Electron hóa trị

Tìm electron hóa trị trong nguyên tử nhóm chính

Na có cấu hình [Ne]3s¹ nên có một electron ngoài cùng; Cl là [Ne]3s²3p⁵ nên có bảy. Các nguyên tố trong cùng cột nhóm chính lặp lại mẫu ns/np bên ngoài và vì thế có nhiều nét hóa học giống nhau.

Các khí hiếm nhóm 18 thường có ns²np⁶ với 8 electron hóa trị. Heli là ngoại lệ quan trọng: lớp thứ nhất chỉ có orbital 1s, nên 1s² đã là lớp kín với 2 electron.

Ký hiệu Lewis và liên kết

Ký hiệu Lewis đặt một chấm cho mỗi electron hóa trị quanh ký hiệu nguyên tố. C với 4 electron thường tạo 4 liên kết; O với 6 electron thường tạo 2 liên kết và giữ 2 cặp tự do; Cl với 7 electron thường tạo 1 liên kết và 3 cặp tự do.

Electron hóa trị, điện tích hình thức và cấu trúc Lewis

Khi dựng cấu trúc Lewis, cộng tổng electron hóa trị rồi phân bố vào liên kết và cặp electron tự do. Điện tích hình thức chia đôi electron liên kết; số oxi hóa lại gán toàn bộ electron liên kết cho nguyên tử âm điện hơn, nên hai khái niệm không giống nhau.

Electron lõi không phải luôn “không liên quan hóa học”

Trong mô hình liên kết cơ bản có thể xem electron lõi là nền tương đối trơ, nhưng phổ phân giải cao, hiệu ứng tương đối tính của nguyên tố nặng và phân cực lõi cho thấy lõi vẫn ghép với vùng hóa trị. “Hóa trị” là cách phân loại hữu ích theo phản ứng, không phải tách electron khỏi hệ lượng tử.

Ion, trạng thái oxi hóa và kim loại chuyển tiếp

Vùng hóa trị rộng hơn ở kim loại chuyển tiếp và nội chuyển tiếp

Fe được viết [Ar]3d⁶4s². Vì 4s và 3d gần nhau về năng lượng, electron d cũng tham gia liên kết, từ tính và nhiều trạng thái oxi hóa. Chỉ đếm electron ở n lớn nhất sẽ bỏ sót phần quan trọng của hóa học kim loại chuyển tiếp.

Số electron hóa trị dự đoán họ hóa học, không quyết định mọi số oxi hóa

Mẫu ngoài cùng giải thích vì sao halogen thường có xu hướng nhận một electron. Nhưng số oxi hóa thực tế còn phụ thuộc năng lượng liên kết, mạng tinh thể, dung môi hóa, phối tử và năng lượng toàn phản ứng.

Hệ quả hóa học của cấu trúc hóa trị

Sự lặp lại cấu hình ngoài cùng trong một nhóm tạo ra các mẫu chung về số liên kết, xu hướng tạo ion và phản ứng. Tuy vậy kích thước orbital, độ âm điện và độ phân cực thay đổi theo chu kì, nên cùng số electron hóa trị không có nghĩa hóa học hoàn toàn giống nhau.

Quang phổ có thể thăm dò trực tiếp trạng thái electron hóa trị

Quang phổ quang electron đo năng lượng cần để tách electron, phân biệt mức hóa trị với mức lõi sâu hơn. Vị trí và hình dạng đỉnh hóa trị thay đổi theo môi trường liên kết, nên electron hóa trị là trạng thái lượng tử có thể quan sát thực nghiệm chứ không chỉ là chấm trong sơ đồ Lewis.

Bài tập

1. Lưu huỳnh

S có cấu hình [Ne]3s²3p⁴. Có bao nhiêu electron hóa trị?

2. Nhôm

Al là [Ne]3s²3p¹. Có bao nhiêu electron hóa trị?

3. Sắt

Vì sao chỉ đếm electron ở n lớn nhất không đủ cho Fe?