Cr Cu La …, các cấu hình electron đẹp tự nhiên!
Có nhiều sự thật hiển nhiên từ Tự nhiên, con người phải trải qua 1 thời gian dài nghiên cứu, để rồi học hỏi cách chấp nhận các lẽ tự nhiên đó …

Cr Cu La và còn nhiều nguyên tố khác nữa, có cấu hình electron nguyên tử hoàn toàn tự nhiên; nhưng tốn rất nhiều công sức để chúng ta có thể giải thích tường tận.
Nội dung bài viết
Con người nghiên cứu từ tự nhiên rồi đưa ra các QUY LUẬT CHUNG (không thể đúng 100% quy luật của TỰ NHIÊN) để đúc kết. Nhiều nguyên tố có cấu hình electron nguyên tử không đúng theo các quy luật đó; chúng ta nói nó trái Quy luật chung,
… đúng ra
chúng không trái quy luật đâu; vì bản chất tự nhiên nó là như thế mà!. Có chăng, chúng nằm ngoài sức tưởng tượng của con người thôi!.
Cũng chẳng khó hiểu phải không bạn; cuộc sống quanh ta cũng thấy điều này rất bình thường phải không nào, rất nhiều thứ trong cuộc sống cũng không tuân theo những cách thức chung phổ biến mà!.
1. Cấu hình do con người nghiên cứu đưa ra
🐸Mình đã biết rằng các electron điền vào các orbital (AO) nguyên tử có mức năng lượng từ thấp đến cao; do khi sống ở mức năng lượng thấp – chúng bền vững hơn. Thứ tự AO có mức năng lượng tăng dần như sau:
1s2 < 2s2 < 2p6 < 3s2 < 3p6 < 4s2 < 3d10 < 4p6 < 5s2 < 4d10 < 5p6 < 6s2 < 4f14 < 5d10 < …. (****)
⚛︎Ở Cr với số Z = 24; theo thứ tự (****) thì phải là 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d4.
Nhưng thực tế thấy …4s1 3d5 ; tức 1 electron ở mức năng lượng thấp 4s đã di chuyển lên mức năng lượng cao hơn là 3d.
⚛︎Tương tự, Cu với số Z = 29, theo thứ tự trên phải là 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d9.
Nhưng thực tế lại là …4s1 3d10 ; bằng cách di chuyển một electron tương tự như Cr.
⚛︎Với La có 57 electron, dựa vào dãy trên ta viết được 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f1.
Nhưng thực tế lại là …6s2 5d1. Tức 1 electron cuối cùng không đứng ở mức năng lượng thấp 4f theo dãy (****); mà nhảy lên mức năng lượng 5d cao hơn?
Ghi chú: Ở trên mình đang viết theo Mức năng lượng tăng dần; Cấu hình electron nguyên tử Cr, Cu, La phải viết lại là
- Cr: [Ar] 3d5 4s1
- Cu: [Ar] 3d10 4s1
- La: [Xe] 4f1 6s2
1.1. Ở cấp III, các thầy cô nói thế này khi gặp Cr Cu
Phân lớp được lấp đầy hoàn toàn hoặc một nửa (bão hòa hoặc bán bão hòa) ổn định hơn (bền hơn) các cấu hình còn lại, tức là cấu hình s2, p6, d10, f14 hoặc s1, p3, d5, f7 📌🍊🍍🍆 bền hơn các cấu hình khác như p4, p5, d6, d9, f5, f4, …
1.2. Xét cấu hình electron của Cr
⚛︎Nếu đã dạy HS điều lưu ý 📌🍊🍍🍆 trên thì mình dễ dàng trả lời
- Cấu hình …3d4 4s2 chỉ ổn định (bền) ở 1 phân lớp 4s; trong khi …3d5 4s1 lại ổn định (bền) ở cả 2 phân lớp 3d và 4s; và như thế… đương nhiên cấu hình Cr là vậy rồi.
- Câu trả lời đến đây là chấm dứt và dễ như ăn kẹo.
⚛︎Nhưng nếu HS hỏi tiếp …tại sao? …tại sao? …tại sao hả? thì T chỉ trả lời bằng cách ví von – mà tất cả HS đều dễ dàng chấp nhận; như vầy nè:
- Các electron sinh sống trong …5 orbital 3d (5 căn nhà loại 3d) và …1 orbital 4s (1 căn nhà loại 4s) như sau:
- ✏️ 3d4 4s2 là: 3d4 ↑ ↑ ↑ ↑ và 4s2 ⇅ mình thấy có 1 căn nhà trống ở 3d (chỗ ); trong khi căn nhà 4s lại có đến 2 electron ở – chật chội khó chịu quá đi!
- ✏️ 3d5 4s1 là: 3d5 ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ và 4s1 ↑ mình thấy mỗi căn nhà chỉ có 1 electron sinh sống – quá rộng rãi và dễ chịu!
- và như vậy, cấu hình của Cr …3d5 4s1 bền hơn là đương nhiên (thấy sao mà electron giống y hệt con người mình luôn).
1.3. Xét cấu hình electron của Cu
⚛︎Tương tự, Cu với số Z = 29, được cho là có cấu hình electron …3d9 4s2. Nhưng cấu hình thực tế lại là …3d10 4s1. Bằng cách di chuyển một electron từ 4s sang 3d.
- 3d9 ⇅ ⇅ ⇅ ⇅ ↑ và 4s2 ⇅
- thực tế 3d10 ⇅ ⇅ ⇅ ⇅ ⇅ và 4s1 ↑
⚛︎Cách giải thích phân lớp bão hòa hoặc bán bão hoàn bền hơn vẫn dùng được trường hợp này; nhưng giải thích kiểu ví von trên trường hợp Cr khó rồi – chắc phải lách bằng cách dùng khái niệm “cặp đôi” hay 1 kiểu gì đó!.
1.4. Xét cấu hình electron của La
Đến đây, nếu áp dụng cách giải thích của Cr, Cu cho La thì pó tay rồi!.
2. Năng lượng trao đổi – phải học Hóa lượng tử
⚛︎Nhưng nếu HS vẫn không chấp nhận các câu trả lời ngây ngô trên….
…thì thôi, mình cũng bí luôn!. Và thực tế là, gần 20 năm dạy Hóa, mình cũng chẳng khi nào tìm hiểu thêm, vì đã đủ, chẳng HS nào hỏi tiếp; bởi vì cũng như các em bé, chúng mình đang vui vẻ và chấp nhận khái niệm “Gà chưa biết gáy là con gà con. Gà mà gáy sáng là con gà cha. Gà mà cục tác là mẹ gà con …”, chứ chưa đi đến tận cùng về cấu tạo cơ thể, đặc tính, … của gà con; gà ba là thế nào – vì thực tế, sự hiểu biết này chỉ dành cho các nhà chuyên môn nghiên cứu về gà thôi.
2.1. Năng lượng trao đổi
😁🥴😏Nói dài dòng như vậy để các bạn thấy – nếu cần câu trả lời đến tận cùng, thì phải tìm hiểu thêm lời giải thích bằng “Cơ học (Hóa học) lượng tử” – môn học khiến sinh viên và cả giáo viên đau khổ quằn quại, thậm chí bị ám ảnh ngay trong những giấc mơ!
⚛︎Khái niệm cấu hình lấp đầy một nửa và lấp đầy hoàn toàn sẽ ổn định hơn (trường hợp Cr, Cu) hoặc trường hợp khác như La có liên quan đến năng lượng trao đổi, một khái niệm trong cơ học lượng tử (the exchange energy, a concept in quantum mechanics).
Năng lượng trao đổi liên quan đến sự đổi chỗ của các hạt giống hệt nhau – trường hợp này là các electron trong nguyên tử.
⚛︎Khi hai hoặc nhiều electron có cùng spin thay đổi vị trí giữa các orbital (AO) – chúng sẽ giải phóng ra năng lượng. Sau khi mất bớt năng lượng, các electron chỉ còn mức năng lượng thấp …nên ổn định (bền) hơn so với lúc đầu.
⚛︎Có khi thấy electron cũng giống mình, nếu được bố mẹ đổi chỗ cho ra riêng 1 căn nhà, không sống chung với người khác… thì mình sẽ giải phóng rất nhiều năng lượng luôn – bằng cách: nhảy nhót, ca hát, cười, yêu đời, yêu người, mang đến nhiều năng lượng tích cực cho người khác (nói cho giống sách vở!), …
⚛︎Trời ơi, ông Giáo sư này giảng về NĂNG LƯỢNG TRAO ĐỔI trên YouTube mà mình chẳng hiểu gì, chỉ thấy có duy nhất 01 bình luận đơn sơ_Thanks a lot for these lectures!.
Hoặc có bài viết Exchange Energy của University of California San Diego, nhìn thấy chóng mặt luôn.
Thôi, cứ coi cho oai vậy, để hiểu rằng đôi khi, cũng phải chấp nhận câu giải thích ngây ngô như trên; bởi vì… thật quá khó để đi đến sự hiểu biết tận cùng.
2.2. Giải thích trường hợp của La dựa trên Năng lượng trao đổi
😲Có nhiều câu trả lời của các Giảng viên trên Internet cho trường hợp của La. Nếu muốn bớt đau đầu, mình chấp nhận vài câu trả lời đơn giản này:
- …đây là một trong những ngoại lệ đối với thứ tự lấp đầy của orbital!… hoặc
- …các trường hợp ngoại lệ luôn đưa electron về trạng thái năng lượng thấp nhất có thể, đó là nơi chúng muốn đến… hoặc
- …mình nhớ rằng nguyên tử luôn làm mọi thứ cần thiết để trở nên ổn định. Khi 1 electron chuyển qua 5d, nó sẽ cung cấp cho nguyên tử ít phân lớp chưa lấp đầy hơn (còn 4 phân lớp trống thay vì 6 phân lớp trống nếu electron ở 4f); và do đó có tính ổn định cao nhất.
😵💫Dựa trên NĂNG LƯỢNG TRAO ĐỔI trên, mình đưa ra lời giải thích có thể khá hợp lí dưới đây:
- Các nhà khoa học đã tính toán để kết luận: 5d và 4f có năng lượng rất gần nhau.
- Khi 1 electron ở 4f chuyển sang 5d, …electron đó sẽ giải phóng bớt năng lượng; năng lượng giải phóng ra nhiều đến nỗi …nhiều hơn sự chênh lệch năng lượng giữa 4f và 5d – tức electron chuyển sang mức năng lượng thấp nếu nó ở 5d, điều này khiến electron trở nên ổn định (bền vững) hơn.
🍀🍂🌾🪴Mời các bạn tham khảo phần trả lời trên của mình; nếu tìm được lời giải thích khác thuyết phục hơn, bạn hãy ghi lên đây để nhiều người cùng biết nha.
Trân trọng & chúc các bạn thật nhiều sức khỏe,
Toan từ w3chem.com.
3. Liên kết nhanh
Mời bạn đọc thêm các bài viết khác tại đây.
Tác giả: Đỗ Trọng Toan từ W3chem.com
Mình là người tự mình thực hiện toàn bộ dự án này – bao gồm xây dựng trang web, viết nội dung, tìm tài liệu tham khảo, trả lời câu hỏi bạn gởi về. Vui lòng xem xét QUYÊN GÓP để hỗ trợ W3chem CHỈ BẰNG CÁCH CHIA SẺ BÀI VIẾT NÀY LÊN MẠNG XÃ HỘI; bởi vì trong tương lai, bạn sẽ cho mình nhiều thời gian để làm việc trên W3chem, cũng có nghĩa bạn có thể nhận thêm nhiều nội dung mới nhanh hơn tại đây. 😍 🥰 😘
Mình cảm ơn bạn rất nhiều ⤵