1.1. Chuyển động của electron trong nguyên tử
Đến đầu thế kỉ XX, người ta vẫn cho rằng các electron chuyển động xung quanh hạt nhân nguyên tử theo Electron những quỹ đạo tròn hay bầu dục, giống như quỹ đạo của các hành tinh quay xung quanh Mặt Trời Hạt nhân (Hình 3.1).
Hình 3.1. Mô hình hành tinh nguyên tử của E.Rutherford (Rơ-dơ-pho), N. Bohr (Bo) và A. Sommerfeld (Zom-mo-phen)
– Mô hình hành tinh nguyên tử đã có ảnh hưởng rất lớn, thúc đẩy sự phát triển lí thuyết cấu tạo nguyên tử, nhưng không đầy đủ để giải thích nhiều tính chất của nguyên tử.
– Theo mô hình hiện đại, trong nguyên tử, electron chuyển động rất nhanh, không theo quỹ đạo xác định. Tuy nhiên, người ta có thể xác định được vùng không gian xung quanh hạt nhân mà ở đó xác suất có mặt (xác suất tìm thấy) electron là lớn nhất (khoảng 90%). Vùng không gian xung quanh hạt nhân tìm thấy electron có thể hình dung như một đám mây electron, được gọi là orbital nguyên tử (Hình 3.2). Orbital nguyên tử được kí hiệu là AO (Atomic Orbital).
Hình 3.2. Mô hình đám mây electron của nguyên tử hydrogen
a. Hình dạng orbital nguyên tử
Khi chuyển động trong nguyên tử, các electron có những mức năng lượng khác nhau đặc trưng cho trạng thái chuyển động của nó. Dựa trên sự khác nhau về hình dạng, sự định hướng của orbital trong nguyên tử để phân loại orbital thành orbital s, orbital p, orbital d và orbital f. Các orbital s có dạng hình cầu và orbital p có dạng hình số 8 nổi (Hình 3.3).
Hình 3.3. Hình dạng orbital s và p
b. Ô orbital
– Một AO được biểu diễn bằng một ô vuông, gọi là ô orbital 
– Trong 1 orbital chỉ chứa tối đa 2 electron có chiều tự quay ngược nhau (nguyên lí loại trừ Pauli (Pau-li)). Nếu orbital có 1 electron thì biểu diễn bằng 1 mũi tên đi lên, nếu orbital CÓ 2 electron thì được biểu diễn bằng 2 mũi tên ngược chiều nhau, mũi tên đi lên viết trước.
1.2. Lớp và phân lớp electron
Trong nguyên tử, các electron sắp xếp thành từng lớp và phân lớp theo năng lượng từ thấp đến cao
a. Lớp electron
– Những electron ở lớp gần hạt nhân bị hút mạnh hơn về phía hạt nhân, vì thế có năng lượng thấp hơn so với những electron ở lớp xa hạt nhân.
– Các electron thuộc cùng một lớp có mức năng lượng gần bằng nhau.
– Người ta thường đánh số thứ tự lớp từ trong ra ngoài và được biểu thị bằng các số nguyên n = 1, 2, 3, 4,7 với tên gọi là các chữ cái in hoa như sau:
| n | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| Tên lớp | K | L | M | N | O | P | Q |
b. Phân lớp electron
– Các phân lớp trong mỗi lớp electron được kí hiệu bằng các chữ cái viết thường, theo thứ tự: s, p, d, f.
– Các electron trên cùng một phân lớp có mức năng lượng bằng nhau.
– Số phân lớp trong mỗi lớp bằng số thứ tự của lớp (n \( \le \) 4):
+ Lớp thứ nhất (lớp K, với n = 1) có một phân lớp, được kí hiệu là 1s.
+ Lớp thứ hai (lớp L, với n = 2) có 2 phân lớp, được kí hiệu là 2s và 2p.
+ Lớp thứ ba (lớp M, với n = 3) có 3 phân lớp, được kí hiệu là 3s, 3p và 3d.
+ Lớp thứ tư (lớp N, Với n = 4) có 4 phân lớp, được kí hiệu 4s, 4p, 4d và 4f.
Các electron ở phân lớp 9 gọi là electron s, các electron ở phân lớp 9 gọi là electron p,…
c. Số lượng orbital trong một phân lớp, trong một lớp
Trong một phân lớp, các orbital có cùng mức năng lượng.
– Phân lớp : Có 1AO s .
– Phân lớp p: có 3AO px, pp, pz
– Phân lớp d: Có 5 AO
– Phân lớp f: có 7 AO
→ Trong lớp electron thứ n có n2 AO (n \( \le \) 4).
Ví dụ: Lớp L (n = 2) có 2 phân lớp là 25 và 2p. Trong đó, phân lớp 2s CÓ 1 AO, phân lớp 2p có 3 AO nên tổng số orbital trong lớp L là 1 + 3 = 4 hay 22 AO.
1.3. Cấu hình electron của nguyên tử
– Cấu hình electron của nguyên tử biểu diễn sự phân bố electron trên các phân lớp thuộc các lớp khác nhau.
– Các electron trong nguyên tử ở trạng thái cơ bản lần lượt chiếm các orbital có mức năng lượng từ thấp đến cao (nguyên lí vững bền).
– Trong cùng một phân lớp, các electron sẽ phân bố trên các orbital sao cho số electron độc thân là tối đa và các electron này có chiều tự quay giống nhau (quy tắc lớp electron Hund (Hun)).
– Cấu hình electron của nguyên tử cho biết số lớp nguyên tử hydrogen electron, thử tự phân lớp electron và số electron trong mỗi lớp và mỗi phân lớp.
Hình 3.4. Cấu hình electron nguyên tử hydrogen
a. Viết cấu hình electron của nguyên tử
– Bước 1. Xác định số electron trong nguyên tử.
– Bước 2. Viết thứ tự các lớp và phân lớp electron theo chiều tăng của năng lượng: 1s 2s 2p 3s 3p 4s …
– Bước 3. Điền các electron vào các phần lớn theo nguyên lí vững bền cho đến electron cuối cùng.
Ví dụ: Viết cấu hình electron của nguyên tử oxygen (Z = 8) và potassium (Z = 19).
– Tổng số electron của nguyên tử 0 là 8.
– Viết thứ tự các lớp và phân lớp electron đến phân lớp 4s theo chiều tăng của năng lượng: 1s 2s 2p 3s 3p 4s
– Điền các electron: 1s22s22p4 (bỏ phần thừa 3s 3p 4s).
– Có thể thay 1s2 bằng kí hiệu [He}. Cấu hình electron của nguyên tử O là 1s22s22p4 hoặc [He]2s22p4 hoặc (2,6).
– Electron cuối cùng điền vào phần lớp p nên oxygen là nguyên tố p.
– Tổng số electron của nguyên tử K là 19.
– Viết thứ tự các lớp và phân lớp electron đến phân lớp 4s theo chiều tăng của năng lượng: 1s 2s 2p 3s 3p 4s…
– Điền các electron: 1s22s22p63s23p64s1.
– Có thể thay 1s22s22p63s23p6 bằng kí hiệu [Ar]
– Cấu hình electron của nguyên tử K là 1s22s22p63s23p64s1 hoặc [Ar]4s1 hoặc (2, 8, 8, 1)
– Electron cuối cùng điền vào phân lớp 9 nên potassium là nguyên tố s.
b. Biểu diễn cấu hình electron theo ô orbital
Ví dụ: Cấu hình electron của nguyên tử nitrogen có Z= 7: 1s22s22p3 có thể được biểu diễn theo ô orbital như sau:
Hai ô orbital 1s và 2s có đủ 2 electron được biểu diễn bằng hai mũi tên ngược chiều nhau (nguyên lí Pauli). 3 electron còn lại được sắp xếp vào 3 ô orbital 2p bằng 3 mũi tên đi lên để số electron độc thân là tối đa (quy tắc Hund).
c. Đặc điểm của lớp electron ngoài cùng
– Các electron lớp ngoài cùng quyết định tính chất hoá học cơ bản của nguyên tố (kim loại, phi kim, khí hiếm).
– Các nguyên tử có 8 electron lớp ngoài cũng đều rất bền vững, chủng hầu như không tham gia vào các phản ứng hoá học, đó là các nguyên tử khi hiếm (riêng He CỐ số electron lớp ngoài cùng là 2).
– Các nguyên tố mà nguyên tử có 1,2,3 electron ở lớp ngoài cùng là kim loại (trừ H, He, B).
– Các nguyên tố mà nguyên tử có 5, 6, 7 electron ở lớp ngoài cũng thường là phi kim.
– Các nguyên tố mà nguyên tử có 4 electron ở lớp ngoài cùng có thể là kim loại hoặc phi kim.