Số khối (Mass number)

Công thức tính số khối được biểu diễn như sau:

$A = Z + N$

Trong đó:

• $A$ là số khối
• $Z$ là số hiệu nguyên tử (số proton)
• $N$ là số neutron

Ví dụ và Sự khác biệt giữa Số Khối và Khối Lượng Nguyên Tử

Ví dụ về số khối: Nguyên tử Carbon-12 ($^{12}C$) có 6 proton và 6 neutron. Vậy số khối của nó là:

$A = 6 + 6 = 12$

Mặc dù số khối gần bằng khối lượng nguyên tử, nhưng chúng không hoàn toàn giống nhau. Có một số điểm khác biệt quan trọng:

• Đơn vị: Số khối là một số nguyên không có đơn vị, trong khi khối lượng nguyên tử có đơn vị là đơn vị khối lượng nguyên tử (u) hoặc dalton (Da).
• Năng lượng liên kết hạt nhân: Khối lượng nguyên tử thực tế nhỏ hơn tổng khối lượng của các proton, neutron và electron riêng lẻ tạo nên nguyên tử. Sự chênh lệch khối lượng này được gọi là khuyết tật khối lượng và nó tương đương với năng lượng liên kết hạt nhân giữ các hạt nhân lại với nhau theo phương trình nổi tiếng của Einstein, $E=mc^2$.
• Đồng vị: Các đồng vị của một nguyên tố có cùng số proton (cùng số hiệu nguyên tử) nhưng khác số neutron. Do đó, chúng có cùng số hiệu nguyên tử nhưng khác số khối. Ví dụ, Carbon-12 ($^{12}C$) và Carbon-14 ($^{14}C$) đều có 6 proton nhưng số neutron lần lượt là 6 và 8, dẫn đến số khối khác nhau.

Ký hiệu: Số khối thường được viết ở phía trên bên trái của ký hiệu nguyên tố. Ví dụ, $^{12}C$ biểu thị nguyên tử Carbon với số khối là 12.

Ứng dụng của Số Khối

Số khối được sử dụng rộng rãi trong hóa học và vật lý hạt nhân để:

• Xác định đồng vị của một nguyên tố.
• Tính toán khối lượng nguyên tử trung bình của một nguyên tố.
• Nghiên cứu các phản ứng hạt nhân.
• Xác định thành phần của các mẫu vật liệu.

Số khối là một khái niệm quan trọng trong việc hiểu cấu trúc nguyên tử và tính chất của các nguyên tố. Nó cung cấp thông tin về số lượng proton và neutron trong hạt nhân và xấp xỉ khối lượng của nguyên tử. Việc phân biệt giữa số khối và khối lượng nguyên tử là cần thiết để hiểu rõ hơn về các khái niệm này.

Số Khối và Phổ Khối Lượng

Số khối đóng vai trò quan trọng trong phổ khối lượng, một kỹ thuật phân tích dùng để xác định thành phần của một mẫu bằng cách đo tỉ lệ khối lượng trên điện tích (m/z) của các ion. Trong phổ khối lượng, các ion của một mẫu được tạo ra và sau đó được phân tách dựa trên tỉ lệ m/z của chúng. Các đỉnh phổ tương ứng với số khối của các ion, cho phép xác định các đồng vị khác nhau có trong mẫu và độ phổ biến tương đối của chúng.

Số Khối và Độ Ổn Định Hạt Nhân

Số khối cũng liên quan đến độ ổn định của hạt nhân. Một số tổ hợp của proton và neutron ổn định hơn những tổ hợp khác. Ví dụ, các hạt nhân có số proton và neutron chẵn thường ổn định hơn các hạt nhân có số lẻ. Ngoài ra, tồn tại một “vùng ổn định” trên biểu đồ số neutron so với số proton, trong đó các hạt nhân có tỉ lệ neutron/proton nằm trong một phạm vi nhất định sẽ ổn định. Các hạt nhân nằm ngoài vùng ổn định này có xu hướng phân rã phóng xạ để đạt được cấu hình ổn định hơn.

Số Khối và Phản Ứng Hạt Nhân

Trong các phản ứng hạt nhân, số khối được bảo toàn. Điều này có nghĩa là tổng số khối của các hạt nhân tham gia phản ứng bằng tổng số khối của các hạt nhân sản phẩm. Nguyên tắc bảo toàn số khối rất hữu ích trong việc dự đoán và phân tích các phản ứng hạt nhân. Ví dụ, trong phản ứng phân hạch hạt nhân, một hạt nhân nặng bị phân tách thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhỏ hơn, và tổng số khối của các hạt nhân sản phẩm sẽ bằng số khối của hạt nhân ban đầu.

Ví dụ thêm về tính toán số khối:

Xét nguyên tố Uranium-238 ($^{238}U$). Số hiệu nguyên tử của Uranium là 92 (có nghĩa là nó có 92 proton). Số neutron có thể được tính bằng cách lấy số khối trừ đi số hiệu nguyên tử:

$N = A – Z = 238 – 92 = 146$

Vậy, Uranium-238 có 92 proton và 146 neutron.

• Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D., & Bissonnette, C. (2017). General Chemistry: Principles and Modern Applications. Pearson.
• Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C. J., & Woodward, P. M. (2014). Chemistry: The Central Science. Pearson.
• Chang, R. (2010). Chemistry. McGraw-Hill.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao số khối chỉ là một giá trị xấp xỉ cho khối lượng nguyên tử chứ không phải là giá trị chính xác?

Trả lời: Số khối chỉ tính đến tổng số proton và neutron, mỗi hạt được coi xấp xỉ là 1 u. Tuy nhiên, khối lượng thực tế của proton và neutron không chính xác là 1 u, và năng lượng liên kết hạt nhân cũng ảnh hưởng đến khối lượng nguyên tử. Năng lượng liên kết làm giảm khối lượng nguyên tử so với tổng khối lượng của các hạt riêng lẻ theo phương trình $E=mc^2$. Ngoài ra, khối lượng của electron, mặc dù nhỏ, cũng đóng góp vào khối lượng nguyên tử.

Làm thế nào để xác định số neutron của một nguyên tử nếu biết số khối và số hiệu nguyên tử?

Trả lời: Số neutron (N) có thể được tính bằng cách lấy số khối (A) trừ đi số hiệu nguyên tử (Z): $N = A – Z$.

Tại sao các đồng vị của một nguyên tố có tính chất hóa học gần giống nhau?

Trả lời: Các đồng vị của một nguyên tố có cùng số proton (cùng số hiệu nguyên tử), quyết định tính chất hóa học của nguyên tố. Số neutron khác nhau chỉ ảnh hưởng đến khối lượng nguyên tử và một số tính chất vật lý, nhưng không ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc electron và do đó không làm thay đổi tính chất hóa học.

Vai trò của số khối trong phổ khối lượng là gì?

Trả lời: Trong phổ khối lượng, các ion được phân tách dựa trên tỉ lệ khối lượng trên điện tích (m/z). Số khối, gần bằng khối lượng của ion, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các đỉnh phổ tương ứng với các ion khác nhau, bao gồm cả các đồng vị. Từ đó, ta có thể xác định thành phần của mẫu và độ phổ biến tương đối của các đồng vị.

Làm thế nào để tính khối lượng nguyên tử trung bình của một nguyên tố biết số khối và độ phổ biến của các đồng vị?

Trả lời: Khối lượng nguyên tử trung bình được tính bằng cách lấy tổng của (số khối của mỗi đồng vị nhân với độ phổ biến tương đối của nó), sau đó chia cho 100. Ví dụ, nếu một nguyên tố có hai đồng vị với số khối A1 và A2, và độ phổ biến tương đối lần lượt là x% và y%, thì khối lượng nguyên tử trung bình sẽ là: $((A1 x) + (A2 y))/100$.