Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Khối lượng nguyên tử: đơn vị amu
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em nêu được định nghĩa đơn vị khối lượng nguyên tử (amu), so sánh được khối lượng tương đối của proton, neutron, electron theo đơn vị này, và tính được khối lượng gần đúng của một nguyên tử theo amu từ số proton và neutron của nó.
Kiến thức nền cần nhớ
Bài 1.2 đã cho biết proton và neutron có khối lượng gần bằng nhau và đều nặng hơn electron khoảng 1840 lần; bài trước vừa chỉ ra khối lượng nguyên tử tập trung ở hạt nhân do hạt nhân đặc và electron quá nhẹ. Bài này biến những nhận xét định tính đó thành một hệ đơn vị dùng được trong tính toán.
Khởi động
Khối lượng thật của một nguyên tử carbon chỉ khoảng $1{,}9926 \times 10^{-26}$ kg — một con số dài dằng dặc với số mũ âm, rất bất tiện để viết trong mọi phép tính hoá học. Các nhà khoa học đã giải quyết vấn đề này bằng một mẹo đơn giản: chọn một nguyên tử làm 'thước đo chuẩn', rồi so sánh mọi nguyên tử khác với thước đo đó. Nguyên tử nào đã được chọn làm chuẩn, và vì sao?
Kiến thức trọng tâm
**Đơn vị khối lượng nguyên tử**, kí hiệu **amu** (từ tiếng Anh atomic mass unit, còn viết là u), được định nghĩa bằng $\dfrac{1}{12}$ khối lượng của một nguyên tử đồng vị carbon-12 — đồng vị phổ biến nhất của carbon, được chọn làm chuẩn vì có khối lượng ổn định và dễ tái lập trong phòng thí nghiệm. Theo định nghĩa này, $1 \text{ amu} \approx 1{,}6605 \times 10^{-27}$ kg.
So với đơn vị amu, khối lượng của ba loại hạt cấu tạo nguyên tử là: proton nặng khoảng **1,0073 amu**, neutron nặng khoảng **1,0087 amu** — cả hai xấp xỉ **1 amu** trong tính toán gần đúng ở trường phổ thông — còn electron chỉ nặng khoảng **0,00055 amu**, tức khoảng 1/1840 khối lượng proton. Vì electron quá nhẹ so với proton và neutron, khi tính khối lượng gần đúng của một nguyên tử, hoá học phổ thông thường **bỏ qua khối lượng electron** và lấy khối lượng nguyên tử (theo amu) xấp xỉ bằng tổng số proton và neutron — chính là **số khối A** mà bài học tiếp theo sẽ định nghĩa chính thức. Đây là lí do khối lượng nguyên tử tính theo amu của một nguyên tử luôn là một số rất gần với một số nguyên.
Đơn vị amu không chỉ giúp việc viết số gọn hơn — nó còn cho một con số gần đúng dễ nhớ: khối lượng nguyên tử theo amu của gần như mọi nguyên tố xấp xỉ một số nguyên (12 cho carbon, 16 cho oxygen, 23 cho sodium…), đúng bằng tổng số proton và neutron của nguyên tử đó. Đây chính là lí do bảng tuần hoàn ghi nguyên tử khối gần các số nguyên chứ không phải các số thập phân bất kì — và cũng là lí do khối lượng của một nguyên tử, dù thật sự chỉ nặng một phần tỉ tỉ gam, vẫn có thể so sánh dễ dàng chỉ bằng một phép cộng số proton với số neutron.
Electron nhẹ hơn proton và neutron khoảng 1840 lần — gần như không đáng kể trong tổng khối lượng nguyên tử.
Trước năm 1961, các nhà vật lí và các nhà hoá học từng dùng hai chuẩn khác nhau để đo khối lượng nguyên tử, cả hai đều dựa trên oxygen nhưng tính hơi khác nhau, gây bất tiện khi trao đổi số liệu giữa hai ngành. Liên minh Quốc tế về Hoá học thuần tuý và ứng dụng (IUPAC) đã thống nhất chuyển sang dùng carbon-12 làm chuẩn chung duy nhất — quyết định đó vẫn còn hiệu lực đến ngày nay và là lí do carbon-12 xuất hiện trong định nghĩa của amu.
Ví dụ
Tính khối lượng gần đúng của một nguyên tử theo amu
1
Nguyên tử oxygen có 8 proton và 8 neutron. Tính khối lượng gần đúng của nguyên tử này theo đơn vị amu (bỏ qua khối lượng electron).
2
Khối lượng nguyên tử ≈ (số proton × 1,0073 amu) + (số neutron × 1,0087 amu), hoặc gần đúng hơn nữa: khối lượng nguyên tử ≈ số proton + số neutron (vì cả hai đều xấp xỉ 1 amu).
3
Khối lượng ≈ 8 × 1,0073 + 8 × 1,0087 = 8,0584 + 8,0696 = 16,128 amu; theo cách tính gần đúng nhất, khối lượng ≈ 8 + 8 = 16 amu.
4
Vậy khối lượng nguyên tử oxygen xấp xỉ 16 amu — khớp với nguyên tử khối oxygen quen thuộc trong bảng tuần hoàn.
Ví dụ
Tính phần trăm khối lượng electron đóng góp (dạng thi)
1
Nguyên tử sodium (Na) có 11 proton, 12 neutron, 11 electron. Tính phần trăm khối lượng mà toàn bộ electron đóng góp vào tổng khối lượng nguyên tử (theo amu, làm tròn đến 3 chữ số thập phân).
2
Khối lượng hạt nhân ≈ 11 × 1,0073 + 12 × 1,0087 = 11,0803 + 12,1044 = 23,1847 amu.
3
Khối lượng 11 electron ≈ 11 × 0,00055 = 0,00605 amu.
4
Tổng khối lượng ≈ 23,1847 + 0,00605 ≈ 23,1908 amu.
5
Phần trăm khối lượng electron = $\dfrac{0{,}00605}{23{,}1908} \times 100\% \approx 0{,}026\%$.
6
Vậy electron chỉ đóng góp khoảng 0,026% khối lượng nguyên tử sodium — một minh chứng số học cho việc bỏ qua khối lượng electron khi tính gần đúng.
Sai lầm thường gặp
Nhầm lẫn phổ biến là nghĩ số khối A chính là khối lượng tuyệt đối tính bằng gam của nguyên tử — thực ra A chỉ là một số gần đúng theo đơn vị amu (không thứ nguyên khi dùng làm 'số khối'), muốn ra khối lượng thật bằng gam phải nhân với $1{,}6605 \times 10^{-24}$ g.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
1 amu = $\dfrac{1}{12}$ khối lượng nguyên tử carbon-12 ≈ $1{,}6605 \times 10^{-27}$ kg. Proton ≈ 1,0073 amu, neutron ≈ 1,0087 amu (cả hai xấp xỉ 1 amu), electron ≈ 0,00055 amu (không đáng kể). Khối lượng nguyên tử theo amu gần đúng bằng tổng số proton và neutron — số này chính là số khối A mà bài học tiếp theo định nghĩa chính thức.
Chương tiếp theo dùng chính con số proton — cái quyết định điện tích hạt nhân — làm 'chứng minh thư' để định nghĩa nguyên tố hoá học, rồi ghép proton và neutron lại thành một kí hiệu duy nhất mô tả đầy đủ một nguyên tử: kí hiệu nguyên tử.
Khối lượng thật của một nguyên tử carbon chỉ khoảng 1,9926×10−26 kg — một con số dài dằng dặc với số mũ âm, rất bất tiện để viết trong mọi phép tính hoá học. Các nhà khoa học đã giải quyết vấn đề này bằng một mẹo đơn giản: chọn một nguyên tử làm 'thước đo chuẩn', rồi so sánh mọi nguyên tử khác với thước đo đó. Nguyên tử nào đã được chọn làm chuẩn, và vì sao?
Đơn vị khối lượng nguyên tử, kí hiệu amu (từ tiếng Anh atomic mass unit, còn viết là u), được định nghĩa bằng 121 khối lượng của một nguyên tử đồng vị carbon-12 — đồng vị phổ biến nhất của carbon, được chọn làm chuẩn vì có khối lượng ổn định và dễ tái lập trong phòng thí nghiệm. Theo định nghĩa này, 1 amu≈1,6605×10−27 kg.
So với đơn vị amu, khối lượng của ba loại hạt cấu tạo nguyên tử là: proton nặng khoảng 1,0073 amu, neutron nặng khoảng 1,0087 amu — cả hai xấp xỉ 1 amu trong tính toán gần đúng ở trường phổ thông — còn electron chỉ nặng khoảng 0,00055 amu, tức khoảng 1/1840 khối lượng proton. Vì electron quá nhẹ so với proton và neutron, khi tính khối lượng gần đúng của một nguyên tử, hoá học phổ thông thường bỏ qua khối lượng electron và lấy khối lượng nguyên tử (theo amu) xấp xỉ bằng tổng số proton và neutron — chính là số khối A mà bài học tiếp theo sẽ định nghĩa chính thức. Đây là lí do khối lượng nguyên tử tính theo amu của một nguyên tử luôn là một số rất gần với một số nguyên.
Đơn vị amu không chỉ giúp việc viết số gọn hơn — nó còn cho một con số gần đúng dễ nhớ: khối lượng nguyên tử theo amu của gần như mọi nguyên tố xấp xỉ một số nguyên (12 cho carbon, 16 cho oxygen, 23 cho sodium…), đúng bằng tổng số proton và neutron của nguyên tử đó. Đây chính là lí do bảng tuần hoàn ghi nguyên tử khối gần các số nguyên chứ không phải các số thập phân bất kì — và cũng là lí do khối lượng của một nguyên tử, dù thật sự chỉ nặng một phần tỉ tỉ gam, vẫn có thể so sánh dễ dàng chỉ bằng một phép cộng số proton với số neutron.
Trước năm 1961, các nhà vật lí và các nhà hoá học từng dùng hai chuẩn khác nhau để đo khối lượng nguyên tử, cả hai đều dựa trên oxygen nhưng tính hơi khác nhau, gây bất tiện khi trao đổi số liệu giữa hai ngành. Liên minh Quốc tế về Hoá học thuần tuý và ứng dụng (IUPAC) đã thống nhất chuyển sang dùng carbon-12 làm chuẩn chung duy nhất — quyết định đó vẫn còn hiệu lực đến ngày nay và là lí do carbon-12 xuất hiện trong định nghĩa của amu.
Phần trăm khối lượng electron = 23,19080,00605×100%≈0,026%.
Nhầm lẫn phổ biến là nghĩ số khối A chính là khối lượng tuyệt đối tính bằng gam của nguyên tử — thực ra A chỉ là một số gần đúng theo đơn vị amu (không thứ nguyên khi dùng làm 'số khối'), muốn ra khối lượng thật bằng gam phải nhân với 1,6605×10−24 g.
1 amu = 121 khối lượng nguyên tử carbon-12 ≈ 1,6605×10−27 kg. Proton ≈ 1,0073 amu, neutron ≈ 1,0087 amu (cả hai xấp xỉ 1 amu), electron ≈ 0,00055 amu (không đáng kể). Khối lượng nguyên tử theo amu gần đúng bằng tổng số proton và neutron — số này chính là số khối A mà bài học tiếp theo định nghĩa chính thức.