Electron là gì? Điện tích, lớp electron, vai trò trong nguyên tử và liên kết hoá học

Electron là gì?

Electron là hạt mang điện tích âm, chuyển động trong vùng không gian xung quanh hạt nhân nguyên tử. Electron có khối lượng rất nhỏ so với proton và neutron, nhưng lại giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong hoá học vì electron quyết định phần lớn tính chất hoá học, khả năng tạo ion và khả năng hình thành liên kết giữa các nguyên tử.

Trong nguyên tử trung hoà, số electron bằng số proton trong hạt nhân. Ví dụ, nguyên tử Oxi có 8 proton nên nguyên tử Oxi trung hoà có 8 electron. Nguyên tử Natri có 11 proton nên Natri trung hoà có 11 electron.

Electron là kiến thức nền tảng để học cấu tạo nguyên tử, ion, liên kết hoá học, phản ứng oxi hoá khử, bảng tuần hoàn và tính chất nguyên tố. Bài này liên quan đến hạt nhân nguyên tử, ion, cation, anion, liên kết ion, liên kết cộng hoá trị và bảng tuần hoàn hóa học.

Điện tích và khối lượng của electron

Electron mang điện tích âm. Trong hoá học phổ thông, điện tích tương đối của electron thường được lấy là -1. Proton có điện tích tương đối +1, còn neutron có điện tích 0. Vì vậy, trong nguyên tử trung hoà, số proton bằng số electron để tổng điện tích bằng 0.

Khối lượng electron nhỏ đến mức trong nhiều bài tập phổ thông, khối lượng nguyên tử được xem gần bằng tổng khối lượng proton và neutron trong hạt nhân. Tuy vậy, electron không hề “không quan trọng”; electron là phần quyết định cách nguyên tử tương tác hoá học.

Electron nằm ở đâu trong nguyên tử?

Electron không quay quanh hạt nhân theo quỹ đạo tròn cố định như hành tinh quay quanh Mặt Trời. Mô hình hiện đại mô tả electron tồn tại trong các vùng không gian có xác suất tìm thấy electron cao, gọi là orbital. Ở mức phổ thông cơ bản, học sinh thường được học electron phân bố thành các lớp electron quanh hạt nhân.

Các lớp electron được ký hiệu theo thứ tự từ gần hạt nhân ra xa: K, L, M, N hoặc theo số lượng tử chính n = 1, 2, 3, 4. Lớp càng gần hạt nhân thường có mức năng lượng thấp hơn; lớp càng xa hạt nhân thường có mức năng lượng cao hơn.

Trong chương trình cơ bản, với các nguyên tố nhẹ, học sinh thường dùng cách phân bố electron theo lớp để dự đoán số electron lớp ngoài cùng và tính chất nguyên tố.

Electron lớp ngoài cùng là gì?

Electron lớp ngoài cùng là các electron nằm ở lớp electron xa hạt nhân nhất đang có electron. Chúng còn được gọi là electron hoá trị trong nhiều trường hợp. Đây là nhóm electron quan trọng nhất đối với tính chất hoá học của nguyên tố.

• Natri có cấu hình lớp electron cơ bản là 2, 8, 1 nên có 1 electron lớp ngoài cùng.
• Magie có cấu hình 2, 8, 2 nên có 2 electron lớp ngoài cùng.
• Oxi có cấu hình 2, 6 nên có 6 electron lớp ngoài cùng.
• Clo có cấu hình 2, 8, 7 nên có 7 electron lớp ngoài cùng.

Số electron lớp ngoài cùng giúp giải thích vì sao các nguyên tố cùng nhóm trong bảng tuần hoàn có tính chất hoá học tương tự. Ví dụ, các kim loại kiềm thường có 1 electron lớp ngoài cùng nên dễ nhường electron để tạo ion dương +1.

Electron và sự hình thành ion

Ion được hình thành khi nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử mất hoặc nhận electron. Nếu nguyên tử mất electron, nó trở thành ion dương gọi là cation. Nếu nguyên tử nhận electron, nó trở thành ion âm gọi là anion.

Ví dụ, Natri có 1 electron lớp ngoài cùng nên dễ mất 1 electron để tạo Na⁺. Clo có 7 electron lớp ngoài cùng nên dễ nhận 1 electron để tạo Cl^–. Sau đó Na⁺ và Cl^– hút nhau tạo hợp chất ion NaCl.

Electron và liên kết ion

Liên kết ion thường hình thành khi có sự chuyển electron từ nguyên tử kim loại sang nguyên tử phi kim. Kim loại mất electron tạo cation; phi kim nhận electron tạo anion. Lực hút tĩnh điện giữa các ion trái dấu tạo nên liên kết ion.

Ví dụ sự hình thành NaCl:

Na → Na⁺ + e

Cl + e → Cl^–

Na⁺ + Cl^– → NaCl

Trong quá trình này, electron là yếu tố trung tâm. Nếu không hiểu sự chuyển electron, học sinh khó hiểu bản chất của liên kết ion và tính chất của hợp chất ion.

Electron và liên kết cộng hoá trị

Liên kết cộng hoá trị hình thành khi các nguyên tử dùng chung electron. Kiểu liên kết này thường gặp giữa các nguyên tử phi kim. Thay vì chuyển hẳn electron như liên kết ion, các nguyên tử cùng góp electron để tạo cặp electron chung.

Ví dụ phân tử H₂: Hai nguyên tử H, mỗi nguyên tử có 1 electron. Khi tạo H₂, hai nguyên tử H dùng chung một cặp electron, giúp mỗi H đạt cấu hình bền hơn giống khí hiếm Helium.

Ví dụ phân tử H₂O: Oxi có 6 electron lớp ngoài cùng, mỗi Hidro có 1 electron. Oxi dùng chung electron với hai nguyên tử Hidro để tạo hai liên kết O-H.

Electron và phản ứng oxi hoá khử

Phản ứng oxi hoá khử là phản ứng có sự chuyển electron giữa các chất. Chất nhường electron là chất khử và bị oxi hoá. Chất nhận electron là chất oxi hoá và bị khử.

Ví dụ:

Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu

Bản chất electron:

Zn → Zn²⁺ + 2e

Cu²⁺ + 2e → Cu

Zn nhường electron nên là chất khử. Cu²⁺ nhận electron nên là chất oxi hoá. Vì vậy, electron là chìa khoá để hiểu sâu phản ứng oxi hoá khử, số oxi hoá và pin điện hoá.

Electron và bảng tuần hoàn

Bảng tuần hoàn không chỉ sắp xếp nguyên tố theo số proton, mà còn thể hiện quy luật phân bố electron. Các nguyên tố trong cùng một nhóm thường có số electron lớp ngoài cùng giống nhau hoặc tương tự nhau, nên có tính chất hoá học giống nhau.

Đây là lý do khi học Kim loại, Phi kim hoặc Halogen, học sinh luôn cần liên hệ đến electron lớp ngoài cùng.

Cấu hình electron là gì?

Cấu hình electron là cách biểu diễn sự phân bố electron trong các lớp và phân lớp của nguyên tử. Ở mức cơ bản, học sinh có thể viết phân bố theo lớp như 2, 8, 1 đối với Natri. Ở mức nâng cao hơn, cấu hình electron viết theo phân lớp như 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹.

Cấu hình electron giúp dự đoán nguyên tố thuộc chu kỳ nào, có bao nhiêu electron lớp ngoài cùng, có xu hướng nhường, nhận hay dùng chung electron, và có tính kim loại hay phi kim. Bài liên quan: Cấu hình electron là gì?.

Electron trong dòng điện và dung dịch điện li

Trong kim loại, dòng điện liên quan đến sự chuyển động có hướng của electron tự do. Vì kim loại có các electron có thể di chuyển tương đối dễ trong mạng tinh thể, kim loại thường dẫn điện tốt.

Trong dung dịch điện li, dòng điện không phải chủ yếu do electron tự do chuyển động trong dung dịch, mà do các ion chuyển động. Tuy vậy, ở điện cực, electron vẫn tham gia vào các quá trình oxi hoá – khử. Vì thế, electron là khái niệm quan trọng cả trong dẫn điện kim loại lẫn điện hoá học.

Bài tập ví dụ về electron

Bài 1

Nguyên tử Natri có 11 proton. Nguyên tử Natri trung hoà có bao nhiêu electron?

Lời giải: Nguyên tử trung hoà có số electron bằng số proton. Vậy Natri có 11 electron.

Bài 2

Khi nguyên tử Cl nhận thêm 1 electron, nó tạo ion gì?

Lời giải: Cl nhận 1 electron tạo ion Cl^–, gọi là anion chloride.

Bài 3

Trong phản ứng Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu, chất nào nhường electron?

Lời giải: Zn nhường electron để tạo Zn²⁺, nên Zn là chất nhường electron.

Những lỗi thường gặp khi học electron

Lỗi đầu tiên là nghĩ electron nằm trong hạt nhân. Thực tế electron nằm trong vùng không gian xung quanh hạt nhân; hạt nhân chứa proton và neutron.

Lỗi thứ hai là nhầm electron với proton. Electron mang điện âm, proton mang điện dương.

Lỗi thứ ba là nghĩ nguyên tử mất electron thì thành ion âm. Thực tế mất electron làm nguyên tử trở thành ion dương; nhận electron mới tạo ion âm.

Lỗi thứ tư là chỉ học thuộc số electron mà không hiểu vai trò electron lớp ngoài cùng. Chính electron lớp ngoài cùng mới liên quan trực tiếp đến liên kết và phản ứng hoá học.

Kết luận

Electron là hạt mang điện âm nằm xung quanh hạt nhân nguyên tử. Dù có khối lượng rất nhỏ, electron quyết định phần lớn tính chất hoá học của nguyên tử, khả năng tạo ion, liên kết ion, liên kết cộng hoá trị và phản ứng oxi hoá khử. Hiểu electron giúp học sinh học sâu bảng tuần hoàn, cấu tạo nguyên tử, liên kết hoá học và phản ứng hoá học.

Tài liệu tham khảo

• IUPAC Gold Book – Electron: https://goldbook.iupac.org/terms/view/E02032
• IUPAC Gold Book – Atomic orbital: https://goldbook.iupac.org/terms/view/A00496
• Royal Society of Chemistry – Atomic structure and bonding: https://edu.rsc.org/
• Chemistry LibreTexts – Electrons in Atoms: https://chem.libretexts.org/Bookshelves/General_Chemistry