

Thứ tự các mức năng lượng trong cùng một nguyên tử:

Trong một nguyên tử, các electron ở các quỹ đạo khác nhau có cùng năng lượng  nếu chúng ở trong cùng một lớp. Các mức năng lượng nguyên tử ấy được sắp xếp theo thứ tự tăng dần. Ở trạng thái cơ bản, các electron của nguyên tử (e) chiếm các mức năng lượng từ thấp đến cao. Đồng thời, theo chiều từ trong ra ngoài, mức năng lượng của các lớp tăng dần theo thứ tự từ 1 đến 7 và năng lượng của  lớp tăng dần theo thứ tự  s, p, d, f …

Thứ tự các lớp con theo chiều tăng  năng lượng được xác định như sau: 1s 2s 3s 3p 4s 3d 4p 5s….Khi điện tích hạt nhân tăng thì mức năng lượng tăng nên mức năng lượng của 4s thấp hơn 3d.

3. Cấu hình của Electron:

Cấu hình electron hoặc cấu hình điện tử là sự phân bố các lớp vỏ electron trong lớp vỏ của các hạt nguyên tử ở các trạng thái năng lượng khác nhau của chúng. Cấu hình của vỏ nguyên tử cho phép xác định các tính chất cơ bản của bất kỳ nguyên tố nào.

Sự phân bố Electron theo các mức năng lượng:

Mỗi nguyên tử có một mức năng lượng khác nhau. Do đó, các electron được phân chia và phân bố ở những mức năng lượng nhất định. Như đã đề cập trong đoạn “Thứ tự của các mức năng lượng trong một nguyên tử ở trên”, sự phân bố các electron theo các mức năng lượng nhất định như sau: 

‐ Cấu hình electron về trạng thái cơ bản của nguyên tử được sắp xếp theo các mức năng lượng tăng dần.

‐ Các mức năng lượng tăng từ 1 đến 7 và được sắp xếp theo thứ tự lớp s, p, d, f. 

‐ Điện tích hạt nhân lớn hơn thì mức năng lượng 4s thấp hơn 3d.

‐ Mỗi phân lớp có thể chứa tối đa số electron s2, p6, d10, f1.

‐ Số electron tối đa được xếp ở mỗi lớp thứ n là 2n2 với n = 1, 2, 3, 4.

Ngoài các lớp K, L, M, N thì còn có các lớp O, P, Q,… cho tới khi các electron được sắp xếp đủ vào các lớp đó.

Đặc điểm của các electron ở lớp ngoài cùng của vỏ nguyên tử:

‐ Dựa vào số electron ở lớp vỏ ngoài cùng ta có thể biết được cấu hình lớp vỏ nguyên tử, từ đó biết được tính chất của nguyên tố và loại nguyên tố đang xét. 

‐ Đối với nguyên tử của tất cả các nguyên tố trong bảng tuần hoàn, số electron tối đa có thể có ở lớp vỏ ngoài cùng là 8 electron. 

‐ Nguyên tử hêli và các nguyên tử có 1, 2 hoặc 3 electron ở lớp ngoài cùng thường không có các phản ứng hóa học vì các liên kết này rất bền.

‐ Các nguyên tử có 1, 2 hoặc 3 electron lớp ngoài cùng dễ nhường electron và thường là các nguyên tử kim loại, trừ các khí H, He, B. 

‐ Các nguyên tử có 5, 6 , hoặc 7 electron ở lớp vỏ ngoài cùng nhận nhiều electron hơn để đạt trạng thái ổn định 8 electron và thường là phi kim.

‐ Các nguyên tử lớp ngoài cùng có 4

 electron có thể là phi kim hoặc kim loại.

4. Thuyết electron: 

4.1. Nội dung:

Một lý thuyết dựa trên vị trí và chuyển động của các electron để giải thích các hiện tượng điện và tính chất điện của các vật thể được gọi là lý thuyết electron. Nội dung thuyết êlectron như sau: 

‐ Electron có thể rời khỏi nguyên tử để chuyển từ nơi này sang nơi khác. Nguyên tử mất bớt êlectron trở thành hạt mang điện dương gọi là ion dương. 

‐ Nguyên tử trung hòa có thể nhận thêm êlectron để trở thành hạt mang điện âm và gọi là ion âm.

‐ Một vật nhiễm điện âm khi số êlectron chứa trong nó càng nhiều, hơn số proton. Nếu số electron ít hơn số proton thì vật nhiễm điện dương.

4.2. Vận dụng:

4.2.1. Vật (chất) dẫn điện và vật (chất) cách điện:

‐ Điện tích tự do là điện tích có thể di chuyển từ điểm này sang điểm khác trong thể tích của vật dẫn. 

‐ Vật dẫn điện là những vật nào chứa  điện tích tự do. 

Ví dụ: kim loại chứa các êlectron tự do, dung dịch axit, bazơ, muối v.v… chứa các ion tự do. Chúng đều là các chất dẫn điện.

‐ Vật (chất) cách điện là vật (chất) không chứa các điện tích tự do. 

Ví dụ: không khí khô, dầu, thủy tinh, sứ, cao su, nhựa, v.v. Tất cả những thứ này 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, nó sẽ bị nhiễm điện cùng dấu với vật đó. Đây là sự nhiễm điện khi tiếp xúc.

Đưa quả cầu A nhiễm điện dương đến đầu thanh kim loại MN M trung hòa về điện. Đầu M sau đó tích điện âm, đầu N tích điện dương. Sự nhiễm điện của thanh kim loại MN là phản ứng nhiễm điện (hay cảm ứng tĩnh điện). 

Tóm lại, hiện tượng nhiễm điện do hưởng ứng là: Đưa một vật nhiễm điện đến một vật dẫn trung hòa về điện khác, nhưng không chạm tay vào. Kết quả là hai đầu của vật dẫn nhiễm điện trái dấu. Khi đầu vật dẫn gần vật nhiễm điện thì điện tích trên vật nhiễm 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 với nhau, các êlectron chuyển từ vật này sang vật kia làm vật thừa êlectron nhiễm điện âm, vật thiếu êlectron 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 hưởng ứng: Khi đặt một vật kim loại gần một vật đã nhiễm điện, các điện tích trong vật nhiễm điện sẽ hút hoặc đẩy các êlectron tự do trong  kim loại, làm dư êlectron ở một đầu của vật và không có êlectron ở đầu kia. Do đó hai đầu 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. 

– Nội dung định luật: 

Trong một hệ vật cô lập về điện, tổng đại số của các điện tích là không đổi.

5. Cách viết cấu hình electron:

Nguyên lý và quy tắc:

Nguyên lý Pauli: một obital nguyên tử  có thể có tối đa 2 electron và 2 electron này quay khác chiều quanh trục riêng của mỗi electron. 

Nguyên lý vững bền: ở trạng thái cơ bản, các electron lần lượt chiếm các obital có năng lượng thấp hoặc cao. 

Quy tắc Hund: Trong cùng 1 phân lớp, các electron sẽ phân bố trên các obital sao cho số electron độc thân là tối đa và các electron này phải có chiều tự quay giống nhau.

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 quy tắc: 

‐ Phân lớp s không chứa quá 2e

‐ Phân lớp p không chứa nhiều hơn 6e 

‐ Phân lớp d không chứa quá 10 e 

‐ Phân lớp f không chứa quá 14 e 

Bước 3: Sắp xếp tập hợp e theo thứ tự các mức (1 -> 7), trong mỗi lớp theo thứ tự  lớp con (s -> p -> d -> f).