KHỐI LƯỢNG NGUYÊN TỬ: ĐỊNH NGHĨA, CÁC LOẠI, CÁCH TÍNH TOÁN, VÍ DỤ - HÓA HỌC - 2025

Các khối lượng nguyên tử là số lượng hiện vật chất trong một nguyên tử, có thể được thể hiện bằng đơn vị vật lý thông thường hoặc theo đơn vị khối lượng nguyên tử (uma ou). Một nguyên tử trống rỗng trong hầu hết cấu trúc của nó; các electron được khuếch tán trong các vùng được gọi là obitan, nơi có một xác suất nhất định để tìm thấy chúng và hạt nhân của chúng.

Trong hạt nhân của nguyên tử là các proton và neutron; cái trước mang điện tích dương, cái sau mang điện tích trung hòa. Hai hạt hạ nguyên tử này có khối lượng lớn hơn nhiều so với khối lượng của electron; do đó, khối lượng của một nguyên tử bị chi phối bởi hạt nhân của nó chứ không phải bởi chân không cũng như bởi các electron.

Các hạt hạ nguyên tử chính và khối lượng của hạt nhân. Nguồn: Gabriel Bolívar.

Khối lượng của một electron xấp xỉ 9,1 · 10 ^-31 kg, trong khi của proton 1,67 · 10 ^-27 kg, tỷ lệ khối lượng là 1.800; nghĩa là, một proton “nặng” hơn một electron 1.800 lần. Tương tự, điều này cũng xảy ra với khối lượng của neutron và electron. Đó là lý do tại sao phần đóng góp về khối lượng của electron cho các mục đích thông thường được coi là không đáng kể.

Do đó, người ta thường cho rằng khối lượng của nguyên tử, hay khối lượng nguyên tử, chỉ phụ thuộc vào khối lượng của hạt nhân; đến lượt nó, bao gồm tổng vật chất của neutron và proton. Hai khái niệm xuất hiện từ lý luận này: số khối và khối lượng nguyên tử, cả hai đều liên quan chặt chẽ với nhau.

Vì có rất nhiều "chân không" trong nguyên tử, và vì khối lượng của chúng gần như hoàn toàn là một hàm của hạt nhân, nên người ta cho rằng cái sau này đặc biệt lạ thường.

Nếu chúng ta loại bỏ khoảng trống đã nói khỏi bất kỳ cơ thể hoặc vật thể nào, kích thước của nó sẽ co lại một cách đáng kể. Ngoài ra, nếu chúng ta có thể chế tạo một vật thể nhỏ dựa trên hạt nhân nguyên tử (không có electron), thì nó sẽ có khối lượng hàng triệu tấn.

Mặt khác, khối lượng nguyên tử giúp phân biệt các nguyên tử khác nhau của cùng một nguyên tố; Đây là những đồng vị. Vì có nhiều đồng vị hơn những đồng vị khác, nên phải ước tính trung bình khối lượng của các nguyên tử cho một nguyên tố nhất định; trung bình có thể khác nhau giữa các hành tinh, hoặc từ vùng không gian này sang vùng không gian khác.

Định nghĩa và khái niệm

Theo định nghĩa, khối lượng nguyên tử là tổng khối lượng của các proton và neutron của nó được biểu thị bằng uma hoặc u. Số kết quả (đôi khi còn được gọi là số khối lượng) được đặt không thứ nguyên ở góc trên bên trái trong ký hiệu được sử dụng cho các nuclôn. Ví dụ, đối với nguyên tố ¹⁵ X khối lượng nguyên tử của nó là 15uma hoặc 15u.

Khối lượng nguyên tử không thể cho biết nhiều về danh tính thực sự của nguyên tố X. Thay vào đó, số hiệu nguyên tử được sử dụng, tương ứng với các proton trong hạt nhân của X. Nếu con số này là 7, thì sự khác biệt ( 15-7) sẽ bằng 8; tức là X có 7 proton và 8 nơtron, tổng của chúng là 15.

Quay lại ảnh, hạt nhân có 5 nơtron và 4 proton nên số khối của nó là 9; và lần lượt 9 amu là khối lượng nguyên tử của nó. Bằng cách có 4 proton, và tham khảo bảng tuần hoàn, có thể thấy rằng hạt nhân này tương ứng với hạt nhân của nguyên tố berili, Be (hoặc ⁹ Be).

Đơn vị khối lượng nguyên tử

Nguyên tử quá nhỏ để có thể đo khối lượng của chúng bằng các phương pháp thông thường hoặc các cân bằng thông thường. Đó là lý do mà uma, uo Da (mù màu) được phát minh. Những đơn vị này được tạo ra cho các nguyên tử cho phép bạn hình dung về khối lượng của các nguyên tử của một nguyên tố trong mối quan hệ với nhau.

Nhưng chính xác thì uma đại diện cho điều gì? Phải có một tham chiếu để thiết lập quan hệ quần chúng. Đối với điều này, nguyên tử ¹² C được sử dụng làm tham chiếu , đây là đồng vị phổ biến và ổn định nhất đối với cacbon. Có 6 proton (số nguyên tử Z) và 6 nơtron, do đó khối lượng nguyên tử của nó là 12.

Giả thiết được đặt ra rằng proton và neutron có cùng khối lượng, do đó mỗi hạt đóng góp 1 amu. Đơn vị khối lượng nguyên tử sau đó được định nghĩa là một phần mười hai (1/12) khối lượng của nguyên tử cacbon-12; đây là khối lượng của một proton hoặc neutron.

Tương đương tính bằng gam

Và bây giờ câu hỏi sau đây được đặt ra: 1 amu bằng bao nhiêu gam? Vì lúc đầu chưa có đủ kỹ thuật tiên tiến để đo nó, các nhà hóa học đã phải giải quyết để biểu thị tất cả các khối lượng bằng amu; tuy nhiên, đây là một lợi thế và không phải là một bất lợi.

Tại sao? Vì các hạt hạ nguyên tử rất nhỏ nên khối lượng của chúng, tính bằng gam, phải nhỏ như vậy. Trong thực tế, 1 amu bằng 1,6605 · 10 ^-24 gam. Hơn nữa, với việc sử dụng khái niệm mol, không có vấn đề gì khi cộng khối lượng của các nguyên tố và đồng vị của chúng với amu khi biết rằng các đơn vị đó có thể được sửa đổi thành g / mol.

Ví dụ, quay trở lại với ¹⁵ X và ⁹ Be, chúng ta có khối lượng nguyên tử của chúng tương ứng là 15 amu và 9 amu. Vì những đơn vị này rất nhỏ và không trực tiếp cho biết người ta phải "cân" bao nhiêu vật chất để thao tác chúng, nên chúng được chuyển thành khối lượng mol tương ứng: 15 g / mol và 9 g / mol (giới thiệu khái niệm về số mol và số Avogadro).

Khối lượng nguyên tử trung bình

Không phải tất cả các nguyên tử của cùng một nguyên tố đều có cùng khối lượng. Điều này có nghĩa là chúng phải có nhiều hạt hạ nguyên tử hơn trong hạt nhân. Là cùng một nguyên tố, số nguyên tử hoặc số proton phải không đổi; do đó, chỉ có sự thay đổi về lượng neutron mà chúng sở hữu.

Đây là cách nó xuất hiện từ định nghĩa về đồng vị: các nguyên tử của cùng một nguyên tố nhưng có khối lượng nguyên tử khác nhau. Ví dụ, berili gần như hoàn toàn bao gồm đồng vị ⁹ Be, với lượng vết là ¹⁰ Be. Tuy nhiên, ví dụ này không hữu ích lắm trong việc hiểu khái niệm khối lượng nguyên tử trung bình; chúng ta cần một cái có nhiều đồng vị hơn.

Thí dụ

Giả sử rằng nguyên tố ⁸⁸ J tồn tại , đây là đồng vị chính của J với lượng dư là 60%. J cũng có hai đồng vị khác: ⁸⁶ J, với mức thừa 20% và ⁹⁰ J, với mức thừa cũng là 20%. Điều này có nghĩa là trong số 100 nguyên tử J mà chúng ta thu thập được trên Trái đất, 60 trong số đó là ⁸⁸ J, và 40 nguyên tử còn lại là hỗn hợp của ⁸⁶ J và ⁹⁰ J.

Mỗi đồng vị trong số ba đồng vị của J có khối lượng nguyên tử riêng; nghĩa là tổng số neutron và proton của chúng. Tuy nhiên, các khối lượng này phải được tính trung bình để có khối lượng nguyên tử cho J trong tay; ở đây trên Trái đất, cũng như có thể có các khu vực khác của Vũ trụ, nơi độ phong phú của ⁸⁶ J là 56% chứ không phải 60%.

Để tính khối lượng nguyên tử trung bình của J, phải lấy trung bình cộng khối lượng của các đồng vị của nó; nghĩa là, có tính đến phần trăm độ phong phú của mỗi loại. Do đó chúng ta có:

Khối lượng trung bình (J) = (86 amu) (0,60) + (88 amu) (0,20) + (90 amu) (0,20)

= 87,2 amu

Tức là khối lượng nguyên tử trung bình (còn gọi là khối lượng nguyên tử) của J là 87,2 amu. Trong khi đó, khối lượng mol của nó là 87,2 g / mol. Lưu ý rằng 87,2 gần với 88 hơn 86 và nó cũng xa 90.

Khối lượng nguyên tử tuyệt đối

Nguyên tử khối tuyệt đối là khối lượng nguyên tử tính bằng gam. Bắt đầu từ ví dụ của J yếu tố giả thuyết, chúng ta có thể tính toán khối lượng nguyên tử tuyệt đối của nó (nghĩa của trung bình) khi biết rằng mỗi amu là tương đương với 1,6605 · 10 ^-24 gram:

Khối lượng nguyên tử tuyệt đối (J) = 87,2 amu * (1,6605 · 10 ^-24 g / amu)

= 1.447956 · 10 ^-22 g / nguyên tử J

Điều này có nghĩa là trung bình các nguyên tử J có khối lượng tuyệt đối là 1.447956 · 10 ^-22 g.

Khối lượng nguyên tử tương đối

Khối lượng nguyên tử tương đối về mặt số giống với khối lượng nguyên tử trung bình của một nguyên tố nhất định; Tuy nhiên, không giống như thứ hai, thứ nhất thiếu sự thống nhất. Do đó, nó là không thứ nguyên. Ví dụ, khối lượng nguyên tử trung bình của beri là 9,012182 u; trong khi khối lượng nguyên tử tương đối của nó chỉ đơn giản là 9,012182.

Đó là lý do tại sao đôi khi những khái niệm này thường bị hiểu sai thành từ đồng nghĩa, vì chúng rất giống nhau và sự khác biệt giữa chúng là rất nhỏ. Nhưng những khối lượng này có liên quan gì? Tương đối với một phần mười hai khối lượng của ¹² C.

Do đó, một nguyên tố có khối lượng nguyên tử tương đối là 77 có nghĩa là nó có khối lượng lớn hơn 77 lần so với ^1/12 của ¹² C.

Những ai đã xem xét các nguyên tố trong bảng tuần hoàn sẽ thấy rằng khối lượng của chúng được thể hiện tương đối. Chúng không có đơn vị là amu, và được hiểu là: sắt có khối lượng nguyên tử là 55,846, có nghĩa là nó có khối lượng gấp 55,846 lần khối lượng của 1/12 phần ¹² C, và nó cũng có thể được biểu thị bằng 55,846 amu hoặc 55,846 g / mol.

Cách tính khối lượng nguyên tử

Về mặt toán học, một ví dụ về cách tính nó đã được đưa ra với ví dụ về phần tử J. Nói chung, công thức trung bình có trọng số phải được áp dụng, sẽ là:

P = Σ (khối lượng nguyên tử đồng vị) (tính theo số thập phân)

Có nghĩa là, có khối lượng nguyên tử (neutron + proton) của mỗi đồng vị (thông thường là tự nhiên) cho một nguyên tố nhất định, cũng như độ dồi dào trên mặt đất tương ứng của chúng (hoặc bất kỳ khu vực nào được xem xét), sau đó có thể tính được mức trung bình có trọng số.

Và tại sao không chỉ là trung bình số học? Ví dụ, khối lượng nguyên tử trung bình của J là 87,2 amu. Nếu chúng ta tính khối lượng này một lần nữa nhưng theo số học, chúng ta sẽ có:

Khối lượng trung bình (J) = (88 amu + 86 amu + 90 amu) / 3

= 88 amu

Lưu ý rằng có một sự khác biệt quan trọng giữa 88 và 87,2. Điều này là do trung bình số học giả định rằng độ nhiều của tất cả các đồng vị là như nhau; Vì có ba đồng vị của J nên mỗi đồng vị sẽ có tỉ lệ 100/3 (33,33%). Nhưng điều này không đúng trong thực tế: có nhiều đồng vị phong phú hơn những đồng vị khác.

Đó là lý do tại sao giá trị trung bình có trọng số được tính toán, vì nó tính đến mức độ phong phú của một đồng vị so với đồng vị khác.

Ví dụ

Carbon

Để tính toán khối lượng nguyên tử trung bình của cacbon, chúng ta cần các đồng vị tự nhiên của nó với độ dồi dào tương ứng của chúng. Trong trường hợp của cacbon, đó là: ¹² C (98,89%) và ¹³ C (1,11%). Nguyên tử khối tương đối của chúng lần lượt là 12 và 13, tương ứng với 12 amu và 13 amu. Giải quyết:

Khối lượng nguyên tử trung bình (C) = (12 amu) (0,9889) + (13 amu) (0,0111)

= 12.0111 amu

Do đó, khối lượng của một nguyên tử cacbon trung bình là 12,01 amu. Vì có một lượng nhỏ ¹⁴ C, nó hầu như không ảnh hưởng đến mức trung bình này.

Natri

Tất cả các nguyên tử natri trên cạn đều bao gồm đồng vị ²³ Na, vì vậy độ phong phú của nó là 100%. Đó là lý do tại sao trong các phép tính thông thường, khối lượng của nó có thể được giả định đơn giản là 23 amu hoặc 23 g / mol. Tuy nhiên, khối lượng chính xác của nó là 22,98976928 amu.

Ôxy

Ba đồng vị oxy có độ giàu tương ứng là: ¹⁶ O (99,762%), ¹⁷ O (0,038%) và ¹⁸ O (0,2%). Chúng tôi có mọi thứ để tính khối lượng nguyên tử trung bình của nó:

Khối lượng nguyên tử trung bình (O) = (16 amu) (0,99762) + (17 amu) (0,00038) + (18 amu) (0,002)

= 16,00438 amu

Mặc dù khối lượng chính xác được báo cáo của nó thực sự là 15,9994 amu.

Nitơ

Lặp lại các bước tương tự với oxi ta có: ¹⁴ N (99,634%) và ¹⁵ N (0,366%). Vì thế:

Khối lượng nguyên tử trung bình (N) = (14 amu) (0,99634) + (15 amu) (0,00366)

= 14.00366 amu

Lưu ý rằng khối lượng nitơ được báo cáo là 14,0067 amu, cao hơn một chút so với những gì chúng tôi tính toán.

Clo

Các đồng vị của clo với độ giàu tương ứng là: ³⁵ Cl (75,77%) và ³⁷ Cl (24,23%). Tính khối lượng nguyên tử trung bình của nó ta có:

Khối lượng nguyên tử trung bình (Cl) = (35 amu) (0,7577) + (37 amu) (0,2423)

= 35,4846 amu

Rất giống với báo cáo (35,453 amu).

Dysprosium

Và cuối cùng, khối lượng trung bình của một nguyên tố có nhiều đồng vị tự nhiên sẽ được tính: dysprosi. Chúng và độ dồi dào tương ứng của chúng là: ¹⁵⁶ Dy (0,06%), ¹⁵⁸ Dy (0,10%), ¹⁶⁰ Dy (2,34%), ¹⁶¹ Dy (18,91%), ¹⁶² Dy (25,51 %), ¹⁶³ Dy (24,90%) và ¹⁶⁴ Dy (28,18%).

Chúng ta tiến hành như trong các ví dụ trước để tính khối lượng nguyên tử của kim loại này:

Khối lượng nguyên tử trung bình (Dy) = (156 amu) (0,0006%) + (158 amu) (0,0010) + (160 amu) (0,0234) + (161 amu) (0,1891) + (162 amu) (0,2551) + (163 amu) (0,2490) + (164 amu) (0,2818)

= 162,5691 amu

Khối lượng được báo cáo là 162.500 amu. Lưu ý rằng mức trung bình này là từ 162 đến 163, vì các đồng vị Dy ¹⁵⁶ , ¹⁵⁸ Dy và ¹⁶⁰ Dy rất ít; trong khi những thứ chiếm ưu thế là ¹⁶² Dy, ¹⁶³ Dy và ¹⁶⁴ Dy.

Người giới thiệu

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Hóa học (Xuất bản lần thứ 8). CENGAGE Học tập.
2. Wikipedia. (2019). Khối lượng nguyên tử. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
3. Christopher Masi. (sf). Khối lượng nguyên tử. Được khôi phục từ: wsc.mass.edu
4. Natalie Wolchover. (Ngày 12 tháng 9 năm 2017). Làm thế nào để bạn cân một nguyên tử? Khoa học trực tiếp. Phục hồi từ: livescience.com
5. Hóa học LibreTexts. (Ngày 05 tháng 6 năm 2019). Tính khối lượng nguyên tử. Đã khôi phục từ: chem.libretexts.orgs
6. Edward Wichers và H. Steffen Peiser. (Ngày 15 tháng 12 năm 2017). Trọng lượng nguyên tử. Encyclopædia Britannica. Phục hồi từ: britannica.com