Cấu tạo nguyên tử, đồng vị và sắp xếp electron lớp vỏ

Mục tiêu: Xây dựng mô hình nguyên tử từ các hạt cơ bản (proton, neutron, electron), xác định số hiệu nguyên tử Z, số khối A = Z + N, quy tắc phân bố electron vào các lớp vỏ K, L, M, N (Z ≤ 20) và tính nguyên tử khối trung bình từ phần trăm các đồng vị.

Lý thuyết: Nguyên tử gồm hạt nhân mang điện dương ở tâm (chứa Z hạt proton có điện tích +1e, khối lượng ~1 u và N hạt neutron không mang điện, khối lượng ~1 u) và vỏ nguyên tử gồm các electron (điện tích −1e, khối lượng ~0,00055 u). Trong nguyên tử trung hòa điện, số electron bằng số proton (N_e = Z). Số khối của hạt nhân là A = Z + N. Các nguyên tử có cùng số proton Z nhưng khác nhau số neutron N gọi là các đồng vị của cùng một nguyên tố hóa học; nguyên tử khối trung bình của hỗn hợp hai đồng vị là Ā = (x₁·A₁ + x₂·A₂)/100. Với Z ≤ 20, electron được sắp xếp từ trong ra ngoài vào các lớp K (tối đa 2e), L (tối đa 8e), M (điền tới 8e trước khi sang lớp N) và N (tối đa 2e).

Giả thuyết: Nếu giữ nguyên số proton Z = 17 (nguyên tố Chlorine) và thay đổi số neutron từ N = 18 (³⁵Cl) sang N = 20 (³⁷Cl), cấu hình electron lớp vỏ [2 – 8 – 7] và tính chất hóa học phi kim giữ nguyên không đổi, nhưng số khối A và nguyên tử khối trung bình Ā tăng lên.

Biến độc lập: Số proton Z (1..20), số neutron N (0..24) và phần trăm số nguyên tử đồng vị thứ nhất x₁ (%)

Biến phụ thuộc: Kí hiệu nguyên tố, số khối A₁ = Z + N, nguyên tử khối trung bình Ā (u), cấu hình lớp vỏ electron [K, L, M, N], số thứ tự chu kỳ và số electron lớp ngoài cùng

Biến kiểm soát: Nguyên tử trung hòa điện (N_e = Z), quy tắc điền lớp vỏ Bohr – Aufbau cho 20 nguyên tố đầu bảng tuần hoàn

Dụng cụ: Buồng mô phỏng hạt nhân tương tác hiển thị trực quan số hạt proton (đỏ) và neutron (xám); Hệ quỹ đạo đồng tâm Bohr hiển thị phân bố electron trên các lớp K, L, M, N; Khối phổ kế đồng vị tính tự động nguyên tử khối trung bình Ā = (x₁A₁ + x₂A₂)/100 và ô thông tin bảng tuần hoàn

1. Bước 1: Khảo sát nguyên tử Chlorine mặc định (Z = 17, N = 18, x₁ = 76%) để kiểm chứng A₁ = 35, Ā ≈ 35,48 u và cấu hình 3 lớp [2 – 8 – 7] (chu kỳ 3, nhóm VIIA).
2. Bước 2: Đưa Z về 6, N = 6 (Carbon-12) hoặc Z = 11, N = 12 (Sodium-23) để đối chiếu mối liên hệ giữa số lớp electron với chu kỳ và số e lớp ngoài cùng với tính kim loại/phi kim.
3. Bước 3: Điều chỉnh Z = 10 (Neon, vỏ [2 – 8]) hoặc Z = 18 (Argon, vỏ [2 – 8 – 8]) để hoàn thành thử thách cấu hình bát tử bền vững (8 electron lớp ngoài cùng).

Hướng dẫn quan sát: Quan sát trên sơ đồ nguyên tử: số chấm đỏ/xám trong hạt nhân ở tâm và số hạt electron màu xanh chuyển động trên từng vòng lớp vỏ K, L, M, N cùng bảng tính nguyên tử khối trung bình Ā.

Giải thích kết quả: Kết quả mô phỏng khẳng định: (1) Số proton Z định danh duy nhất nguyên tố và vị trí ô trong bảng tuần hoàn; (2) Số lớp electron bằng số thứ tự chu kỳ; (3) Khi lớp ngoài cùng đạt 8 electron (Z = 10 Neon hoặc Z = 18 Argon), nguyên tử đạt cấu hình bát tử bền vững của khí hiếm.