Bạn hãy tưởng tượng một tòa chung cư có nhiều tầng. Tầng trệt nhỏ nhất, chỉ có một căn hộ nhỏ, ở được tối đa hai người. Tầng hai rộng hơn, ở được tối đa tám người. Tầng ba còn rộng hơn nữa, ở được tối đa mười tám người. Càng lên cao, mỗi tầng càng rộng và càng chứa được nhiều người hơn. Nguyên tử cũng giống như tòa chung cư đó: các electron không ở lẫn lộn với nhau mà phân bố trên các lớp vỏ khác nhau, gọi là lớp K, lớp L, lớp M, lớp N, và mỗi lớp đều có một sức chứa tối đa nhất định, càng xa hạt nhân thì sức chứa càng lớn.
Vậy sức chứa tối đa của mỗi lớp được tính như thế nào? Câu trả lời nằm trong một công thức rất gọn: số electron tối đa trong một lớp bằng 2 nhân n bình phương, trong đó n là số thứ tự của lớp. Lớp K có n bằng 1 nên chứa tối đa 2 electron, lớp L có n bằng 2 nên chứa tối đa 8 electron, lớp M có n bằng 3 nên chứa tối đa 18 electron, và lớp N có n bằng 4 nên chứa tối đa 32 electron. Bài viết này sẽ giúp bạn nắm chắc công thức 2n², hiểu vì sao mỗi lớp lại có sức chứa khác nhau, luyện tập với bốn ví dụ tính từng bước, tránh năm lỗi sai mà học sinh hay mắc nhất, rồi tự kiểm tra bằng năm câu trắc nghiệm kèm giải thích cặn kẽ.
1. Công thức tính số electron tối đa trong một lớp
Số electron tối đa trong một lớp được tính bằng công thức 2n², trong đó n là số thứ tự của lớp. Lớp K là lớp gần hạt nhân nhất, có n bằng 1, nên chứa tối đa 2 nhân 1 bình phương, bằng 2 electron. Lớp L có n bằng 2, nên chứa tối đa 2 nhân 2 bình phương, bằng 8 electron. Lớp M có n bằng 3, nên chứa tối đa 2 nhân 3 bình phương, bằng 18 electron. Lớp N có n bằng 4, nên chứa tối đa 2 nhân 4 bình phương, bằng 32 electron. Càng xa hạt nhân, số thứ tự n càng lớn, và số electron tối đa càng tăng theo bình phương của n.
Bạn cần nhớ thứ tự các lớp và số thứ tự n tương ứng, vì đây là điều mà đề bài hay khai thác. Các lớp vỏ được đặt tên bằng các chữ cái K, L, M, N, O, P, Q, theo thứ tự từ gần hạt nhân ra xa, tương ứng với n bằng 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Lớp K là lớp trong cùng, gần hạt nhân nhất, nên nó nhỏ nhất và chứa ít electron nhất. Lớp Q là lớp ngoài cùng, xa hạt nhân nhất, nên nó lớn nhất và chứa nhiều electron nhất, lên tới 2 nhân 7 bình phương, bằng 98 electron, dù trong thực tế chưa có nguyên tố nào điền đầy lớp Q đến mức đó.
Vì sao số electron tối đa lại tăng theo bình phương của n mà không tăng theo n? Câu trả lời nằm ở cấu tạo bên trong của mỗi lớp: mỗi lớp gồm nhiều phân lớp, mỗi phân lớp gồm nhiều orbital, và mỗi orbital chứa tối đa 2 electron. Lớp thứ n có n phân lớp, và tổng số orbital trong lớp thứ n bằng n bình phương, nên tổng số electron tối đa bằng 2 nhân n bình phương. Ví dụ lớp M có n bằng 3, gồm ba phân lớp là 3s, 3p và 3d, với tổng số orbital bằng 1 cộng 3 cộng 5, bằng 9 orbital, mỗi orbital chứa 2 electron nên lớp M chứa tối đa 18 electron. Bạn sẽ hiểu rõ hơn về orbital khi đọc bài về số orbital tối đa trong một lớp.
Một điều quan trọng mà bạn cần ghi nhớ là công thức 2n² cho ra số electron tối đa theo lí thuyết, chứ không phải số electron thực tế mà lớp đó luôn chứa. Trong thực tế, lớp ngoài cùng của nguyên tử không bao giờ chứa quá 8 electron, dù công thức 2n² cho ra con số lớn hơn nhiều. Ví dụ nguyên tử kali có lớp ngoài cùng là lớp N, theo công thức thì lớp N chứa tối đa 32 electron, nhưng thực tế lớp N của kali chỉ có 1 electron, vì các electron còn lại đã điền đầy các lớp trong. Vì vậy, khi làm bài, bạn phải phân biệt rõ số electron tối đa theo công thức với số electron thực tế trong nguyên tử.
Công thức này còn là cầu nối để bạn học tiếp về cấu hình electron của nguyên tử, vì khi viết cấu hình electron, bạn phải biết mỗi lớp chứa tối đa bao nhiêu electron để phân bố cho đúng. Bạn cũng nên ôn lại cách đếm số hạt trong nguyên tử, vì tổng số electron của nguyên tử chính là con số bạn phân bố lên các lớp. Khi cần kiểm tra lại phép tính, bạn có thể nhờ máy tính Casio online trên ClassOn hỗ trợ.
2. Bốn ví dụ tính số electron tối đa trong một lớp từng bước
Ví dụ 1: Tính số electron tối đa trong lớp M (n = 3).
Đây là ví dụ gốc của bài, và bạn hãy làm theo đúng bốn bước chuẩn. Bước đầu tiên, bạn ghi lại những gì đề bài đã cho: lớp M có số thứ tự n bằng 3. Bước thứ hai, bạn viết công thức số electron tối đa bằng 2n². Bước thứ ba, bạn thay số vào công thức: số electron tối đa bằng 2 nhân 3 bình phương. Bước cuối cùng, bạn tính kết quả: 3 bình phương bằng 9, 2 nhân 9 bằng 18. Vậy lớp M chứa tối đa 18 electron. Bạn hãy kiểm tra lại bằng cách đếm các phân lớp: lớp M gồm phân lớp 3s có 1 orbital, phân lớp 3p có 3 orbital và phân lớp 3d có 5 orbital, tổng cộng 9 orbital, mỗi orbital chứa 2 electron nên lớp M chứa tối đa 18 electron, khớp với kết quả vừa tính.
Ví dụ 2: Tính số electron tối đa trong lớp N (n = 4).
Ví dụ này giống hệt ví dụ 1, chỉ khác con số, để bạn luyện cho quen tay với bình phương. Bước đầu tiên, bạn ghi dữ kiện: lớp N có số thứ tự n bằng 4. Bước thứ hai, bạn viết công thức số electron tối đa bằng 2n². Bước thứ ba, bạn thay số vào: số electron tối đa bằng 2 nhân 4 bình phương. Bước cuối cùng, bạn tính kết quả: 4 bình phương bằng 16, 2 nhân 16 bằng 32. Vậy lớp N chứa tối đa 32 electron. Bạn hãy kiểm tra lại bằng cách đếm các phân lớp: lớp N gồm phân lớp 4s có 1 orbital, 4p có 3 orbital, 4d có 5 orbital và 4f có 7 orbital, tổng cộng 16 orbital, mỗi orbital chứa 2 electron nên lớp N chứa tối đa 32 electron, khớp với kết quả vừa tính.
Ví dụ 3: Tính số electron tối đa trong lớp L (n = 2).
Ví dụ này cho bạn luyện thêm với một lớp nhỏ hơn, và nó cũng là lớp mà bạn gặp thường xuyên nhất trong các bài tập. Bước đầu tiên, bạn ghi dữ kiện: lớp L có số thứ tự n bằng 2. Bước thứ hai, bạn viết công thức số electron tối đa bằng 2n². Bước thứ ba, bạn thay số vào: số electron tối đa bằng 2 nhân 2 bình phương. Bước cuối cùng, bạn tính kết quả: 2 bình phương bằng 4, 2 nhân 4 bằng 8. Vậy lớp L chứa tối đa 8 electron. Con số 8 này rất quan trọng, vì nó là cơ sở của quy tắc octet mà bạn sẽ học khi tìm hiểu về liên kết hóa học: các nguyên tử có xu hướng đạt được 8 electron ở lớp ngoài cùng để trở nên bền vững.
Ví dụ 4: Tính số electron tối đa trong lớp O (n = 5) và nhận xét về ý nghĩa thực tế.
Ví dụ này cho bạn thấy công thức 2n² vẫn đúng với các lớp xa hạt nhân, nhưng kết quả chỉ mang ý nghĩa lí thuyết. Bước đầu tiên, bạn ghi dữ kiện: lớp O có số thứ tự n bằng 5. Bước thứ hai, bạn viết công thức số electron tối đa bằng 2n². Bước thứ ba, bạn thay số vào: số electron tối đa bằng 2 nhân 5 bình phương. Bước cuối cùng, bạn tính kết quả: 5 bình phương bằng 25, 2 nhân 25 bằng 50. Vậy lớp O chứa tối đa 50 electron theo lí thuyết. Tuy nhiên, trong thực tế, chưa có nguyên tố nào có đủ 50 electron ở lớp O, vì các nguyên tố nặng nhất hiện nay cũng chỉ có khoảng 118 electron, phân bố trên nhiều lớp, và lớp O của chúng chỉ chứa một vài electron. Bài học ở đây là công thức 2n² cho ra giới hạn trên về mặt lí thuyết, chứ không phải số electron thực tế trong mọi nguyên tử.
3. Năm lỗi sai thường gặp khi tính số electron tối đa trong một lớp
Lỗi 1: Nhầm số thứ tự n với số electron tối đa.
Nhiều bạn thấy lớp M có n bằng 3 thì trả lời ngay lớp M chứa tối đa 3 electron. Nhưng n chỉ là số thứ tự của lớp, còn số electron tối đa phải tính bằng công thức 2n², tức là 2 nhân 3 bình phương, bằng 18. Cách tránh: mỗi khi thấy n, bạn hãy tự nhắc mình rằng n là số thứ tự, muốn có số electron tối đa thì phải bình phương n rồi nhân với 2, chứ không được lấy n làm đáp án.
Lỗi 2: Dùng công thức n² thay vì 2n².
Nhiều bạn tính số electron tối đa của lớp M bằng 3 bình phương, bằng 9. Nhưng 9 là số orbital tối đa trong lớp M, chứ không phải số electron tối đa, vì mỗi orbital chứa được 2 electron nên số electron tối đa phải gấp đôi số orbital, tức là 18. Cách tránh: bạn hãy nhớ cặp đôi này, số orbital tối đa bằng n², còn số electron tối đa bằng 2n², và hai công thức chỉ khác nhau ở hệ số 2. Nếu bạn tính ra 9 cho lớp M thì hãy tự hỏi mình đang tính orbital hay electron, rồi nhân thêm 2 nếu đề bài hỏi electron.
Lỗi 3: Nhầm thứ tự các lớp K, L, M, N.
Nhiều bạn đếm lớp K là lớp thứ 0, lớp L là lớp thứ 1, rồi tính số electron tối đa của lớp L bằng 2 nhân 1 bình phương, bằng 2. Nhưng lớp K mới là lớp thứ nhất, có n bằng 1, còn lớp L là lớp thứ hai, có n bằng 2. Cách tránh: bạn hãy thuộc lòng thứ tự K, L, M, N, O, P, Q tương ứng với n bằng 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, giống như thuộc bảng chữ cái vậy, và viết rõ n bằng bao nhiêu ra giấy trước khi thay số vào công thức.
Lỗi 4: Cho rằng lớp nào cũng chứa tối đa 8 electron.
Nhiều bạn học quy tắc octet rồi áp dụng sai, cho rằng lớp M cũng chỉ chứa tối đa 8 electron như lớp L. Nhưng quy tắc octet chỉ nói về lớp ngoài cùng của nguyên tử, còn sức chứa tối đa theo lí thuyết của lớp M là 18 electron, của lớp N là 32 electron. Cách tránh: bạn hãy phân biệt rõ hai khái niệm, sức chứa tối đa theo công thức 2n² là giới hạn lí thuyết của cả lớp, còn quy tắc 8 electron chỉ áp dụng cho lớp ngoài cùng trong thực tế, và hai con số này không giống nhau.
Lỗi 5: Quên rằng 2n² là số tối đa theo lí thuyết, không phải số electron thực tế.
Nhiều bạn thấy nguyên tử kali có lớp N là lớp ngoài cùng thì cho rằng lớp N của kali chứa 32 electron. Nhưng thực tế lớp N của kali chỉ có 1 electron, vì kali chỉ có tổng cộng 19 electron, phân bố 2 electron ở lớp K, 8 electron ở lớp L, 8 electron ở lớp M, và chỉ còn 1 electron ở lớp N. Cách tránh: bạn hãy nhớ rằng công thức 2n² cho ra sức chứa tối đa, còn số electron thực tế trong một lớp phụ thuộc vào tổng số electron của nguyên tử và thứ tự điền electron vào các lớp.
4. Năm bài tập trắc nghiệm về số electron tối đa trong một lớp
Câu 1: Lớp K (n = 1) chứa tối đa bao nhiêu electron?
A. 8 electron
B. 1 electron
C. 2 electron
D. 18 electron
Câu 2: Lớp M (n = 3) chứa tối đa bao nhiêu electron?
A. 32 electron
B. 18 electron
C. 8 electron
D. 2 electron
Câu 3: Lớp nào sau đây chứa tối đa 32 electron?
A. Lớp M
B. Lớp L
C. Lớp N
D. Lớp O
Câu 4: Lớp P (n = 6) chứa tối đa bao nhiêu electron?
A. 50 electron
B. 72 electron
C. 32 electron
D. 98 electron
Câu 5: Tổng số electron tối đa của ba lớp đầu tiên K, L, M bằng bao nhiêu?
A. 28 electron
B. 18 electron
C. 32 electron
D. 26 electron
| Câu | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| Đáp án | C | B | C | B | A |
Giải thích Câu 1 — Đáp án C (2 electron) đúng: Áp dụng công thức 2n² với n bằng 1, ta có 2 nhân 1 bình phương bằng 2 electron. Đáp án A (8 electron) sai vì 8 là số electron tối đa của lớp L, không phải lớp K. Đáp án B (1 electron) sai vì 1 chỉ là số thứ tự n của lớp K, không phải số electron tối đa. Đáp án D (18 electron) sai vì 18 là số electron tối đa của lớp M, không phải lớp K.
Giải thích Câu 2 — Đáp án B (18 electron) đúng: Áp dụng công thức 2n² với n bằng 3, ta có 2 nhân 3 bình phương bằng 2 nhân 9, bằng 18 electron. Đáp án A (32 electron) sai vì 32 là số electron tối đa của lớp N, không phải lớp M. Đáp án C (8 electron) sai vì 8 là số electron tối đa của lớp L, không phải lớp M. Đáp án D (2 electron) sai vì 2 là số electron tối đa của lớp K, không phải lớp M.
Giải thích Câu 3 — Đáp án C (Lớp N) đúng: Lớp N có n bằng 4, nên số electron tối đa bằng 2 nhân 4 bình phương, bằng 32 electron. Đáp án A (Lớp M) sai vì lớp M chỉ chứa tối đa 18 electron. Đáp án B (Lớp L) sai vì lớp L chỉ chứa tối đa 8 electron. Đáp án D (Lớp O) sai vì lớp O chứa tối đa 50 electron, không phải 32 electron.
Giải thích Câu 4 — Đáp án B (72 electron) đúng: Áp dụng công thức 2n² với n bằng 6, ta có 2 nhân 6 bình phương bằng 2 nhân 36, bằng 72 electron. Đáp án A (50 electron) sai vì 50 là số electron tối đa của lớp O, không phải lớp P. Đáp án C (32 electron) sai vì 32 là số electron tối đa của lớp N, không phải lớp P. Đáp án D (98 electron) sai vì 98 là số electron tối đa của lớp Q, không phải lớp P.
Giải thích Câu 5 — Đáp án A (28 electron) đúng: Lớp K chứa tối đa 2 electron, lớp L chứa tối đa 8 electron, lớp M chứa tối đa 18 electron, nên tổng số electron tối đa của ba lớp đầu tiên bằng 2 cộng 8 cộng 18, bằng 28 electron. Đáp án B (18 electron) sai vì 18 chỉ là số electron tối đa của riêng lớp M, chưa cộng lớp K và lớp L. Đáp án C (32 electron) sai vì 32 là số electron tối đa của lớp N, không liên quan đến tổng của ba lớp đầu. Đáp án D (26 electron) sai vì 26 không phải kết quả của phép cộng 2 cộng 8 cộng 18.
5. Câu hỏi thường gặp về số electron tối đa trong một lớp
Công thức 2n² áp dụng cho lớp nào?
Công thức 2n² áp dụng cho mọi lớp electron, từ lớp K gần hạt nhân nhất cho đến các lớp xa hạt nhân như lớp O, P, Q. Bạn chỉ cần biết số thứ tự n của lớp, thay vào công thức là ra số electron tối đa. Ví dụ lớp K có n bằng 1 nên chứa tối đa 2 electron, lớp Q có n bằng 7 nên chứa tối đa 98 electron.
Lớp K chứa tối đa bao nhiêu electron?
Lớp K chứa tối đa 2 electron, vì nó có n bằng 1 nên 2 nhân 1 bình phương bằng 2. Lớp K là lớp nhỏ nhất và gần hạt nhân nhất, nên nó chỉ có một phân lớp 1s với một orbital duy nhất, mỗi orbital chứa 2 electron. Mọi nguyên tử đều có lớp K, và lớp K luôn được điền đầy đầu tiên khi phân bố electron.
Vì sao lớp M chứa tối đa 18 electron?
Vì lớp M có n bằng 3, gồm ba phân lớp là 3s, 3p và 3d, với tổng số orbital bằng 1 cộng 3 cộng 5, bằng 9 orbital. Mỗi orbital chứa tối đa 2 electron nên lớp M chứa tối đa 9 nhân 2, bằng 18 electron. Con số này cũng khớp với công thức 2n²: 2 nhân 3 bình phương bằng 18.
Lớp ngoài cùng có chứa tối đa 2n² electron không?
Về mặt lí thuyết thì có thể, nhưng trong thực tế thì không. Lớp ngoài cùng của nguyên tử không bao giờ chứa quá 8 electron, dù công thức 2n² cho ra con số lớn hơn nhiều. Ví dụ lớp N của nguyên tử kali theo công thức chứa tối đa 32 electron, nhưng thực tế nó chỉ có 1 electron. Đây là một trong những quy luật quan trọng của cấu tạo nguyên tử mà bạn sẽ học kĩ hơn khi tìm hiểu về cấu hình electron.
Số electron tối đa và số orbital tối đa khác nhau thế nào?
Số electron tối đa trong một lớp bằng 2n², còn số orbital tối đa trong một lớp bằng n², tức là số electron tối đa gấp đôi số orbital tối đa. Nguyên nhân là mỗi orbital chứa được tối đa 2 electron, nên số electron tối đa bằng 2 nhân với số orbital. Ví dụ lớp M có 9 orbital và 18 electron, lớp N có 16 orbital và 32 electron.
6. Kết luận
Số electron tối đa trong một lớp được tính bằng công thức 2n², trong đó n là số thứ tự của lớp: lớp K chứa tối đa 2 electron, lớp L chứa tối đa 8 electron, lớp M chứa tối đa 18 electron, lớp N chứa tối đa 32 electron, và càng xa hạt nhân thì sức chứa càng lớn. Bạn đã đi qua bốn ví dụ tính từng bước, từ lớp M quen thuộc với 18 electron, qua lớp N với 32 electron, lớp L với 8 electron, đến lớp O với 50 electron theo lí thuyết. Bạn cũng đã biết năm lỗi sai thường gặp, từ việc nhầm n với số electron tối đa, dùng công thức n² thay vì 2n², cho đến việc cho rằng lớp nào cũng chỉ chứa tối đa 8 electron.
Để học chắc bài này, bạn hãy tự làm lại năm câu trắc nghiệm mà không nhìn đáp án, rồi đối chiếu với bảng đáp án và đọc kĩ phần giải thích của từng câu, đặc biệt là câu 5 về tổng số electron của ba lớp đầu, vì đó là dạng bài cần cộng nhiều con số lại với nhau. Sau đó, bạn hãy thử tự đặt thêm vài bài toán cho chính mình, ví dụ như tính số electron tối đa của lớp O khi biết n bằng 5, hoặc tính tổng số electron tối đa của bốn lớp đầu tiên K, L, M, N. Khi cần kiểm tra phép tính, bạn có thể dùng máy tính Casio online để tính nhanh, nhưng bạn vẫn cần hiểu rõ từng bước để làm bài tốt trong phòng thi. Chúc bạn học tốt và luôn tự tin mỗi khi gặp bài toán về số electron tối đa trong chương trình Hóa học lớp 10.