Đang tải bài học…

AP Chemistry

đồng vị

isotope

Còn gọi: isotopes · đồng vị nguyên tố

Đồng vị (isotope) là các nguyên tử của cùng một nguyên tố có số proton bằng nhau nhưng số neutron khác nhau, dẫn đến số khối khác nhau.

Mọi nguyên tử (atom) của một nguyên tố đều được xác định bởi số prôtôn (proton) trong hạt nhân — gọi là số hiệu nguyên tử $Z$ . Tuy nhiên, số nơtron (neutron) trong hạt nhân không bắt buộc phải cố định. Khi hai nguyên tử có cùng $Z$ nhưng số nơtron $N$ khác nhau, chúng được gọi là các đồng vị của nhau. Số khối $A$ của mỗi đồng vị được tính theo công thức $A = Z + N$ , trong đó $Z$ là số prôtôn và $N$ là số nơtron; giá trị $A$ thay đổi theo từng đồng vị dù $Z$ không đổi.

Vì êlectron (electron) quyết định tính chất hóa học, các đồng vị của cùng một nguyên tố có tính chất hóa học gần như giống hệt nhau. Tuy nhiên, khối lượng nguyên tử của chúng khác nhau, dẫn đến một số khác biệt nhỏ về tốc độ phản ứng — hiện tượng này được gọi là hiệu ứng đồng vị. Ngược lại, tính chất vật lý như nhiệt độ sôi hay mật độ có thể chênh lệch đáng kể giữa các đồng vị, đặc biệt với các nguyên tố nhẹ như hydrogen.

Trong tự nhiên, hầu hết các nguyên tố tồn tại dưới dạng hỗn hợp của nhiều đồng vị với tỉ lệ phần trăm xác định. Nhờ đó, khối lượng nguyên tử trung bình của một nguyên tố — tức nguyên tử khối được ghi trong bảng tuần hoàn — là giá trị trung bình có trọng số của khối lượng từng đồng vị, với trọng số là độ phổ biến tự nhiên tương ứng. Ví dụ, chlorine có hai đồng vị bền chính là $^{35}\text{Cl}$ và $^{37}\text{Cl}$ , khiến nguyên tử khối trung bình của chlorine xấp xỉ $35{,}5$ , không phải một số nguyên. Đây là lý do tại sao phổ khối (mass spectrum) của một nguyên tố thường cho thấy nhiều hơn một vạch, mỗi vạch tương ứng với một đồng vị.

Ký hiệu

• $^A_Z\text{X}$ hoặc $^A\text{X}$ , trong đó $A$ là số khối và $Z$ là số hiệu nguyên tử
•ví dụ $^{12}\text{C}$ và $^{14}\text{C}$ là hai đồng vị của carbon.

Trực giác: Các đồng vị giống như những người anh em ruột: cùng họ hàng (cùng số proton, cùng tính chất hóa học), nhưng thể trọng mỗi người một khác vì số neutron không giống nhau.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1913Frederick Soddy (1877–1956)Margaret Todd (khoảng 1859–1918)Francis Aston (1877–1945)

Thuật ngữ "đồng vị" ra đời năm 1913, do nữ bác sĩ kiêm nhà văn người Scotland Margaret Todd gợi ý cho nhà hóa học Frederick Soddy, nhằm gọi tên những dạng của cùng một nguyên tố tuy khác khối lượng nguyên tử (atomic weight) nhưng vẫn nằm chung một ô trên bảng tuần hoàn (periodic table).

Thử nghiệm tương tác

Kéo từng chấm giữa hai cột — nhìn vạch trung bình bị hút về cột cao hơn

Hay hiểu sai

Cường độ trên phổ khối không phải phần trăm độ phổ biến.

Khối lượng nguyên tử trung bình không phải trung bình cộng của hai khối lượng.

Đồng vị nặng hơn không đương nhiên là đồng vị phổ biến hơn.

Phải đổi phần trăm sang thập phân trước khi nhân, và phải gán đúng tỉ lệ cho đúng đồng vị.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Phổ khối (mass spectrum) của một nguyên tố X cho hai đỉnh tín hiệu: đỉnh ở

m/z = 151

có cường độ 24 và đỉnh ở

m/z = 153

có cường độ 16. Mỗi đỉnh ứng với một đồng vị bền của X, và cường độ đỉnh tỉ lệ thuận với số nguyên tử của đồng vị đó trong mẫu.

aTính độ phổ biến tương đối (relative abundance) của đồng vị có khối lượng 151 amu.
bTính khối lượng nguyên tử trung bình (average atomic mass) của nguyên tố X, làm tròn đến một chữ số thập phân.

1Bước 1: Trước hết cần hiểu con số cường độ đang đo cái gì. Máy phổ khối tách các nguyên tử theo tỉ số khối lượng trên điện tích

m/z

, nên hai đỉnh ở đây chính là hai đồng vị của cùng một nguyên tố: chúng có cùng số proton nhưng khác số neutron, do đó khác khối lượng. Cường độ 24 và 16 không phải là phần trăm, mà là số đếm tương đối; muốn có độ phổ biến thì phải chia cho tổng.

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 “Cấu trúc & tính chất nguyên tử” — khoá AP Chemistry

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 13, 20, 38.

Đầu thế kỷ 20, việc nghiên cứu các chất phóng xạ đẩy giới hóa học vào một thế bí: người ta liên tục tìm ra những chất có tính chất hóa học giống hệt nhau nhưng lại nặng nhẹ khác nhau, và bảng tuần hoàn thì không còn chỗ trống để xếp chúng riêng ra. Frederick Soddy nhận ra rằng chúng không cần ô riêng, vì bản chất chúng vẫn là cùng một nguyên tố. Trong lá thư gửi tạp chí Nature năm 1913, ông lần đầu dùng chữ "isotope" để chỉ những chất chiếm chung một vị trí như vậy. Nhờ đó, mâu thuẫn giữa bảng tuần hoàn và thực nghiệm phóng xạ được gỡ mà không phải phá vỡ cấu trúc bảng.

Vì sao mang đúng cái tên này? Cái tên nghe lạ tai này thật ra mô tả đúng chỗ đứng của khái niệm trên bảng tuần hoàn. Nó ghép hai gốc Hy Lạp: isos (ἴσος) nghĩa là "bằng nhau, như nhau", và topos (τόπος) nghĩa là "nơi chốn, vị trí"; ghép lại thành "cùng một chỗ". Người nghĩ ra cách ghép ấy không phải nhà hóa học mà là Margaret Todd, một bác sĩ kiêm nhà văn, bạn của Soddy; bà gợi ý chữ này trong một cuộc trò chuyện năm 1913 và Soddy là người đưa nó vào bài viết khoa học rồi phổ biến rộng rãi. Trong bài giảng Nobel năm 1922, chính Soddy giải thích lại rằng ông gọi những nguyên tố giống hệt nhau về mặt hóa học là đồng vị bởi chúng chiếm cùng một vị trí trong bảng tuần hoàn. Cũng khoảng thời gian đó, Francis Aston đưa ra hệ ký hiệu và cách gọi tên các đồng vị trong một chuyên khảo năm 1922, tức cách viết chỉ số khối lượng bên cạnh tên nguyên tố mà sách giáo khoa ngày nay vẫn dùng.

Kéo từng chấm giữa hai cột — nhìn vạch trung bình bị hút về cột cao hơn

Kéo tham số, thấy khái niệm chuyển động — mở khoá bằng tài khoản 0đ.

Tạo tài khoản miễn phí

Mẹo phòng thi

Viết một câu định nghĩa ẩn số trước khi lập phương trình.

Ước lượng vị trí của trung bình trước khi bấm máy để loại nhanh đáp án.

Luôn kiểm tra tổng các tỉ lệ bằng 1 (hay 100%) và giữ đơn vị amu ở đáp số.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

2Bước 2: Tổng cường độ của hai đỉnh là

24 + 16 = 40

. Từ đó độ phổ biến của đồng vị 151 là

f_{151} = 24/40 = 0{,}60

, tức 60%, và phần còn lại thuộc về đồng vị 153:

f_{153} = 16/40 = 0{,}40

, tức 40%. Hai phân số này cộng lại bằng 1, đúng như mọi bộ độ phổ biến phải thỏa mãn.

3Bước 3: Sang ý (b), khối lượng nguyên tử trung bình là trung bình có trọng số của khối lượng các đồng vị, với trọng số chính là độ phổ biến vừa tìm được:

\bar{m} = \sum_i m_i f_i

Công thức này nói rằng mỗi đồng vị góp vào giá trị trung bình đúng theo tỉ lệ nó chiếm trong mẫu, chứ không phải mỗi loại góp như nhau.

4Bước 4: Thay số vào:

\bar{m} = 151 \times 0{,}60 + 153 \times 0{,}40 = 90{,}6 + 61{,}2 = 151{,}8

amu. Ở đây amu là đơn vị khối lượng nguyên tử (atomic mass unit). Một cách kiểm tra nhanh là xem kết quả có nằm giữa 151 và 153 hay không, và có lệch về phía đồng vị nặng hơn hay nhẹ hơn: vì đồng vị 151 chiếm đa số nên giá trị trung bình phải gần 151 hơn gần 153, và

151{,}8

đúng là như vậy.

Đồng vị khối lượng 151 amu chiếm 60% số nguyên tử trong mẫu (đồng vị 153 amu chiếm 40%), và khối lượng nguyên tử trung bình của nguyên tố X là $151{,}8$ amu — nằm lệch về phía đồng vị nhẹ vì đồng vị này phổ biến hơn.

2Ví dụ 2/2

Nguyên tố Y trong tự nhiên chỉ gồm hai đồng vị bền, khối lượng lần lượt là 20 amu và 22 amu. Khối lượng nguyên tử trung bình của Y đo được trên bảng tuần hoàn là

20{,}2

amu.

aKhông cần tính toán chi tiết, hãy cho biết đồng vị nào phổ biến hơn và giải thích lý do.
bXác định độ phổ biến (theo phần trăm) của từng đồng vị.

1Bước 1: Ý (a) kiểm tra xem người học có hiểu bản chất "trung bình có trọng số" hay không. Giá trị

20{,}2

nằm giữa 20 và 22 nhưng lệch hẳn về đầu mút 20: khoảng cách tới 20 chỉ là

0{,}2

, trong khi khoảng cách tới 22 lên tới

1{,}8

. Vì trung bình luôn bị kéo về phía thành phần chiếm tỉ lệ lớn, đồng vị 20 amu chắc chắn phổ biến hơn nhiều so với đồng vị 22 amu.

2Bước 2: Sang ý (b), gọi

x

là phần thập phân của đồng vị 20 amu; do chỉ có hai đồng vị nên phần của đồng vị 22 amu là

1 - x

. Phương trình trung bình có trọng số trở thành

20x + 22(1-x) = 20{,}2

Vế trái là khối lượng trung bình tính theo ẩn số, vế phải là giá trị thực nghiệm đã cho.

3Bước 3: Khai triển và rút gọn:

20x + 22 - 22x = 20{,}2

, tức

22 - 2x = 20{,}2

. Chuyển vế được

2x = 1{,}8

, do đó

x = 0{,}9

. Vậy đồng vị 20 amu chiếm 90% và đồng vị 22 amu chiếm

1 - 0{,}9 = 0{,}1

, tức 10%.

4Bước 4: Cuối cùng nên thay ngược lại để tự kiểm tra:

20 \times 0{,}9 + 22 \times 0{,}1 = 18 + 2{,}2 = 20{,}2

amu, khớp với dữ kiện. Kết quả này cũng xác nhận nhận định định tính ở ý (a): tỉ lệ 90% so với 10% giải thích vì sao trung bình nằm sát ngay cạnh 20.

Đồng vị 20 amu phổ biến hơn, vì khối lượng nguyên tử trung bình $20{,}2$ amu nằm rất gần 20 và trung bình có trọng số luôn bị kéo về phía đồng vị chiếm tỉ lệ lớn; tính cụ thể thì đồng vị 20 amu chiếm 90% và đồng vị 22 amu chỉ chiếm 10% số nguyên tử của nguyên tố Y.