Khác biệt giữa bản sửa đổi của “Quy tắc Klechkovsky”

Một phiên bản của quy tắc Klechkovsky được gọi là [[mô hình vỏ hạt nhân]] được sử dụng để dự đoán cấu hình của các [[proton]] và [[neutron]] trong [[hạt nhân nguyên tử]].<ref>{{Chú thích sách|title=An introduction to nuclear physics|last=Cottingham|first=W. N.|last2=Greenwood|first2=D. A.|date=1986|publisher=Cambridge University Press|isbn=0-521-31960-9|chapter=Chapter 5: Ground state properties of nuclei: the shell model}}</ref>

[[Tập tin:Aufbau_Principle.png|nhỏ| Các phân lớp cùng bị mũi tên màu đỏ gạch ngang có cùng giá trị <math>n + \ell</math>. Đi từ trên xuống dưới theo mũi tên xanh là chiều tăng giá trị <math>n + \ell</math>, hướng của mũi tên màu đỏ cho biết thứ tự điền electron vào orbital ]]

Trong các nguyên tử trung hòa, thứ tự gần đúng để điền electron vào các phân lớp được đưa ra theo ''quy tắc n + ℓ'', còn được gọi là:

* Quy tắc đường chéo.<ref>{{Chú thích web|url=http://www.wyzant.com/resources/lessons/science/chemistry/electron_configuration|title=Electron Configuration|publisher=[[WyzAnt]]}}</ref>

Trong đó ''n'' đại diện cho [[số lượng tử chính]] và ''ℓ'' là [[số lượng tử xung lượng]]; n là số nguyên thỏa mãn n ≥ 1 trong khi ''ℓ'' là số nguyên thỏa mãn 0 ≤ ℓ ≤ n - 1; các giá trị ''ℓ'' = 0, 1, 2, 3... tương ứng với các phân lớp ''s'', ''p'', ''d'' và ''f''. Thứ tự phân lớp theo quy tắc này là 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p, 8s,... Ví dụ: titan (Z = 22) có cấu hình trạng thái cơ bản là 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d².<ref>{{Chú thích sách|title=Inorganic Chemistry|last=Miessler|first=Gary L.|last2=Tarr|first2=Donald A.|date=1998|publisher=Prentice Hall|isbn=0-13-841891-8|edition=2nd|page=38}}</ref> Chú ý phân biệt thuật ngữː phân lớp ngoài cùng (có số lượng tử chính n lớn nhất trong cấu hình e nguyên tử) và phân lớp cuối cùng (chứa electron được điền cuối cùng có năng lượng cao nhất).

Các tác giả khác viết các phân lớp luôn theo thứ tự tăng n, chẳng hạn như Ti (Z = 22) 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d² 4s².<ref name="Jolly">{{Chú thích sách|title=Modern Inorganic Chemistry|last=Jolly|first=William L.|date=1984|publisher=McGraw-Hill|isbn=0-07-032760-2|edition=1st|pages=10-12}}</ref> Đối với một nguyên tử trung hòa nhất định, hai cách viết thứ tự cấu hình electron trên là tương đương vì sự chiếm chỗ orbital của electron chỉ có có ý nghĩa vật lý.

Các orbital có giá trị ''n + ℓ'' thấp hơn được điền trước các orbital có giá trị ''n + ℓ'' cao hơn. Trong trường hợp giá trị ''n + ℓ'' bằng nhau, orbital có giá trị ''n'' thấp hơn được điền trước. Tính chất này của các electron được xác nhận bằng thực nghiệm thông qua đặc tính phổ của từng nguyên tố.<ref>{{cite journal | last = Scerri | first = Eric R. | title = How Good Is the Quantum Mechanical Explanation of the Periodic System? | journal = Journal of Chemical Education | volume = 75 | issue = 11 | pages = 1384–85 | year = 1998 | url= http://www.chem.ucla.edu/dept/Faculty/scerri/pdf/How_Good_is.pdf | doi = 10.1021/ed075p1384}}</ref> Quy tắc trật tự năng lượng Klechkovsky chỉ áp dụng cho các nguyên tử trung hòa ở trạng thái cơ bản và không đúng hoàn toàn cho tất cả nguyên tử do sự tương tác của một số electron với nhau đóng vai trò ngày càng quan trọng khi số hiệu nguyên tử lớn hơn, nhưng chưa được tính đến trong các quy tắc này. Có mười nguyên tố trong số các [[kim loại chuyển tiếp]] và mười nguyên tố trong nhóm [[Họ lantan|lantan]] và [[Họ Actini|actini]] mà quy tắc này dự đoán cấu hình electron khác với cấu hình thực nghiệm,<ref>{{Chú thích sách|tác giả =Erwin Riedel |đồng tác giả= |tựa đề=Anorganische Chemie|bản thứ=2 |series= |cuốn= |ngày tháng= |năm=1990 |nhà xuất bản= |nơi= |ngôn ngữ= tiếng Đức|isbn=3-11-012321-5 |chương= |trang=}}(cho các ngoại lệ của quy tắc Klechkovsky)</ref><ref>{{cite journal | last = Meek | first = Terry L. | coauthors = Leland C. Allen, | title = Configuration irregularities: deviations from the Madelung rule and inversion of orbital energy levels | journal = Chemical Physics Letters | volume = 362 | issue = 5–6 | pages = 362–364 | doi=10.1016/S0009-2614(02)00919-3 | year = 2002 }}</ref> là một số ngoại lệ của lý thuyết này.

Một số sách giáo khoa hóa học vô cơ mô tả quy tắc Klechkovsky về cơ bản là một quy tắc thực nghiệm gần đúng với một số cơ sở lý thuyết,<ref name="Jolly">{{Chú thích sách|title=Modern Inorganic Chemistry|last=Jolly|first=William L.|date=1984|publisher=McGraw-Hill|isbn=0-07-032760-2|edition=1st|pages=10-12}}</ref> dựa trên [[mô hình Thomas - Fermi]] của nguyên tử như một hệ cơ học lượng tử nhiều electron.<ref>{{Chú thích tạp chí|last=Wong|first=D. Pan|date=1979|title=Theoretical justification of Madelung's rule|url=https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed056p714|journal=Journal of Chemical Education|volume=56|issue=11|page=714}}</ref>

Ví dụ, ở [[đồng]] ₂₉Cu, theo quy tắc Klechkovsky, orbital 4s (''n + ℓ'' = 4 + 0 = 4) bị chiếm trước orbital 3d (''n + ℓ'' = 3 + 2 = 5). Quy tắc dự đoán cấu hình electron của đồng là 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁹ 4s², viết tắt [Ar] 3d⁹ 4s² trong đó [Ar] biểu thị cấu hình electron của [[argon]], khí hiếm trước chu kỳ đó. Tuy nhiên, cấu hình electron thực nghiệm của nguyên tử đồng là [Ar] 3d¹⁰ 4s¹. Bằng cách mượn 1 electron từ orbital 4s để bão hòa [[orbital]] 3d, cùng lúc thì orbital 4s cũng đạt trạng thái bán bão hòa. Lúc này đồng đạt trạng thái bền vững hơn, tức là có năng lượng thấp hơn. Giải thích tương tự như đồng, cấu hình electron ở ₂₄Cr là [Ar] 3d⁵ 4s¹_.

Phân lớp d thường "mượn" một electron (trong trường hợp thorium là hai electron) từ phân lớp f. Ví dụ, trong [[urani]] ₉₂U, theo quy tắc Klechkovsky, orbital 5f (''n + ℓ'' = 5 + 3 = 8) bị chiếm trước orbital 6d (''n + ℓ'' = 6 + 2 = 8). Quy tắc sau đó dự đoán cấu hình electron là [Rn] 5f ⁴ 7s² trong đó [Rn] biểu thị cấu hình của [[radon]], khí hiếm trước chu kỳ đó. Tuy nhiên, cấu hình electron thực nghiệm của nguyên tử urani là [Rn] 5f ³ 6d¹ 7s².

Các cấu hình electron ngoài nguyên tố [[rutherfordium|₁₀₄ Rf]] vẫn chưa được xác nhận hoặc chứng minh rõ ràng và từ [[Unbinili|nguyên tố 120]] về sau, quy tắc Klechkovsky dự kiến sẽ mất khả năng ứng dụng, nhường chỗ cho lý thuyết [[hóa học lượng tử tương đối tính]].

[[Tập tin:Sommerfeld_ellipses.svg|nhỏ| Trong thuyết lượng tử cũ, các quỹ đạo có momen động lượng thấp (orbital ''s'' và ''p'') tiến gần đến hạt nhân hơn ]]

Trong tiếng Anh, quy tắc Klechkovsky được gọi là ''aufbau principle'' (hay ''building-up principle'', nguyên lý vững bền), lấy tên gốc từ tiếng Đức ''{{Lang|de|Aufbauprinzip}}'', thay vì đặt tên của một nhà khoa học. Nó được xây dựng bởi [[Niels Bohr]]<ref>{{Chú thích tạp chí| Author=Niels Bohr | title=Atomic structure | journal=Nature | year=1921 | volume=107 | page=104–107| DOI=10.1038/107104a0}}</ref> và [[Wolfgang Ernst Pauli|Wolfgang Pauli]] vào đầu những năm 1920. Đây là một ứng dụng ban đầu của [[cơ học lượng tử]] cho các tính chất của [[electron]] và giải thích các tính chất hóa học theo thuật ngữ [[Vật lý học|vật lý]].

Trong thuyết lượng tử cũ (trước [[cơ học lượng tử]]), các electron được cho là chiếm các quỹ đạo hình elip cổ điển. Các quỹ đạo có [[momen động lượng]] cao nhất là "quỹ đạo tròn" chứa electron bên trong, nhưng các quỹ đạo có momen động lượng thấp (orbital ''s'' và ''p'') có [[độ lệch tâm quỹ đạo]] cao, do đó chúng tiến gần đến hạt nhân hơn và chịu [[hiệu ứng lá chắn]] yếu hơn các electron bên ngoài vì các electron này ít chịu tác dụng của điện trường tạo ra bởi điện tích âm của các electron khác ở xa hạt nhân hơn. Ở trạng thái cơ bản của [[hydro]] chỉ có 1 electron nên không có sự khác biệt về năng lượng giữa các quỹ đạo có cùng số lượng tử chính ''n'', nhưng điều này không đúng với các electron vỏ ngoài của các nguyên tử nguyên tố khác.

Một [[bảng tuần hoàn]] trong đó mỗi hàng tương ứng với một giá trị ''n + ℓ'' (các giá trị của ''n + ℓ'' tương ứng với các số lượng tử chính và xung lượng tương ứng) được [[Charles Janet]] đề xuất vào năm 1928. Vào năm 1930, ông đã đưa ra cơ sở lượng tử rõ ràng của bảng này, dựa trên kiến thức về trạng thái nguyên tử được xác định bằng phân tích phổ nguyên tử. Janet "điều chỉnh" một số giá trị ''n + ℓ'' thực tế của các nguyên tố, vì chúng không phù hợp với quy tắc sắp xếp năng lượng của ông và ông cho rằng sự khác biệt liên quan xuất phát từ lỗi đo lường. Trong thực tế, các giá trị hiện nay là đúng và quy tắc sắp xếp năng lượng ''n + ℓ'' hóa ra là một xấp xỉ chứ không hoàn toàn chính xác.

Năm 1936, nhà vật lý người Đức [[Erwin Madelung]] đề xuất lý thuyết này như là một quy tắc thực nghiệm cho thứ tự lấp đầy các lớp vỏ nguyên tử. Do đó hầu hết các nguồn tiếng Anh gọi là quy tắc Madelung. Madelung có thể đã tìm ra quy tắc này sớm nhất vào năm 1926.<ref>{{Chú thích tạp chí|last=Goudsmit|first=S. A.|last2=Richards|first2=Paul I.|date=1964|title=The Order of Electron Shells in Ionized Atoms|url=http://www.pnas.org/content/51/4/664.full.pdf|journal=[[Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America|Proc. Natl. Acad. Sci.]]|volume=51|issue=4|pages=664–671 (with correction on p&nbsp;906)|bibcode=1964PNAS...51..664G|doi=10.1073/pnas.51.4.664|pmc=300183}}</ref> Năm 1962, nhà hóa học nông nghiệp người Nga [[Vsevolod Mavrikievich Klechkovsky|V.M. Klechkovsky]] đề xuất giải thích lý thuyết đầu tiên về tầm quan trọng của tổng ''n + ℓ'', dựa trên thống kê của [[mô hình Thomaserm - Fermi]].<ref>{{Chú thích tạp chí|last=Wong|first=D. Pan|date=1979|title=Theoretical justification of Madelung's rule|journal=[[Journal of Chemical Education|J. Chem. Educ.]]|volume=56|issue=11|pages=714–718|bibcode=1979JChEd..56..714W|doi=10.1021/ed056p714}}</ref> Do đó, nhiều nguồn tiếng Pháp, tiếng Nga và tiếng Việt đặt tên là quy tắc Klechkovsky.

Cần chú ý là sự ion hóa để tạo ion dương tương ứng với sự mất electron ở lớp hoặc ''phân lớp ngoài cùng'' (lớp hóa trị, lớp có trị số lớn nhất trong cấu hình electron), chứ không ngược lại với thứ tự lấp đầy orbital trong nguyên tử trung hòa. Còn sự ion hóa tạo ion âm tương ứng với sự nhận electron vào ''phân lớp cuối cùng'' của nguyên tử. Ví dụ đối với ion dương, trong hàng thứ tư của bảng tuần hoàn, quy tắc Klechkovsky chỉ ra rằng orbital 4s bị chiếm trước 3d. Do đó, các cấu hình trạng thái cơ bản của nguyên tử trung hòa Sc = [Ar]4s² 3d¹. Tuy nhiên, nếu một nguyên tử Sc bị ion hóa thì cấu hình là Sc⁺ = [Ar] 4s¹ 3d¹, Sc²⁺ = [Ar] 3d¹, tức là electron ở phân lớp ngoài cùng là 4s bị mất trước phân lớp 3d, dù phân lớp 3d được điền electron sau 4s.

Ngoài việc có nhiều bằng chứng thực nghiệm củng cố cho quan điểm này, nó giúp cho lời giải thích về thứ tự ion hóa các electron trong kim loại chuyển tiếp trở nên dễ hiểu hơn, cho rằng các electron 4s luôn được ưu tiên ion hóa.<ref name="Scerri EiC">{{cite magazine |title=The Trouble With the Aufbau Principle |magazine=[[Education in Chemistry]] |url=https://eic.rsc.org/feature/the-trouble-with-the-aufbau-principle/2000133.article |last=Scerri |first=Eric |date=ngày 7 Novembertháng 11 năm 2013 |issue=6 |pages=24–26 |volume=50 |publisher=[[Royal Society of Chemistry]] }}</ref>

* [[Quy tắc Wiswesser]]