Buzz
Khối lượng nguyên tử (ma) là tổng khối lượng của một nguyên tử. Đơn vị của nó là đơn vị khối lượng nguyên tử (u) hoặc đơn vị carbon (đvC), trong đó 1 đơn vị carbon tương đương với ⁄12 khối lượng của một nguyên tử carbon-12 trong trạng thái nghỉ. Đối với nguyên tử, proton và neutron trong hạt nhân chiếm phần lớn khối lượng, vì vậy nguyên tử khối tính bằng u gần bằng số khối của nguyên tử đó.
Khi chia khối lượng nguyên tử cho đơn vị hoặc dalton (Da) để tạo thành một tỷ lệ, khối lượng nguyên tử trở thành một đại lượng không thứ nguyên gọi là khối lượng đồng vị tương đối (xem phần dưới). Ví dụ, khối lượng của một nguyên tử carbon-12 là 12 u (hay 12 Da), nhưng khối lượng đồng vị tương đối của nguyên tử carbon-12 chỉ là 12.
Khối lượng nguyên tử hay khối lượng đồng vị tương đối chỉ phản ánh khối lượng của một hạt duy nhất, vì vậy nó bị ràng buộc bởi đồng vị cụ thể của một nguyên tố. Đại lượng không thứ nguyên khối lượng nguyên tử chuẩn thể hiện giá trị trung bình của các giá trị nguyên tử khối của các đồng vị phổ biến trong tự nhiên trong một mẫu nguyên tố. Do đó, giá trị của khối lượng nguyên tử thường có nhiều chữ số có nghĩa hơn khối lượng nguyên tử chuẩn. Khối lượng nguyên tử chuẩn được liên kết với khối lượng nguyên tử qua sự phổ biến của các đồng vị trong một nguyên tố, thường xấp xỉ khối lượng nguyên tử của đồng vị phổ biến nhất, chứ không phải giá trị làm tròn.
Khối lượng của một nguyên tử, ion, hoặc hạt nhân nguyên tử thường nhỏ hơn tổng khối lượng của các proton, neutron và electron tạo thành nó một chút, do sự mất mát khối lượng từ năng lượng liên kết (theo công thức E = mc).
Khối lượng đồng vị tương đối
Khối lượng đồng vị tương đối (đặc trưng cho một nguyên tử đơn lẻ) không nên bị nhầm lẫn với khối lượng nguyên tử tương đối (hay trọng lượng nguyên tử), là giá trị trung bình của nhiều nguyên tử trong một mẫu nguyên tố hóa học. Khối lượng đồng vị tương đối tương đương với nguyên tử khối, chỉ khác
Khối lượng đồng vị tương đối tương đương với nguyên tử khối và có giá trị đại số bằng đúng nguyên tử khối, với nguyên tử khối sử dụng đơn vị khối lượng nguyên tử. Sự khác biệt duy nhất là khối lượng đồng vị tương đối là một con số thuần túy không có đơn vị. Nó chỉ phản ánh tỷ lệ khối lượng nguyên tử so với tiêu chuẩn là nguyên tử carbon-12, và từ 'tương đối' chỉ ra tỷ lệ tương đối so với carbon-12.
Với khối lượng của carbon-12 là 12, khối lượng đồng vị tương đối sẽ tương ứng với khối lượng của một đồng vị (hoặc nuclit) khi giá trị này được so sánh với khối lượng của carbon-12. Cụ thể, khối lượng đồng vị tương đối của một đồng vị hoặc nuclit là khối lượng của đồng vị so với 1/12 khối lượng của một nguyên tử carbon-12.
Chẳng hạn, khối lượng đồng vị tương đối của một nguyên tử carbon-12 là chính xác 12, trong khi nguyên tử khối của nguyên tử carbon-12 cũng là 12 đơn vị carbon hoặc 12 u. Hơn nữa, nguyên tử khối của một nguyên tử carbon-12 có thể được thể hiện bằng bất kỳ đơn vị khối lượng nào, ví dụ như khoảng 1.998467052 × 10 kilogam.
Không có nuclit nào ngoài carbon-12 có giá trị khối lượng đồng vị tương đối là số nguyên. Giống như khối lượng nguyên tử khi được biểu diễn bằng u, khối lượng nguyên tử trung bình của các nuclit khác ngoài carbon-12 chỉ gần như là số nguyên. Điều này sẽ được giải thích rõ hơn ở phần dưới.
Các đại lượng liên quan
Khối lượng nguyên tử và khối lượng đồng vị tương đối đôi khi bị nhầm lẫn hoặc thay thế cho khối lượng nguyên tử chuẩn và khối lượng nguyên tử tương đối. Tuy nhiên, khối lượng nguyên tử tương đối và khối lượng nguyên tử chuẩn phản ánh giá trị trung bình (có trọng số theo số lượng) của các nguyên tử trong mẫu nguyên tố, không phải của nuclit đơn lẻ. Do đó, khối lượng nguyên tử tương đối và khối lượng nguyên tử chuẩn thường khác với nguyên tử khối và khối lượng đồng vị tương đối, và có thể có đơn vị khác.
Nguyên tử khối (hoặc khối lượng đồng vị tuyệt đối) được định nghĩa là khối lượng của một nguyên tử duy nhất, tức là của một đồng vị (nuclit), không phải là giá trị trung bình như khối lượng nguyên tử tương đối và khối lượng nguyên tử chuẩn. Do đó, về lý thuyết, nguyên tử khối hoặc khối lượng đồng vị tương đối của mỗi đồng vị hoặc nuclit trong một nguyên tố hóa học có thể được đo chính xác, vì tất cả các mẫu nuclit có cùng trạng thái năng lượng đều giống hệt nhau. Ví dụ, mỗi nguyên tử oxi-16 có nguyên tử khối (hoặc khối lượng đồng vị tương đối) giống hệt như tất cả các nguyên tử oxi-16 khác.
Đối với các nguyên tố chỉ có một đồng vị tự nhiên (các nguyên tố đơn nuclit) hoặc một đồng vị chủ yếu, sự khác biệt giữa nguyên tử khối của đồng vị phổ biến nhất và khối lượng nguyên tử tương đối (hay chuẩn) thường rất nhỏ hoặc không đáng kể, không ảnh hưởng nhiều đến các phép tính. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, sự sai lệch có thể xảy ra và cần phải xem xét từng nguyên tử đơn lẻ của những nguyên tố không phải đơn nuclit.
Với các nguyên tố có nhiều hơn một đồng vị phổ biến, sự khác biệt giữa khối lượng nguyên tử tương đối và khối lượng đồng vị tương đối của đồng vị phổ biến nhất có thể lớn đến hơn 0.5 đơn vị (như trường hợp của clo với khối lượng nguyên tử chuẩn và khối lượng nguyên tử tương đối khoảng 35.45). Nguyên tử khối (khối lượng đồng vị tương đối) của một đồng vị hiếm có thể khác khối lượng nguyên tử chuẩn hoặc khối lượng nguyên tử tương đối tới vài đơn vị khối lượng.
Nguyên tử khối tính theo đơn vị carbon (tương đương khối lượng nguyên tử chuẩn) luôn gần với một số nguyên nhưng không bao giờ là số nguyên (ngoại trừ carbon-12) vì hai lý do chính:
- Khối lượng của proton và neutron khác nhau, và các nuclit khác nhau có tỷ lệ proton và neutron không giống nhau.
- Nguyên tử khối bị giảm một phần nào đó do năng lượng liên kết của hạt nhân.
Tỷ lệ giữa nguyên tử khối và số khối (số hạt trong hạt nhân) dao động từ 0.99884 đối với sắt (Fe) đến 1.00782505 đối với hydro (H).
Bất kỳ sự mất mát khối lượng nào do năng lượng liên kết hạt nhân chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ (dưới 1%) so với tổng khối lượng của các nucleon tự do. So với khối lượng trung bình của mỗi nucleon trong carbon-12, là một nguyên tử có liên kết khá mạnh, sự hao hụt khối lượng chỉ là một phần rất nhỏ của một đơn vị carbon. Do khối lượng của proton và neutron tự do gần như giống nhau (khoảng 0.0014 u), khi làm tròn khối lượng đồng vị tương đối hoặc nguyên tử khối của bất kỳ nuclit nào (tính theo đơn vị carbon) đều gần với số lượng hạt trong nhân, hay số khối. Ngoài ra, số neutron có thể được tính bằng cách trừ số proton (số hiệu nguyên tử) khỏi số khối trong hạt nhân.
Hao hụt khối lượng
Sự khác biệt của tỷ số giữa nguyên tử khối và số khối so với 1 thay đổi: bắt đầu từ số dương ở hydro-1, sau đó giảm dần cho đến khi đạt giá trị cực tiểu ở heli-4. Các đồng vị của lithi, beryli, và bo có liên kết không mạnh bằng heli, vì vậy tỷ số của chúng tăng dần.
Đối với carbon, tỷ số giữa nguyên tử khối (tính theo đơn vị carbon) và số khối bằng đúng 1. Sau carbon, tỷ số này giảm xuống dưới 1 cho đến khi đạt giá trị cực tiểu ở sắt-56 (sắt-58 và niken-62 chỉ cao hơn một chút), sau đó lại tăng lên với các đồng vị nặng hơn và số khối tăng dần. Điều này là do sự phân hạch hạt nhân trong các nguyên tố nặng hơn zirconi giải phóng năng lượng, trong khi phân hạch trong các nguyên tố nhẹ hơn niobi cần năng lượng. Ngược lại, phản ứng hợp hạch giữa hai nguyên tử của các nguyên tố nhẹ hơn scandi (ngoại trừ heli) giải phóng năng lượng, trong khi hợp hạch các nguyên tố nặng hơn như calci cần năng lượng. Sự hợp hạch của hai nguyên tử He-4 để tạo ra beryli-8 cần cung cấp năng lượng, và nguyên tử beryli sẽ nhanh chóng phân hủy lại. He-4 có thể phản ứng với triti (H-3) hoặc He-3, và những quá trình này đã xảy ra trong tổng hợp hạt nhân của Big Bang. Sự hình thành của các nguyên tố có nhiều hơn bảy nucleon cần phản ứng hợp hạch giữa ba nguyên tử He-4 trong quá trình ba alpha, bỏ qua lithi, beryli và bo để tạo ra carbon.
Dưới đây là tỷ số giữa nguyên tử khối và số khối của một số nguyên tố:
| Nuclit | Tỉ số nguyên tử khối với số khối |
|---|---|
| H | 1.00782505 |
| H | 1.0070508885 |
| H | 1.0053497592 |
| He | 1.0053431064 |
| He | 1.0006508135 |
| Li | 1.0025204658 |
| C | 1 |
| N | 1.0002195718 |
| O | 0.9996821637 |
| Fe | 0.9988381696 |
| Po | 0.9999184462 |
| Th | 1.0001640315 |
| U | 1.0002133958 |
Đo lường
Khối lượng nguyên tử được đo và so sánh thông qua phương pháp khối phổ.
Chuyển đổi đơn vị
Đơn vị tiêu chuẩn trong khoa học để đo lượng chất là mol (ký hiệu: mol), được định nghĩa là lượng chất chứa số nguyên tử hoặc phân tử bằng số nguyên tử có trong 12 gam carbon-12. Số nguyên tử trong một mol chất được gọi là số Avogadro, có giá trị khoảng 6.022 × 10.
Một mol chất có khối lượng gần bằng khối lượng nguyên tử chuẩn hoặc khối lượng mol của chất đó. Tuy nhiên, nguyên tử khối có thể khác, tùy thuộc vào số đồng vị của nguyên tố đó có trong tự nhiên. Ví dụ, khối lượng nguyên tử chuẩn của sắt là 55.847 g/mol, nên một mol sắt phổ biến trên Trái Đất có khối lượng là 55.847 gram. Nguyên tử khối của đồng vị Fe là 55.935 u, và một mol nguyên tử Fe sẽ có khối lượng 55.935 g, nhưng lượng Fe nguyên chất như vậy chưa từng được tìm thấy trên Trái Đất. Tuy nhiên, có 22 nguyên tố đơn nuclit chỉ có một đồng vị tự nhiên (như fluor, natri, nhôm và phosphor), và với các nguyên tố này, khối lượng nguyên tử chuẩn và nguyên tử khối có giá trị bằng nhau. Vì vậy, các mẫu của những nguyên tố này có thể được dùng làm chuẩn tham chiếu cho các giá trị nguyên tử khối nhất định.
Công thức chuyển đổi giữa đơn vị khối lượng nguyên tử và gam theo IUPAC cho một nguyên tử là:
Trong đó là hằng số Avogadro.
Phân tử khối
Khái niệm tương tự có thể áp dụng cho các phân tử. Để tính khối lượng phân tử của một hợp chất, ta cộng tổng nguyên tử khối của các nguyên tử cấu thành nó (nuclit). Khối lượng mol của hợp chất có thể được tính bằng cách cộng khối lượng nguyên tử tương đối của các nguyên tố trong công thức hóa học của nó. Cần lưu ý số lượng mỗi nguyên tử xuất hiện và nhân nguyên tử khối với số lượng đó.
Lịch sử
John Dalton và Thomas Thomson là những nhà khoa học đầu tiên xác định khối lượng nguyên tử tương đối vào khoảng năm 1803 đến 1805, còn Jöns Jakob Berzelius thực hiện công việc này từ năm 1808 đến 1826. Ban đầu, khối lượng nguyên tử tương đối được định nghĩa dựa trên khối lượng của nguyên tố nhẹ nhất, hydro, với giá trị là 1.00. Vào những năm 1820, giả thuyết Prout cho rằng khối lượng nguyên tử của mọi nguyên tố đều là bội số của khối lượng nguyên tử hydro. Tuy nhiên, Berzelius đã chứng minh điều này không chính xác, với các nguyên tố như clo có khối lượng nguyên tử tương đối khoảng 35.5, gần như ở giữa hai bội số nguyên của khối lượng hydro. Sau này, điều này được chứng minh do sự có mặt của nhiều đồng vị, trong khi nguyên tử khối của đồng vị nguyên chất hay nuclit là bội số của khối lượng hydro với sai số khoảng 1%.
Vào những năm 1860, Stanislao Cannizzaro đã hoàn thiện khái niệm khối lượng nguyên tử tương đối bằng cách áp dụng định luật Avogadro (đặc biệt là tại Hội nghị Karlsruhe năm 1860). Ông đã đề xuất một định luật xác định khối lượng nguyên tử tương đối của các nguyên tố: lượng chất khác nhau của cùng một nguyên tố trong các phân tử khác nhau là các bội số nguyên của trọng lượng nguyên tử, và xác định khối lượng nguyên tử và phân tử tương đối bằng cách so sánh mật độ hơi của một hỗn hợp khí chứa phân tử của một hay nhiều nguyên tố cần đo đạc.
Trước những năm 1960, các nhà hóa học và vật lý dùng hai hệ đo nguyên tử khối khác nhau. Các nhà hóa học sử dụng 'đơn vị nguyên tử khối' (amu), trong đó hỗn hợp tự nhiên các đồng vị của oxi có khối lượng nguyên tử là 16, trong khi các nhà vật lý gán con số 16 cho nguyên tử khối của đồng vị oxi phổ biến nhất (O, gồm 8 proton và 8 neutron). Tuy nhiên, vì oxi-17 và oxi-18 cũng tồn tại trong tự nhiên, điều này dẫn đến hai hệ đo khác nhau cho khối lượng nguyên tử. Hệ đo thống nhất dựa trên carbon-12, C, đáp ứng nhu cầu của các nhà vật lý về hệ đo dựa trên một đồng vị duy nhất, đồng thời vẫn gần gũi với hệ đo của các nhà hóa học.
Cụm từ trọng lượng nguyên tử đang dần được thay thế bằng khối lượng nguyên tử tương đối trong hầu hết các trường hợp. Sự thay đổi này bắt đầu từ những năm 1960 và đã gây ra không ít tranh cãi trong giới khoa học, phần lớn do việc sử dụng đơn vị khối lượng nguyên tử và vì thuật ngữ 'weight' có vẻ không hoàn toàn chính xác. Một số chuyên gia vẫn muốn giữ lại cụm từ 'trọng lượng nguyên tử' vì nó đã quen thuộc với những người trong ngành, trong khi 'khối lượng nguyên tử' và 'khối lượng nguyên tử tương đối' có thể gây nhầm lẫn với khối lượng đồng vị tương đối (khối lượng của một nguyên tử của một nuclit so với 1/12 khối lượng một nguyên tử carbon-12; xem phần trên).
Năm 1979, để giải quyết sự tranh cãi, cụm từ 'khối lượng nguyên tử tương đối' được xem là tương đương với trọng lượng nguyên tử. Hai mươi năm sau, sự ưa chuộng đã thay đổi và 'khối lượng nguyên tử tương đối' trở thành thuật ngữ phổ biến hơn. Tuy nhiên, cụm từ 'khối lượng nguyên tử chuẩn' (chỉ khối lượng nguyên tử của các mẫu thử được chuẩn hóa) vẫn được duy trì.
