AP Chemistry

proton

Proton là hạt hạ nguyên tử mang một đơn vị điện tích dương, nằm trong hạt nhân, và số proton chính là số hiệu nguyên tử Z của nguyên tố.

Mỗi nguyên tử đều được dựng từ ba loại hạt cơ bản, trong đó prôtôn (proton) là hạt mang điện tích dương và cư trú trong hạt nhân cùng với nơtron (neutron). Điện tích của nó bằng đúng độ lớn điện tích của êlectron (electron) nhưng trái dấu, nên một nguyên tử trung hòa luôn có số prôtôn bằng số êlectron. Về khối lượng, prôtôn nặng gấp khoảng 1836 lần êlectron:

$m_p \approx 1{,}673\times10^{-27}\ \text{kg} \approx 1{,}007\ \text{u}$

Con số này cho thấy vì sao prôtôn và nơtron gánh gần như toàn bộ khối lượng nguyên tử, còn lớp vỏ êlectron hầu như không đóng góp gì đáng kể.

Vai trò quan trọng nhất của prôtôn là xác định danh tính nguyên tố. Số prôtôn trong hạt nhân chính là số hiệu nguyên tử $Z$ , và mọi nguyên tử có $Z = 6$ đều là cacbon, bất kể chúng có bao nhiêu nơtron hay êlectron. Do đó, thay đổi số nơtron chỉ sinh ra các đồng vị khác nhau, thay đổi số êlectron chỉ tạo ra ion, nhưng nếu thay đổi số prôtôn thì ta đã sang một nguyên tố khác hẳn. Vì vậy số khối $A$ được viết dưới dạng $A = Z + N$ , với $N$ là số nơtron.

Trong hóa học, prôtôn còn xuất hiện với một nghĩa hẹp hơn nhưng cực kỳ hay gặp ở phần axit–bazơ. Nguyên tử hiđro phổ biến nhất chỉ có một prôtôn và một êlectron, cho nên khi mất êlectron thì phần còn lại đúng là một prôtôn trần, ký hiệu $\text{H}^+$ . Chính vì thế thuyết Brønsted–Lowry định nghĩa axit là chất cho prôtôn (proton donor) và bazơ là chất nhận prôtôn, còn phản ứng axit–bazơ được gọi là phản ứng chuyển prôtôn. Tuy nhiên, trong dung dịch nước prôtôn không tồn tại đơn độc mà bám ngay vào phân tử nước để tạo ion hiđroni $\text{H}_3\text{O}^+$ , nên hai cách viết $\text{H}^+$ và $\text{H}_3\text{O}^+$ thường được dùng thay thế cho nhau trong đề thi.

Ký hiệu

• $p$ , $p^+$ , $\text{H}^+$
•số proton ký hiệu $Z$
•hạt nhân hiđro $^{1}_{1}\text{H}$

Đơn vịĐiện tích $+1{,}602\times10^{-19}$ C (tức $1+$); khối lượng $1{,}673\times10^{-27}$ kg $\approx 1{,}007$ u

Trực giác: Proton giống như số căn cước của nguyên tố: đổi một con số là đổi luôn con người, còn quần áo (electron) hay cân nặng (neutron) thì thay đổi bao nhiêu cũng vẫn là người đó.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1920Ernest RutherfordWilliam ProutOliver Lodge

Tên gọi "proton" do nhà vật lý Ernest Rutherford đặt năm 1920 cho hạt nhân nguyên tử hydro, sau khi ông chứng minh rằng hạt này có thể bị bắn ra từ hạt nhân nitơ và vì vậy có thể là viên gạch chung của mọi nguyên tố.

Ý tưởng rằng mọi nguyên tử đều được ghép từ một loại hạt giống hydro đã xuất hiện từ rất sớm. Ngay từ năm 1815, William Prout dựa vào các giá trị nguyên tử khối thô sơ thời đó để nêu giả thuyết rằng mọi nguyên tử đều là tổ hợp nguyên lần của nguyên tử hydro. Khi phép đo nguyên tử khối chính xác hơn, mối quan hệ số nguyên ấy sụp đổ và giả thuyết bị bác bỏ. Tuy nhiên, một thế kỷ sau, Rutherford tách được hạt nhân hydro ra khỏi hạt nhân nitơ bằng va chạm hạt, và ý tưởng cũ sống lại dưới một cái tên mới.

Thử nghiệm tương tác

Thêm một proton — nhìn tên nguyên tố nhảy sang ô kế tiếp

Hay hiểu sai

Số proton quyết định nguyên tố, không phải số electron hay neutron.

Không phải mọi hydro trong công thức đều là proton có tính axit.

Axit càng yếu thì bazơ liên hợp của nó càng mạnh, không phải ngược lại.

Số bậc nhảy trên đường cong chuẩn độ bằng số proton axit đã được chuẩn độ.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Hai nguyên tử trung hòa X và Y được khảo sát bằng phổ khối lượng. Hạt nhân của X chứa 11 proton và 12 neutron; hạt nhân của Y chứa 12 proton và 12 neutron. Cả hai đều dễ dàng nhường electron lớp ngoài cùng để tạo thành ion bền có cấu hình giống khí hiếm neon.

aX và Y có phải là hai đồng vị của cùng một nguyên tố hay không? Xác định danh tính của mỗi nguyên tử.
bViết ion bền mà mỗi nguyên tử tạo thành và cho biết số electron trong mỗi ion.
cSo sánh bán kính của hai ion đó và giải thích bằng số proton trong hạt nhân.

1Bước 1: Số proton trong hạt nhân chính là số hiệu nguyên tử

Z

, và

Z

là thứ duy nhất quyết định danh tính nguyên tố. Ở đây

Z_X = 11

nên X là natri, còn

Z_Y = 12

nên Y là magie. Hai nguyên tử có số proton khác nhau thì thuộc hai nguyên tố khác nhau, do đó chúng không thể là đồng vị của nhau — đồng vị bắt buộc phải cùng

Z

và chỉ khác số neutron. Việc cả hai đều có 12 neutron là một sự trùng hợp không mang ý nghĩa phân loại.

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

Dẫn tớithuyết acid–base Brønsted–Lowry (sắp có)pH

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

neutronneutron

Khác nhau ở đâuProton mang điện tích dương và số proton quyết định nguyên tố hóa học. Neutron không mang điện tích, chỉ góp phần vào khối lượng hạt nhân và xác định đồng vị.

Hay nhầm khiKhi phân biệt các hạt trong hạt nhân hoặc tính số neutron từ số khối.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 18, 20, 97.

2Ví dụ 2/2

Lấy

25{,}0\ \text{mL}

dung dịch axit photphoric

H_3PO_4

nồng độ

0{,}100\ \text{M}

đem chuẩn độ bằng dung dịch

NaOH

0{,}100\ \text{M}

. Đường cong pH thu được có ba đoạn dốc đứng tách biệt nhau. Các hằng số phân li của axit là

K_{a1} = 7{,}5 \times 10^{-3}

K_{a2} = 6{,}2 \times 10^{-8}

và

K_{a3} = 4{,}2 \times 10^{-13}

;

K_w = 1{,}0 \times 10^{-14}

aBa đoạn dốc đứng đó cho biết điều gì về phân tử $H_3PO_4$ ?
bTính thể tích $NaOH$ cần dùng để đạt điểm tương đương thứ hai.
cTrong ba bazơ liên hợp $H_2PO_4^-$ , $HPO_4^{2-}$ và $PO_4^{3-}$ , chất nào nhận proton mạnh nhất? Dùng số liệu để chứng minh.

1Bước 1: Theo quan điểm Brønsted–Lowry, axit là chất cho proton còn bazơ là chất nhận proton, nên mỗi đoạn dốc đứng trên đường cong chuẩn độ ứng với việc một proton bị bazơ lấy đi trọn vẹn. Ba đoạn dốc tách biệt chứng tỏ phân tử

H_3PO_4

có ba proton có thể ion hóa và chúng bị tách ra lần lượt chứ không đồng thời. Sự tách bạch này có được là vì các hằng số phân li chênh nhau khoảng

10^5

lần mỗi bậc, đủ lớn để mỗi phản ứng chuyển proton (proton transfer) gần như kết thúc trước khi phản ứng kế tiếp bắt đầu.

2Bước 2: Tính số mol axit ban đầu:

n = (0{,}0250\ \text{L})(0{,}100\ \text{M}) = 2{,}50 \times 10^{-3}\ \text{mol}

. Đến điểm tương đương (equivalence point) thứ nhất, mỗi phân tử axit đã nhường một proton nên cần đúng

2{,}50 \times 10^{-3}\ \text{mol}

NaOH

, tương ứng

V = \dfrac{2{,}50 \times 10^{-3}}{0{,}100} = 0{,}0250\ \text{L} = 25{,}0\ \text{mL}

3Bước 3: Điểm tương đương thứ hai đòi hỏi hai proton trên mỗi phân tử axit, tức

n_{OH^-} = 2 \times 2{,}50 \times 10^{-3} = 5{,}00 \times 10^{-3}\ \text{mol}

. Do đó

V = \dfrac{5{,}00 \times 10^{-3}}{0{,}100} = 0{,}0500\ \text{L} = 50{,}0\ \text{mL}

. Tổng quát, các điểm tương đương rơi vào

25{,}0

;

50{,}0

và

75{,}0\ \text{mL}

— chúng cách đều nhau vì mỗi bậc chỉ chuyển đúng một proton.

4Bước 4: Axit càng yếu thì càng giữ proton chặt, nên bazơ liên hợp của nó càng khao khát nhận lại proton. Vì

K_{a3}

nhỏ nhất,

HPO_4^{2-}

là axit yếu nhất trong dãy và cặp axit–bazơ liên hợp (conjugate acid–base pair) tương ứng cho ta

PO_4^{3-}

là bazơ mạnh nhất. Kiểm chứng bằng

K_b = K_w/K_a

K_b(PO_4^{3-}) = \dfrac{1{,}0 \times 10^{-14}}{4{,}2 \times 10^{-13}} = 2{,}4 \times 10^{-2}

5Bước 5: Làm tương tự cho hai bazơ còn lại:

K_b(HPO_4^{2-}) = \dfrac{1{,}0 \times 10^{-14}}{6{,}2 \times 10^{-8}} = 1{,}6 \times 10^{-7}

và

K_b(H_2PO_4^-) = \dfrac{1{,}0 \times 10^{-14}}{7{,}5 \times 10^{-3}} = 1{,}3 \times 10^{-12}

. Ba giá trị này xếp theo thứ tự

2{,}4 \times 10^{-2} > 1{,}6 \times 10^{-7} > 1{,}3 \times 10^{-12}

, khẳng định lại kết luận rút ra từ lập luận định tính ở Bước 4.

Ba đoạn dốc đứng cho thấy $H_3PO_4$ có ba proton ion hóa được và chúng bị tách ra theo từng bậc riêng biệt. Để đạt điểm tương đương thứ hai cần $50{,}0\ \text{mL}$ dung dịch $NaOH$ $0{,}100\ \text{M}$ , đúng gấp đôi thể tích của điểm tương đương thứ nhất. Trong ba bazơ liên hợp, $PO_4^{3-}$ nhận proton mạnh nhất với $K_b = 2{,}4 \times 10^{-2}$ , vì nó sinh ra từ axit yếu nhất là $HPO_4^{2-}$ . Nguyên tắc cần nhớ: axit càng yếu thì bazơ liên hợp càng mạnh, và mọi lập luận axit–bazơ ở đây đều quy về việc một proton đi từ đâu đến đâu.