Chào các em học sinh yêu quý!

Thật vui khi được cùng các em ôn tập về một phần kiến thức rất quan trọng và thú vị trong Hóa học lớp 10, đó là bộ bốn số lượng tử. Hiểu được các số lượng tử giúp chúng ta hình dung rõ hơn về trạng thái của các electron trong nguyên tử, từ đó giải thích được nhiều tính chất hóa học của nguyên tố.

Để giải bài tập này, chúng ta sẽ đi theo các bước cụ thể, dựa trên cấu hình electron của nguyên tử. Các em hãy nhớ rằng, bộ bốn số lượng tử thường được xác định cho electron cuối cùng điền vào nguyên tử theo nguyên lí Aufbau (nguyên lí vững bền) hoặc cho một electron cụ thể nào đó mà đề bài yêu cầu. Trong bài tập này, chúng ta sẽ tìm bộ số lượng tử cho electron cuối cùng đó nhé.

Chúng ta cùng bắt đầu nào!

I. Nguyên tố Magie (Mg)

Bước 1: Xác định số hiệu nguyên tử (Z) và viết cấu hình electron của Magie.

• Magie (Mg) có số hiệu nguyên tử là \(Z = 12\). Điều này có nghĩa là nguyên tử Mg có 12 proton và 12 electron.
• Áp dụng nguyên lí Aufbau (nguyên lí vững bền), chúng ta điền các electron vào các orbital theo thứ tự năng lượng tăng dần:
• Cấu hình electron của Mg là: \(1s^2 2s^2 2p^6 3s^2\)

Bước 2: Xác định electron cuối cùng điền vào.

• Dựa vào cấu hình electron, electron thứ 12 (electron cuối cùng) của Mg được điền vào phân lớp \(3s\), cụ thể là electron thứ hai trong orbital \(3s\).

Bước 3: Xác định bộ bốn số lượng tử (\(n, l, m_l, m_s\)) cho electron này.

Chúng ta sẽ xác định từng số lượng tử một:

1. Số lượng tử chính (\(n\)):
   • Số lượng tử chính \(n\) cho biết lớp electron mà electron đang xét thuộc về.
   • Vì electron cuối cùng nằm ở phân lớp \(3s\), tức là thuộc lớp thứ 3, nên:
     \(n = 3\)
2. Số lượng tử phụ (azimut) (\(l\)):
   • Số lượng tử phụ \(l\) cho biết hình dạng của orbital (hay phân lớp) mà electron đang xét thuộc về.
   • Giá trị của \(l\) được xác định từ \(n\) theo công thức: \(l = 0, 1, …, n-1\).
   • Với mỗi giá trị của \(l\), ta có một phân lớp tương ứng:
     • \(l = 0\) tương ứng với phân lớp \(s\)
     • \(l = 1\) tương ứng với phân lớp \(p\)
     • \(l = 2\) tương ứng với phân lớp \(d\)
     • \(l = 3\) tương ứng với phân lớp \(f\)
   • Vì electron cuối cùng nằm trong phân lớp \(3s\), nên:
     \(l = 0\)
3. Số lượng tử từ (\(m_l\)):
   • Số lượng tử từ \(m_l\) cho biết sự định hướng của orbital trong không gian.
   • Giá trị của \(m_l\) được xác định từ \(l\) theo công thức: \(m_l = -l, …, 0, …, +l\).
   • Vì \(l = 0\), nên chỉ có một giá trị duy nhất cho \(m_l\):
     \(m_l = 0\)
   • (Phân lớp \(s\) chỉ có 1 orbital, orbital \(s\) có dạng hình cầu nên không có định hướng khác nhau).
4. Số lượng tử spin (\(m_s\)):
   • Số lượng tử spin \(m_s\) cho biết chiều tự quay của electron.
   • Electron có thể quay theo hai chiều ngược nhau, do đó \(m_s\) chỉ có hai giá trị: \(+1/2\) hoặc \(-1/2\).
   • Trong một orbital, theo nguyên lí Pauli, hai electron sẽ có spin ngược chiều nhau. Ta thường quy ước electron đầu tiên điền vào orbital có \(m_s = +1/2\), và electron thứ hai (ghép đôi) có \(m_s = -1/2\).
   • Electron cuối cùng của Mg là electron thứ hai trong orbital \(3s^2\), nên nó sẽ có spin ngược chiều với electron đầu tiên:
     \(m_s = -1/2\)

Kết luận:

Vậy, bộ bốn số lượng tử của electron cuối cùng điền vào của Magie (Mg) là: \((n = 3, l = 0, m_l = 0, m_s = -1/2)\).

II. Nguyên tố Sắt (Fe)

Bước 1: Xác định số hiệu nguyên tử (Z) và viết cấu hình electron của Sắt.

• Sắt (Fe) có số hiệu nguyên tử là \(Z = 26\). Điều này có nghĩa là nguyên tử Fe có 26 proton và 26 electron.
• Áp dụng nguyên lí Aufbau, cấu hình electron của Fe là:
  \(1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^6\)

Bước 2: Xác định electron cuối cùng điền vào.

• Dựa vào cấu hình electron, electron thứ 26 (electron cuối cùng) của Fe được điền vào phân lớp \(3d\), cụ thể là electron thứ sáu trong phân lớp \(3d\).

Bước 3: Xác định bộ bốn số lượng tử (\(n, l, m_l, m_s\)) cho electron này.

Chúng ta sẽ xác định từng số lượng tử một:

1. Số lượng tử chính (\(n\)):
   • Vì electron cuối cùng nằm ở phân lớp \(3d\), tức là thuộc lớp thứ 3, nên:
     \(n = 3\)
2. Số lượng tử phụ (azimut) (\(l\)):
   • Vì electron cuối cùng nằm trong phân lớp \(3d\), nên:
     \(l = 2\)
3. Số lượng tử từ (\(m_l\)):
   • Vì \(l = 2\), \(m_l\) có thể nhận các giá trị: \(-2, -1, 0, +1, +2\).
   • Phân lớp \(3d\) có 5 orbital (\(d_x^2-y^2, d_z^2, d_{xy}, d_{xz}, d_{yz}\)), mỗi orbital tương ứng với một giá trị \(m_l\).
   • Theo quy tắc Hund (quy tắc bán bão hòa), các electron sẽ điền vào các orbital trong cùng một phân lớp sao cho số electron độc thân là tối đa và các electron này có cùng chiều spin. Sau khi mỗi orbital có một electron, các electron tiếp theo mới bắt đầu ghép đôi với spin ngược chiều.
   • Phân lớp \(3d\) có 6 electron (\(3d^6\)):
     • Electron thứ 1: \(m_l = -2\), \(m_s = +1/2\)
     • Electron thứ 2: \(m_l = -1\), \(m_s = +1/2\)
     • Electron thứ 3: \(m_l = 0\), \(m_s = +1/2\)
     • Electron thứ 4: \(m_l = +1\), \(m_s = +1/2\)
     • Electron thứ 5: \(m_l = +2\), \(m_s = +1/2\)
     • Electron thứ 6 (electron cuối cùng): Phải ghép đôi với electron đầu tiên trong orbital có \(m_l = -2\), và có spin ngược chiều.
   • Vậy, đối với electron thứ 6 này:
     \(m_l = -2\)
4. Số lượng tử spin (\(m_s\)):
   • Như đã phân tích ở trên, electron thứ 6 này ghép đôi với electron đầu tiên trong orbital \(m_l = -2\), nên nó sẽ có spin ngược chiều:
     \(m_s = -1/2\)

Kết luận:

Vậy, bộ bốn số lượng tử của electron cuối cùng điền vào của Sắt (Fe) là: \((n = 3, l = 2, m_l = -2, m_s = -1/2)\).

Hy vọng qua lời giải chi tiết này, các em đã hiểu rõ hơn về cách xác định bộ bốn số lượng tử cho các electron trong nguyên tử. Nếu có bất kỳ thắc mắc nào, đừng ngần ngại hỏi thầy nhé!