Hướng dẫn cách tính nguyên tử khối trung bình

21/04/2025

Nội dung bài viết

Nguyên tử khối trung bình không phải là khối lượng đo trực tiếp của một nguyên tử. Thay vào đó, đó là giá trị trung bình được tính từ các nguyên tử đại diện của một nguyên tố. Nếu có thể đo khối lượng của hàng triệu nguyên tử, bạn có thể tính được giá trị này bằng cách tính trung bình các khối lượng của chúng. Tuy nhiên, phương pháp đơn giản hơn là sử dụng thông tin từ các đồng vị khác nhau của nguyên tố đó.

Các bước thực hiện

Tính toán nguyên tử khối trung bình

Hiểu về đồng vị và nguyên tử khối. Trong tự nhiên, hầu hết các nguyên tố tồn tại dưới dạng nhiều đồng vị khác nhau. Sự khác biệt giữa các đồng vị của một nguyên tố nằm ở số lượng nơtron trong nguyên tử, và chính điều này tác động đến nguyên tử khối. Phương pháp tính nguyên tử khối trung bình sẽ xem xét sự khác biệt này và giúp bạn xác định được khối lượng trung bình của các nguyên tử trong một mẫu đại diện.

Ví dụ, bạc (Ag) có hai đồng vị tự nhiên: Ag-107 và Ag-109 (hoặc ¹⁰⁷Ag và ¹⁰⁹Ag). Đồng vị được đặt tên theo số khối, tức là tổng số proton và nơtron trong nguyên tử. Ag-109 có nhiều nơtron hơn Ag-107, vì vậy nguyên tử Ag-109 nặng hơn một chút.

Xác định khối lượng của từng đồng vị. Để tính toán, bạn cần tra cứu hai thông số quan trọng của mỗi đồng vị, có thể tìm thấy trong các tài liệu chuyên ngành hoặc trên các trang web như webelements.com. Đầu tiên là nguyên tử khối của mỗi đồng vị. Đồng vị có nhiều nơtron sẽ có khối lượng lớn hơn.

Ví dụ, đồng vị bạc Ag-107 có nguyên tử khối là 106,90509 amu. Đồng vị Ag-109 có khối lượng cao hơn một chút, với giá trị là 108,90470.
Số thập phân cuối cùng có thể thay đổi tùy thuộc vào tài liệu tham khảo. Lưu ý không thêm bất kỳ con số nào trong ngoặc đơn sau khối lượng.

Ghi lại tỷ lệ tồn tại của mỗi đồng vị trong tự nhiên. Tỷ lệ này thể hiện mức độ phổ biến của đồng vị trong tự nhiên, tính bằng phần trăm so với tổng số nguyên tử của nguyên tố. Bạn có thể tham khảo tỷ lệ này trong các tài liệu cung cấp nguyên tử khối. Tất cả tỷ lệ cộng lại sẽ cho tổng 100%, mặc dù có thể có sai số nhỏ do làm tròn.

Ví dụ, đồng vị Ag-107 chiếm 51,86%. Đồng vị Ag-109 chiếm 48,14%. Điều này có nghĩa là trong một mẫu bạc tự nhiên, 51,86% là Ag-107 và 48,14% là Ag-109.
Hãy bỏ qua những đồng vị không có tỷ lệ tồn tại trong tự nhiên, vì chúng không xuất hiện trên Trái Đất.

Chuyển tỷ lệ phần trăm của đồng vị thành số thập phân. Để chuyển tỷ lệ phần trăm sang số thập phân, chỉ cần chia tỷ lệ cho 100.

Trong ví dụ bạc ở trên, ta có 51,86 / 100 = 0,5186 và 48,14 / 100 = 0,4814.

Tính toán nguyên tử khối trung bình. Nguyên tử khối trung bình của một nguyên tố với n đồng vị có thể tính theo công thức: (nguyên tử khối_{đồng vị 1} * tỷ lệ_{đồng vị 1}) + (nguyên tử khối_{đồng vị 2} * tỷ lệ_{đồng vị 2}) + ... + (nguyên tử khối_{đồng vị n} * tỷ lệ_{đồng vị n}). Đây là phép tính trung bình, có nghĩa là đồng vị càng chiếm tỷ lệ cao trong mẫu, tác động của nó lên kết quả càng lớn. Ví dụ với bạc:

Nguyên tử khối trung bình_Ag = (nguyên tử khối_Ag-107 * tỷ lệ_Ag-107) + (nguyên tử khối_Ag-109 * tỷ lệ_Ag-109)
=(106,90509 * 0,5186) + (108,90470 * 0,4814)
= 55,4410 + 52,4267
= 107,8677 amu.
Hãy tìm nguyên tố trên bảng tuần hoàn để đối chiếu kết quả. Nguyên tử khối trung bình của mỗi nguyên tố luôn được ghi dưới ký hiệu hóa học của nó.

Áp dụng kết quả

Chuyển đổi khối lượng sang số nguyên tử. Nguyên tử khối trung bình giúp ta hiểu rõ mối liên hệ giữa khối lượng và số nguyên tử trong một mẫu vật của nguyên tố. Đây là công cụ cực kỳ hữu ích trong các thí nghiệm hóa học, khi việc đếm chính xác số nguyên tử gần như không thể, trong khi khối lượng lại dễ dàng đo được. Ví dụ, khi bạn cân một mẫu bạc, bạn sẽ biết rằng cứ mỗi 107,8677 amu sẽ tương đương với một nguyên tử bạc.

Chuyển đổi sang khối lượng mol. Do nguyên tử khối là đơn vị rất nhỏ, các nhà hóa học thường sử dụng gam để đo khối lượng. Việc chuyển đổi này thực sự rất đơn giản, nhờ vào các định nghĩa chuẩn. Chỉ cần nhân nguyên tử khối trung bình với hằng số 1 g / mol, bạn sẽ có kết quả theo đơn vị gam trên mỗi mol. Ví dụ, 107,8677 gam bạc sẽ chứa đúng một mol nguyên tử bạc.

Tính toán khối lượng phân tử trung bình. Phân tử được tạo thành từ các nguyên tử, vì vậy bạn có thể cộng khối lượng của từng nguyên tử để ra khối lượng phân tử. Khi sử dụng nguyên tử khối trung bình, kết quả bạn có được chính là khối lượng phân tử trung bình của một mẫu chất trong tự nhiên. Ví dụ:

Một phân tử nước (H₂O) có 2 nguyên tử hiđro (H) và 1 nguyên tử oxi (O).
Nguyên tử khối trung bình của hiđro là 1,00794 amu và của oxi là 15,9994 amu.
Khối lượng phân tử trung bình của H₂O = (1,00794 * 2) + 15,9994 = 18,01528 amu, tương đương 18,01528 g/mol.

Lời khuyên

Khối lượng nguyên tử tương đối đôi khi được sử dụng thay cho nguyên tử khối trung bình. Tuy nhiên, sự khác biệt chủ yếu là nguyên tử khối tương đối không có đơn vị và là phép đo so với nguyên tử cacbon-12. Khi tính toán nguyên tử khối trung bình, hai khái niệm này tương đương nhau.
Con số trong ngoặc đơn sau nguyên tử khối cho biết độ sai số, ví dụ, nguyên tử khối 1,0173 (4) có nghĩa là phạm vi khối lượng có thể dao động trong khoảng 1,0173 ± 0,0004. Bạn không cần quan tâm đến số này trừ khi có yêu cầu đặc biệt.
Thông thường, nguyên tử khối trung bình của một nguyên tố sẽ lớn hơn nguyên tố đứng trước nó trên bảng tuần hoàn, trừ một số trường hợp đặc biệt. Đây là một cách kiểm tra kết quả nhanh chóng của bạn.
1 đơn vị khối lượng nguyên tử tương đương với 1/12 khối lượng của một nguyên tử cacbon-12.
Tỷ lệ tồn tại của các đồng vị dựa trên mẫu tự nhiên trên Trái Đất. Những vật liệu như thiên thạch hoặc những chất được tổng hợp trong phòng thí nghiệm có thể có tỷ lệ đồng vị khác, dẫn đến nguyên tử khối trung bình khác biệt.

Cảnh báo quan trọng

Nguyên tử khối luôn được thể hiện bằng đơn vị khối lượng nguyên tử (amu hoặc u), đôi khi còn gọi là dalton (Da). Lưu ý không bao giờ thay đổi đơn vị khối lượng, chẳng hạn như viết kilogam sau con số mà không thực hiện chuyển đổi chính xác.