Khối lượng của nguyên tử là gì? Cách tính khối lượng nguyên tử?

1. Nguyên tử là gì?

Về khái niệm, nguyên tử được hiểu là một đơn vị cơ bản của vật chất và được dùng để xác định cấu trúc của các nguyên tố. Mỗi nguyên tử chứa một hạt nhân ở trung tâm và xung quanh được bao bọc bởi đám mây điện tích âm các electron. Nguyên tử rất nhỏ với đường kính chỉ khoảng vài phần mười của nano mét.

Nguyên tử được cấu tạo bởi ba loại hạt đó là: Proton, neutron và electron.

Trong đó, Proton và neutron có khối lượng nặng hơn electron rất nhiều và chúng cư trú trong tâm của nguyên tử hay còn được gọi là hạt nhân. Còn electron thì lại cực kỳ nhẹ và tồn tại trong một đám mây bao xung quanh hạt nhân. Đám mây electron này có bán kính lớn gấp 10.000 lần hạt nhân.

Protron và neutron có trọng lượng xấp xỉ bằng nhau. Một proton lại có trọng lượng nặng tới 1.800 electron.

Các nguyên tử tham gia cấu thành nên những trạng thái vật chất khác nhau và phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện vật lý như: mật độ, nhiệt độ và áp suất. Khi các điều kiện này thay đổi đến một điều kiện giới hạn thì sẽ xảy ra sự chuyển pha vật chất giữ các pha, rắn, khí, lỏng và Plasma. Trong một trạng thái, vật liệu cũng sẽ thể hiện những dạng hình thù khác nhau.

Ví dụ: Với Carbon rắn nó có thể hiện như: graphene, graphite hay kim cương.

1.1. Proton:

Proton là hạt điện mang điện dương được tìm thấy trong hạt nhân nguyên tử. Nó được Ernest Rutherford phát hiện trong các thí nghiệm được tiến hành từ năm 1911 đến 1919. Số lượng proton trong nguyên tử sẽ giúp xác định nó là nguyên tố nào.

Ví dụ: Nguyên tử cacbon có 6 proton, nguyên tử oxi có 8 proton, nguyên tử hiđro có 1 proton. Số lượng proton trong 1 nguyên tử được gọi là số nguyên tử của nguyên tố đó.

Proton được tạo thành từ những hạt khác có tên gọi là quark. Mỗi proton thường có ba quark, hai quark “lên” và một quark “xuống” và chúng được liên kết lại với nhau bởi những hạt khác nữa gọi là gluon.

1.2. Neutron:

Neutron là hạt không mang điện được phát hiện ra ở trong hạt nhân nguyên tử. Khối lượng của một neutron thì sẽ lớn hơn khối lượng của một proton. Tương tự như proton thì neutron cũng được cấu tạo từ quark – một quark “lên” và hai quark “xuống”. Neutron được khám phá ra bởi nhà Vật Lý người Anh – James Chadwick vào năm 1932.

1.3. Electron:

Electron có điện tích âm sẽ bị hút điện về phía các proton tích điện dương. Các Electron bao xung quanh hạt nhân nguyên tử trong những lộ trình được gọi là orbital. Các orbital bên trong vây xung quanh nguyên tử có dạng hình cầu, còn những orbital bên ngoài thì phức tạp hơn.

Cấu hình electron của một nguyên tử là mô tả orbital đến vị trí của các electron trong một nguyên tử không bị kích thích. Do vậy nhờ vào việc sử dụng cấu hình electron và các nguyên lí vật lí thì các nhà hóa học có thể dự đoán các tính chất của một nguyên tử, ví dụ: độ ổn định, điểm sôi và độ dẫn.

2. Khối lượng của nguyên tử là gì?

Phần lớn khối lượng của nguyên tử là do sự đóng góp của proton và neuton trong hạt nhân của nó. Tổng những hạt này trong một nguyên tử được gọi là số khối. Số khối chỉ đơn giản là một số tự nhiên và có đơn vị là nucleon.

Ví dụ: Số khối của “Cacbon-12” nên nó sẽ có 12 nucleon (trong đó có 6 proton và 6 neuton).

Khối lượng thực của nguyên tử khi nó đứng yên thường được biểu diễn bằng đơn vị khối lượng của nguyên tử kí hiệu “u” hoặc dalton (Da). Đơn vị này được xác định bằng 1/12 khối lượng nghỉ của nguyên tử tự do trung hòa điện cacbon – 12 với khối lượng gần bằng 1.66 x 10−27 Kg. Với các nguyên tử nặng nhất thì nó cũng quá nhẹ để các nhà nghiên cứu có thể nghiên cứu trực tiếp và đơn vị khối lượng của nó cũng khá rườm rà.

3. Cách tính khối lượng nguyên tử:

Trong hệ đo lường quốc tế 1u = 1/N_A gram = 1/(1000NA)kg (Với N_A là hằng số Avogadro)

1u ≈ 1.66053886 x 10^-27kg

1u ≈ 1.6605 x 10^-24g

Công thức tính khối lượng riêng của nguyên tử là d = m/V

1mol nguyên tử chứa N = 6,02.10²³ nguyên tử

Khối lượng của các hạt cấu tạo nên nguyên tử:

– Khối lượng của một electron: me = 9,1094.10^-31 kg.

– Khối lượng của một proton: mp = 1,6726.10^-27 kg.

– Khối lượng của một nơtron: mn = 1,6748.10^-27 kg.

Vậy cách tính khối lượng nguyên tử hóa 10 là công thức sau:

m (nguyên tử) = m (p) x n (p) + m (n) x n (n)

Cần nhớ:

1u = 1,6605. 10^-27 kg

1Å = 10^-8cm = 10^-10 m

Khối lượng nguyên tử tương đối và khối lượng nguyên tử tuyệt đối :

– Khối lượng tuyệt đối (m) của nguyên tử là khối lượng thực của nguyên tử (rất nhỏ)

– Khối lượng tương đối của nguyên tử (M) là khối lượng nguyên tử tính theo đơn vị Cacbon (đvC) hay còn gọi là khối lượng mol.

Quy ước: 1đvC = 1u = 1/12 khối lượng tuyệt đối của 12C = 1,66 . 10^-24 g

Mối quan hệ giữa khối lượng tương đối và khối lượng tuyệt đối : m = 1,66.10^-24M (gam) hoặc m = M/(6,023.10²³) (gam)

– Nguyên tử có dạng hình cầu có thể tích V = 4/3πr³ (r là bán kính nguyên tử).

– Khối lượng riêng của nguyên tử d = m/V .

– 1 mol nguyên tử chứa N = 6,02.10²³ nguyên tử

Nhận xét: Proton và nơtron có khối lượng xấp xỉ nhau và chúng lớn hơn khối lượng của electron khoảng 1836 lần, do đó có thể coi khối lượng của nguyên tử tập trung chủ yếu ở hạt nhân nguyên tử (khối lượng của các electron là không đáng kể, có thể bỏ qua).

Nguyên tử có khối lượng vô cùng nhỏ bé, nếu tính bằng đơn vị gam thì số trị quá bé, không tiện sử dụng. Do đó, quy ước lấy 1/12 khối lượng của nguyên tử C làm đơn vị khối lượng cho nguyên tử, gọi là đơn vị cacbon, viết tắt là đvC, kí hiệu quốc tế là u.

Chú ý: Khối lượng tính bằng đơn vị cacbon chỉ là khối lượng tương đối giữa các nguyên tử. Người ta gọi khối lượng này là nguyên tử khối.

4. Nguyên tử khối của một số nguyên tố thường gặp:

5. Cách học thuộc nguyên tử khối của các nguyên tố hóa học:

Việc học thuộc bảng nguyên tử khối của các chất hóa học thường khá khó khăn đối với các em học sinh. Vì vậy, sau đây chúng tôi sẽ chỉ ra một vài phương pháp giúp học thuộc bảng nguyên tử khối nhanh và dễ dàng hơn:

5.1. Làm nhiều các bài tập hóa học:

Các bài tập môn hóa học thì vô cùng đa dạng, chúng đòi hỏi các em học sinh phải thật chăm chỉ, làm đi làm lại nhiều lần, động não suy nghĩ. Khi mới làm quen với bảng tuần hoàn hóa học thì đây là cách học thuộc nguyên tử khối đơn giản mà hiệu quả nhất.

Những nguyên tử khối thường sẽ cho ở đầu mỗi bài tập hóa học. Vậy nên, việc rèn luyện bài tập nhiều sẽ giúp em tự động ghi nhớ mà không cần học vẹt.

5.2. Học thuộc thông qua bài ca nguyên tử khối:

Học thuộc một kiến thức qua bài hát luôn là cách thức dễ học, dễ nhớ nhất đối với các em học sinh. Hiện nay, có rất nhiều những bài thơ chế của bảng nguyên tử khối hay. Mỗi câu thơ đều có liên quan tới các nguyên tố hóa học và đi kèm với nguyên tử khối của chúng. Đặc điểm của các bài thơ là siêu dễ nhớ, các bạn chỉ cần đọc qua vài lần là có thể thuộc làu từng câu chữ, từ đó có thể tiếp thu nguyên tử khối của các nguyên tố một cách nhanh nhất và cực kỳ hiệu quả.

Những câu thơ có vần điệu rất dễ đi sâu vào bộ nhớ con người. Từ đó mà môn Hóa học cũng trở nên vô cùng thú vị và bớt khó khăn đi nhiều. Sau đây là ví dụ về một vài bài thơ ngắn

– Hidro số 1 bạn ơi/Liti số 7 nhớ ngay dễ dàng/Cacbon thì nhớ 12/Nito 14 bạn thời chớ quên/Oxy 16 trăng lên/Flo 19 vấn vương riêng sầu,…

– Hidro là 1/12 cột Cacbon/Nitơ 14 tròn/Oxi trăng 16/Natri hay láu táu/Nhảy tót lên 23/Khiến Magie gần nhà/Ngậm ngùi nhận 24/27 nhôm la lớn,…

6. Bài tập tính khối lượng nguyên tử và lời giải chi tiết:

Bài tập 1: Cho nguyên tử kali là 22 proton, 23 notron và 23 electron. Tính khối lượng tuyệt đối của 1 nguyên tử kali

Lời giải

Khối lượng 22p là: 1,6726 . 10^-27 . 22 =  3,67972.10^-26 (kg)

Khối lượng 23e là: 9,1094 . 10^-31 . 23 = 2.095162.10^-29 (kg)

Khối lượng 23n là: 1,6748 . 10^-27 . 23 = 3,85204.10^-26 (kg)

Như vậy khối lượng nguyên tử tuyệt đối của 1 nguyên tử K là:

3,67972.10^-26  + 2.095162.10^-29  + 3,85204.10^-26  = 7,533855162 . 10^-26

Bài tập 2: Nguyên tử khối của neon là 21,189. Hãy tính khối lượng của mỗi nguyên tử neon theo kg

Lời giải

Khối lượng của một nguyên tử  neon theo kg là:

M = 21,189 . 1,6605 . 10^-27 = 3,51843345.10^-26

Bài tập 3: Theo định nghĩa, số Avogadro là một số bằng số nguyên tử đồng vị 13C có trong 13g đồng vị 13C. Số Avogadro được kí hiệu là N, N có giá trị là 6,023.10²³. Khối lượng của nguyên tử 13C bằng bao nhiêu?

Lời giải

Khối lượng của 1 nguyên tử cacbon 13 là:

M_c = 13/ (6,023 . 10²³) = 2,158392827 . 10^-23