AP Chemistry

đơn vị khối lượng nguyên tử

atomic mass unit

Còn gọi: amu · đvklnt · u

Đơn vị khối lượng nguyên tử là đơn vị đo khối lượng của hạt vi mô, bằng 1/12 khối lượng một nguyên tử carbon-12, tức khoảng 1,66 × 10⁻²⁴ gam.

Khối lượng thật của một nguyên tử nhỏ đến mức nếu đo bằng gam thì mọi con số đều lẫn trong một rừng số không sau dấu phẩy: nguyên tử hydro-1 nặng $1{,}6735\times10^{-24}$ g, còn nguyên tử oxygen-16 nặng $2{,}6560\times10^{-23}$ g. Vì vậy hóa học chọn một thước đo riêng cho thế giới vi mô, lấy nguyên tử carbon-12 làm chuẩn và quy ước khối lượng của nó đúng bằng 12 đơn vị. Từ quy ước đó suy ra

$1\ \text{u}=\frac{1}{12}m(^{12}\text{C})=1{,}66054\times10^{-24}\ \text{g}$

nghĩa là một đơn vị bằng đúng một phần mười hai khối lượng của một nguyên tử carbon-12. Đơn vị này còn được gọi là dalton (dalton, Da), và trong đề thi thường xuất hiện dưới ký hiệu u hoặc amu.

Điều làm cho thước đo này hữu dụng là nó khớp trực tiếp với thang gam mỗi mol. Nghịch đảo của hệ thức trên cho $1\ \text{g}=6{,}02214\times10^{23}\ \text{u}$ , và con số ấy chính là số Avogadro (Avogadro's number). Nhờ sự trùng khớp đó, một nguyên tử oxygen nặng $16{,}00$ u thì một mol nguyên tử oxygen nặng đúng $16{,}00$ g, nên khối lượng mol (molar mass) đọc thẳng được từ bảng tuần hoàn mà không cần phép quy đổi nào thêm. Đây là cây cầu nối giữa quy mô hạt và quy mô cân đo trong phòng thí nghiệm.

Cần phân biệt khối lượng của một đồng vị cụ thể với khối lượng nguyên tử trung bình (average atomic mass) ghi trên bảng tuần hoàn. Giá trị trên bảng là trung bình có trọng số theo độ phổ biến của các đồng vị trong tự nhiên, tính bằng $\bar{A}=\sum f_i A_i$ với $f_i$ là phần trăm đồng vị thứ $i$ và $A_i$ là khối lượng của nó tính theo u. Do đó chlorine có giá trị $35{,}45$ u dù không hề tồn tại nguyên tử chlorine nào nặng đúng như vậy. Ngược lại, khối lượng đo bằng phổ khối (mass spectrometry) luôn ứng với từng đồng vị riêng lẻ, và chỉ riêng carbon-12 mới có con số chẵn tuyệt đối vì nó là chuẩn.

Ký hiệu

•u, amu, Da
• $1\ \text{u}=1{,}66054\times10^{-24}$ g

Đơn vịu (amu, dalton); quy đổi sang gam hoặc g·mol⁻¹

Trực giác: Giống như thợ kim hoàn không cân vàng bằng tấn mà bằng chỉ, nhà hóa học không cân nguyên tử bằng gam mà bằng một đơn vị nhỏ xíu lấy từ nguyên tử carbon làm mẫu.

Công thức

1 \text{ amu} = \htmlClass{fp-1}{\frac{\htmlClass{fp-0}{m(^{12}\text{C})}}{12}}

Dùng để xác định khối lượng nguyên tử của bất kỳ nguyên tố nào theo thang amu, bằng cách so sánh với một phần mười hai khối lượng nguyên tử carbon-12

Trong đó

m(^{12}\text{C})

khối lượng tuyệt đối của một nguyên tử carbon-12 —

\text{g}

1 \text{ amu} = 1.66054 \times 10^{-24} \text{ g}

Dùng để chuyển đổi giữa đơn vị amu và gam khi cần tính khối lượng nguyên tử trong hệ SI hoặc liên hệ với số Avogadro

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1802 — chuẩn hóa theo carbon-12 năm 1960John DaltonStanislao CannizzaroAlfred NierJosef MattauchDemocritus

Hay hiểu sai

Đơn vị khối lượng nguyên tử không phải là gam trên mol.

Khối lượng nguyên tử trung bình không phải trung bình cộng của các đồng vị.

Số khối và khối lượng nguyên tử tính bằng amu là hai thứ khác nhau.

Không có nguyên tử nào nặng đúng bằng khối lượng nguyên tử trung bình.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Clo trong tự nhiên là hỗn hợp của hai đồng vị bền. Đồng vị

^{35}\mathrm{Cl}

có khối lượng 34,9689 u và chiếm 75,76% số nguyên tử; đồng vị

^{37}\mathrm{Cl}

có khối lượng 36,9659 u và chiếm 24,24% số nguyên tử. Cho

1\ \mathrm{u} = 1{,}66054 \times 10^{-24}\ \mathrm{g}

aTính khối lượng nguyên tử trung bình của clo theo đơn vị u.
bTính khối lượng của một nguyên tử $^{35}\mathrm{Cl}$ theo gam.
cGiải thích vì sao giá trị ở câu (a) nằm gần 35 hơn là gần 37.

1Bước 1: Trước hết cần thấy rõ vai trò của phần trăm trong đề. Khối lượng nguyên tử trung bình (average atomic mass) không phải là trung bình cộng của hai số 34,9689 và 36,9659, mà là trung bình có trọng số, trong đó trọng số chính là độ phổ biến tương đối (relative abundance) của từng đồng vị. Vì vậy ta đổi phần trăm sang phân số thập phân trước khi nhân:

75{,}76\% \to 0{,}7576

và

24{,}24\% \to 0{,}2424

. Hai phân số này cộng lại đúng bằng 1, đó là dấu hiệu cho thấy dữ kiện đầy đủ và không có đồng vị thứ ba bị bỏ sót.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyCấu trúc & tính chất nguyên tử · bài “Mol và khối lượng mol” — khoá AP Chemistry

Cần trướcnguyên tử

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

số khối (mass number)mass number

Khác nhau ở đâuSố khối là số nguyên đếm proton và neutron, không có đơn vị. Đơn vị khối lượng nguyên tử là đơn vị đo khối lượng thực, nhận giá trị thập phân.

Hay nhầm khiĐề hỏi khối lượng chính xác của một đồng vị nhưng thí sinh ghi số khối làm tròn

khối lượng mol (molar mass)molar mass

Khác nhau ở đâuKhối lượng mol đo bằng gam trên mol, áp dụng cho một tập hợp Avogadro hạt. Đơn vị khối lượng nguyên tử đo khối lượng một hạt duy nhất.

Hay nhầm khiĐề cho khối lượng nguyên tử theo amu nhưng thí sinh dùng trực tiếp làm khối lượng mol mà không nhận ra hai số trị bằng nhau nhưng khác đơn vị

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 100, 104, 146.

Vì sao mang đúng cái tên này? Chữ "nguyên tử" trong tên gọi bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp "atomos", nghĩa là không thể chia cắt, do nhà triết học Democritus dùng từ thế kỷ V trước Công nguyên để chỉ hạt cơ bản của vật chất. Vì vậy cái tên chỉ đơn giản mô tả đúng công dụng: một đơn vị đo dành riêng cho khối lượng ở cấp độ nguyên tử, nơi gam trở nên vô dụng vì con số quá nhỏ. Phần "đơn vị" mới là chỗ đáng chú ý, bởi nó ngầm nói rằng đại lượng này không đo tuyệt đối mà quy chiếu về một mốc do con người chọn. Mốc ấy đã đổi nhiều lần, và mỗi lần đổi đều có lý do thực dụng. Dalton chọn hydrogen vì đó là nguyên tử nhẹ nhất; Stanislao Cannizzaro cũng lấy hydrogen làm chuẩn nhưng gán cho nó giá trị 2. Từ khoảng năm 1850, giới hóa học chuyển sang lấy khối lượng nguyên tử (atomic weight) của oxygen bằng 16, vì oxygen tạo hợp chất với rất nhiều nguyên tố nên tiện cho việc suy ra khối lượng của các nguyên tố khác; con số 16 được chọn vì đó là số nguyên nhỏ nhất giữ cho hydrogen không tụt xuống dưới 1. Bước ngoặt đến năm 1956, khi Alfred Nier và A. Ölander độc lập đề nghị với Josef Mattauch rằng thang khối lượng nên dựa trên carbon-12. Các nhà vật lý đồng tình ngay vì carbon-12 vốn đã là chuẩn trong khối phổ (mass spectrometry), còn các nhà hóa học ban đầu phản đối: nếu lấy $\frac{1}{16}$ khối lượng oxygen-16 thì mọi bảng số của họ lệch khoảng 275 phần triệu. Ngược lại, định nghĩa $1\ \text{u} = \frac{1}{12} m(^{12}\text{C})$ chỉ gây sai lệch chừng 42 phần triệu, một mức chấp nhận được. Đó chính là lý do đơn vị ngày nay — còn gọi là đơn vị khối lượng nguyên tử thống nhất (unified atomic mass unit) — mang con số 12 tưởng như tùy tiện: nó là kết quả của một thỏa hiệp giữa hai cộng đồng khoa học chứ không phải một chọn lựa từ nguyên lý.

2Ví dụ 2/2

Axit sunfuric

\mathrm{H_2SO_4}

là hóa chất công nghiệp được sản xuất với sản lượng hàng triệu tấn mỗi năm. Cho khối lượng nguyên tử trung bình: H = 1,008 u; S = 32,06 u; O = 16,00 u. Cho

1\ \mathrm{u} = 1{,}66054 \times 10^{-24}\ \mathrm{g}

và số Avogadro

N_A = 6{,}02214 \times 10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}

aTính khối lượng công thức của $\mathrm{H_2SO_4}$ theo đơn vị u.
bTính khối lượng của một phân tử $\mathrm{H_2SO_4}$ theo gam.
cTừ kết quả (b), chứng tỏ khối lượng mol của $\mathrm{H_2SO_4}$ đúng bằng con số ở câu (a) nhưng mang đơn vị g/mol.

1Bước 1: Khối lượng công thức (formula weight) của một chất chính là tổng khối lượng nguyên tử của tất cả nguyên tử ghi trong công thức, mỗi nguyên tử được đếm đúng số lần mà chỉ số dưới quy định. Với

\mathrm{H_2SO_4}

ta có hai nguyên tử hydro, một nguyên tử lưu huỳnh và bốn nguyên tử oxy. Vì vậy phép cộng cần viết đầy đủ hệ số:

M = 2(1{,}008) + 1(32{,}06) + 4(16{,}00)

Tính từng cụm:

2(1{,}008) = 2{,}016

;

4(16{,}00) = 64{,}00

. Cộng cả ba:

2{,}016 + 32{,}06 + 64{,}00 = 98{,}076 \approx 98{,}08\ \mathrm{u}

2Bước 2: Câu (b) chỉ là một phép đổi đơn vị, nhưng nó làm rõ ý nghĩa vật lý của con số vừa tìm được. Nhân khối lượng công thức với hệ số quy đổi ta được khối lượng thật của một phân tử:

m = 98{,}08\ \mathrm{u} \times 1{,}66054 \times 10^{-24}\ \mathrm{g/u} = 1{,}629 \times 10^{-22}\ \mathrm{g}

Một phân tử axit sunfuric như vậy chỉ nặng khoảng phần mười tỉ tỉ tỉ gam, nghĩa là không cân nào trong phòng thí nghiệm ghi nhận nổi.

3Bước 3: Muốn nối con số siêu nhỏ ấy với thứ cân được trên đĩa cân, ta nhân nó với hằng số Avogadro (Avogadro's number), tức là lấy khối lượng của

6{,}02214 \times 10^{23}

phân tử:

M_{\text{mol}} = (1{,}629 \times 10^{-22}\ \mathrm{g}) \times (6{,}02214 \times 10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}) = 98{,}08\ \mathrm{g/mol}

Kết quả trùng khít với con số ở câu (a). Điều này không phải trùng hợp: hằng số Avogadro và đơn vị khối lượng nguyên tử được định nghĩa ăn khớp với nhau sao cho

1\ \mathrm{g} = 6{,}02214 \times 10^{23}\ \mathrm{u}

, nên hai hệ số quy đổi triệt tiêu lẫn nhau.

4Bước 4: Từ đó rút ra một thói quen làm bài đáng giá trong kỳ thi. Khi đề cho công thức phân tử và hỏi khối lượng mol, bạn không cần đi vòng qua gam của từng phân tử như trên mà chỉ việc cộng khối lượng nguyên tử rồi đổi nhãn đơn vị từ u sang g/mol. Tuy nhiên, phải hiểu vì sao được phép làm tắt như vậy, bởi đề thường hỏi ngược lại bằng một câu giải thích ngắn thay vì một phép tính.

Khối lượng công thức của $\mathrm{H_2SO_4}$ là 98,08 u, ứng với một phân tử nặng $1{,}629 \times 10^{-22}$ g. Nhân khối lượng ấy với số Avogadro cho 98,08 g/mol, nên con số tính bằng u của một phân tử và con số tính bằng g/mol của một mol luôn bằng nhau về trị số.