Bạn hãy cầm một hạt cát nhỏ trên đầu ngón tay. Hạt cát đó nhẹ đến mức bạn gần như không cảm nhận được sức nặng của nó, vậy mà bên trong hạt cát ấy có hàng tỉ tỉ nguyên tử đang chen chúc nhau. Mỗi nguyên tử lại nhẹ hơn hạt cát gấp hàng tỉ tỉ lần. Vậy một nguyên tử nặng bao nhiêu, và các nhà khoa học đã cân được nó bằng cách nào khi không có chiếc cân nào đủ nhạy để đặt một nguyên tử lên? Câu trả lời nằm ở một đơn vị đo rất đặc biệt mang tên đơn vị khối lượng nguyên tử, kí hiệu là u hay amu, và một công thức ngắn gọn mà bạn sẽ học trong bài này: khối lượng nguyên tử bằng số khối nhân với u.
Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu khối lượng nguyên tử là gì, vì sao người ta không dùng kilôgam để nói về khối lượng nguyên tử trong đời sống hằng ngày, và cách tính khối lượng của bất kì nguyên tử nào chỉ bằng một phép nhân. Bạn sẽ tính 4 ví dụ từng bước, từ nguyên tử cacbon quen thuộc đến nguyên tử sắt, tránh 5 lỗi sai mà học sinh hay mắc nhất, rồi tự luyện 5 bài tập trắc nghiệm có đáp án giải thích cặn kẽ. Cuối bài là 5 câu hỏi thường gặp để bạn phân biệt rõ khối lượng nguyên tử với nguyên tử khối và số khối. Khi đọc xong, bạn sẽ thấy những con số rất nhỏ như 10⁻²⁷ kilôgam không còn đáng sợ nữa, vì đằng sau chúng chỉ là một phép nhân giản đơn.
Khối lượng nguyên tử là gì? Công thức m ≈ A · u
Khối lượng nguyên tử là khối lượng của một nguyên tử, tính bằng kilôgam hoặc bằng đơn vị khối lượng nguyên tử u. Một nguyên tử gồm hạt nhân ở giữa và các electron bay xung quanh. Hạt nhân chứa proton và neutron, còn electron thì nhẹ hơn proton tới khoảng 1836 lần, nên khối lượng của nguyên tử gần như tập trung toàn bộ ở hạt nhân. Khối lượng của một proton xấp xỉ 1,6726 × 10⁻²⁷ kg, khối lượng của một neutron xấp xỉ 1,6749 × 10⁻²⁷ kg, còn khối lượng của một electron chỉ khoảng 9,11 × 10⁻³¹ kg. Vì proton và neutron nặng gần bằng nhau, người ta chọn khối lượng của một hạt nucleon làm đơn vị đo chung, gọi là đơn vị khối lượng nguyên tử, kí hiệu u hay amu, bằng 1,6605 × 10⁻²⁷ kg.
Công thức tính khối lượng nguyên tử viết rất gọn: m ≈ A · u, trong đó m là khối lượng nguyên tử, A là số khối, u là đơn vị khối lượng nguyên tử bằng 1,6605 × 10⁻²⁷ kg. Số khối A bằng tổng số proton và số neutron trong hạt nhân, tức A = Z + N, với Z là số hiệu nguyên tử và N là số neutron. Dấu ≈ trong công thức nhắc bạn rằng đây là giá trị gần đúng, vì khối lượng thật của proton và neutron hơi lệch nhau một chút, còn khối lượng electron thì đã bỏ qua. Trong chương trình lớp 7, giá trị gần đúng này là đủ để làm mọi bài tập, và bạn chỉ cần nhớ hai điều: u = 1,6605 × 10⁻²⁷ kg và m ≈ A · u.
Vì sao người ta không nói khối lượng nguyên tử bằng kilôgam cho tiện? Bạn hãy thử viết khối lượng nguyên tử hiđro bằng kilôgam: 0,0000000000000000000000000016605 kg, một con số có tới 27 chữ số 0 sau dấu phẩy, đọc lên đã mệt chứ chưa nói đến tính toán. Dùng đơn vị u, khối lượng nguyên tử hiđro chỉ còn là 1 u, nguyên tử cacbon là 12 u, nguyên tử oxi là 16 u, gọn gàng và dễ nhớ hơn rất nhiều. Đơn vị u còn có một ý nghĩa đẹp: 1 u được định nghĩa bằng một phần mười hai khối lượng của nguyên tử cacbon-12, nên khối lượng của nguyên tử cacbon-12 tính theo u đúng bằng 12 u, không thừa không thiếu. Khi cần đổi sang kilôgam, bạn chỉ việc nhân với 1,6605 × 10⁻²⁷ kg. Bạn có thể ôn lại cách đếm hạt trong nguyên tử trong bài công thức tính số hạt trong nguyên tử để nhớ rõ số khối A lấy từ đâu, và xem thêm bài công thức tính khối lượng phân tử để thấy khối lượng nguyên tử là viên gạch đầu tiên để tính khối lượng phân tử sau này.
Một điểm nữa bạn cần nhớ: khối lượng nguyên tử tính bằng kilôgam và nguyên tử khối là hai khái niệm khác nhau. Nguyên tử khối là khối lượng tương đối của nguyên tử so với đơn vị u, nó không có đơn vị, ví dụ nguyên tử khối của cacbon là 12, của oxi là 16, của sắt là 56. Khối lượng nguyên tử là khối lượng thật, có đơn vị kilôgam hoặc u, ví dụ nguyên tử cacbon-12 nặng khoảng 1,99 × 10⁻²⁶ kg. Hai khái niệm này liên hệ với nhau qua công thức m ≈ A · u, trong đó số khối A gần bằng nguyên tử khối làm tròn đến số nguyên. Khi làm bài, bạn hãy đọc kĩ đề hỏi khối lượng theo đơn vị nào rồi mới thay số, vì nhầm đơn vị là lỗi mất điểm nhiều nhất ở dạng bài này.
Bốn ví dụ tính khối lượng nguyên tử từng bước
Ví dụ 1 (dùng đúng số liệu mẫu): Tính khối lượng của nguyên tử cacbon-12 theo kilôgam, biết số khối A = 12 và u = 1,6605 × 10⁻²⁷ kg.
Bạn áp dụng công thức m ≈ A · u. Bạn thay số: m ≈ 12 × 1,6605 × 10⁻²⁷ kg. Bạn tính phần số: 12 × 1,6605 = 19,926. Bạn viết lại: m ≈ 19,926 × 10⁻²⁷ kg. Bạn chuẩn hóa số mũ bằng cách viết 19,926 thành 1,9926 × 10, rồi nhân với 10⁻²⁷: m ≈ 1,9926 × 10⁻²⁶ kg. Bạn làm tròn đến ba chữ số có nghĩa: m ≈ 1,99 × 10⁻²⁶ kg. Bạn kiểm tra: nguyên tử cacbon-12 có 12 hạt trong hạt nhân, mỗi hạt nặng khoảng 1,66 × 10⁻²⁷ kg, nên tổng khối lượng phải vào khoảng 2 × 10⁻²⁶ kg, kết quả 1,99 × 10⁻²⁶ kg là hợp lí. Bạn hãy để ý: số mũ đúng là −26, không phải −27, vì 19,926 × 10⁻²⁷ bằng 1,9926 × 10⁻²⁶, việc quên chuẩn hóa số mũ là lỗi rất hay gặp.
Ví dụ 2 (tính khối lượng nguyên tử oxi): Nguyên tử oxi-16 có số khối A = 16. Tính khối lượng của nó theo kilôgam.
Bạn áp dụng công thức m ≈ A · u. Bạn thay số: m ≈ 16 × 1,6605 × 10⁻²⁷ kg. Bạn tính phần số: 16 × 1,6605 = 26,568. Bạn viết lại: m ≈ 26,568 × 10⁻²⁷ kg. Bạn chuẩn hóa số mũ: 26,568 = 2,6568 × 10, nên m ≈ 2,6568 × 10⁻²⁶ kg. Bạn làm tròn: m ≈ 2,66 × 10⁻²⁶ kg. Bạn kiểm tra: nguyên tử oxi nặng hơn nguyên tử cacbon vì có 16 hạt trong hạt nhân thay vì 12 hạt, và 2,66 × 10⁻²⁶ kg lớn hơn 1,99 × 10⁻²⁶ kg đúng như dự đoán, tỉ số 2,66 chia 1,99 bằng khoảng 1,34, gần bằng tỉ số số khối 16 chia 12 bằng 1,33, khớp.
Ví dụ 3 (tính khối lượng nguyên tử sắt): Nguyên tử sắt-56 có số khối A = 56. Tính khối lượng của nó theo kilôgam.
Bạn áp dụng công thức m ≈ A · u. Bạn thay số: m ≈ 56 × 1,6605 × 10⁻²⁷ kg. Bạn tính phần số: 56 × 1,6605 = 92,988. Bạn viết lại: m ≈ 92,988 × 10⁻²⁷ kg. Bạn chuẩn hóa số mũ: 92,988 = 9,2988 × 10², nên m ≈ 9,2988 × 10⁻²⁶ kg. Bạn làm tròn: m ≈ 9,30 × 10⁻²⁶ kg. Bạn kiểm tra: nguyên tử sắt có 56 hạt trong hạt nhân, nặng gấp khoảng 4,7 lần nguyên tử cacbon, và 9,30 chia 1,99 bằng khoảng 4,67, gần bằng tỉ số số khối 56 chia 12 bằng 4,67, khớp. Bạn hãy để ý: khối lượng nguyên tử tỉ lệ thuận với số khối, nên nguyên tử nào có số khối lớn hơn thì nặng hơn đúng theo tỉ lệ đó.
Ví dụ 4 (tìm số khối từ khối lượng): Một nguyên tử X có khối lượng khoảng 4,48 × 10⁻²⁶ kg. Tìm số khối A của X rồi cho biết X là nguyên tố nào, biết nhôm có số khối bằng 27.
Bạn biến đổi công thức m ≈ A · u thành A ≈ m chia u. Bạn thay số: A ≈ 4,48 × 10⁻²⁶ chia 1,6605 × 10⁻²⁷. Bạn tính: 4,48 chia 1,6605 bằng khoảng 2,698, còn 10⁻²⁶ chia 10⁻²⁷ bằng 10, nên A ≈ 2,698 × 10 bằng 26,98. Bạn làm tròn đến số nguyên gần nhất: A ≈ 27. Bạn đối chiếu với bảng tuần hoàn: nguyên tố có số khối bằng 27 là nhôm, kí hiệu Al, nên X là nguyên tử nhôm. Bạn kiểm tra ngược: khối lượng nguyên tử nhôm bằng 27 × 1,6605 × 10⁻²⁷ kg bằng 44,8335 × 10⁻²⁷ kg, tức khoảng 4,48 × 10⁻²⁶ kg, khớp với đề bài. Bạn hãy để ý: dạng bài ngược này rất hay xuất hiện trong đề kiểm tra, và chìa khóa là chia khối lượng cho u rồi làm tròn đến số nguyên gần nhất.
Năm lỗi sai thường gặp — và cách tránh
Lỗi 1: Nhầm số mũ của đơn vị u, viết 1 u = 1,6605 × 10⁻²⁶ kg.
Nhiều bạn nhớ số 1,6605 nhưng viết nhầm số mũ thành −26 thay vì −27, khiến mọi kết quả đều lớn gấp 10 lần. Cách tránh: bạn hãy nhớ 1 u là khối lượng của một hạt proton, mà proton nặng khoảng 10⁻²⁷ kg, không phải 10⁻²⁶ kg; mỗi lần viết u, bạn viết đủ cả số mũ −27 rồi mới thay số.
Lỗi 2: Quên chuẩn hóa số mũ sau khi nhân.
Nhiều bạn tính 12 × 1,6605 × 10⁻²⁷ kg ra 19,926 × 10⁻²⁷ kg rồi dừng lại, hoặc viết nhầm thành 1,9926 × 10⁻²⁷ kg. Cách tránh: bạn hãy nhớ quy tắc chuẩn hóa, phần số trước lũy thừa phải nằm từ 1 đến dưới 10, nên 19,926 × 10⁻²⁷ phải viết thành 1,9926 × 10⁻²⁶, số mũ tăng lên 1 vì phần số đã chia cho 10.
Lỗi 3: Dùng số hiệu nguyên tử Z thay cho số khối A.
Nhiều bạn thấy nguyên tử cacbon có Z = 6 thì tính khối lượng bằng 6 × u, quên mất cacbon còn có 6 neutron nữa. Cách tránh: bạn hãy nhớ số khối A bằng Z cộng N, tức tổng số proton và neutron, còn số hiệu nguyên tử Z chỉ đếm proton; khi đề cho Z và N, bạn cộng hai số đó lại trước rồi mới nhân với u.
Lỗi 4: Cộng cả khối lượng electron vào khối lượng nguyên tử.
Nhiều bạn tính khối lượng nguyên tử bằng khối lượng hạt nhân cộng khối lượng electron, rồi lúng túng vì không biết electron nặng bao nhiêu. Cách tránh: bạn hãy nhớ electron nhẹ hơn proton khoảng 1836 lần nên khối lượng của nó không đáng kể, công thức m ≈ A · u đã bỏ qua electron, bạn không cần cộng thêm gì nữa.
Lỗi 5: Nhầm khối lượng nguyên tử với nguyên tử khối.
Nhiều bạn được hỏi khối lượng nguyên tử cacbon theo kilôgam thì trả lời 12, hoặc được hỏi nguyên tử khối thì trả lời 1,99 × 10⁻²⁶ kg. Cách tránh: bạn hãy nhớ nguyên tử khối là số không có đơn vị, còn khối lượng nguyên tử là khối lượng thật có đơn vị kilôgam hoặc u; đọc kĩ đề hỏi đại lượng nào rồi mới trả lời.
Năm bài tập tự luyện
Hãy làm 5 bài tập sau đây rồi đối chiếu với bảng đáp án bên dưới. Nhớ viết công thức m ≈ A · u ra trước, thay số rồi mới chuẩn hóa số mũ.
Câu 1: Một đơn vị khối lượng nguyên tử u bằng bao nhiêu kilôgam?
A. 1,6605 × 10⁻²⁶ kg
B. 1,6605 × 10⁻²⁷ kg
C. 6,022 × 10²³ kg
D. 1,6605 × 10⁻²⁴ kg
Câu 2: Khối lượng của nguyên tử cacbon-12 xấp xỉ bằng bao nhiêu?
A. 1,99 × 10⁻²⁵ kg
B. 1,99 × 10⁻²⁷ kg
C. 1,99 × 10⁻²⁶ kg
D. 12 kg
Câu 3: Nguyên tử oxi có số khối A = 16. Khối lượng của nguyên tử oxi xấp xỉ bằng bao nhiêu?
A. 2,66 × 10⁻²⁶ kg
B. 2,66 × 10⁻²⁷ kg
C. 1,66 × 10⁻²⁶ kg
D. 1,60 × 10⁻²⁶ kg
Câu 4: Nguyên tử sắt có số khối A = 56. Khối lượng của nguyên tử sắt xấp xỉ bằng bao nhiêu?
A. 9,30 × 10⁻²⁷ kg
B. 5,60 × 10⁻²⁶ kg
C. 9,30 × 10⁻²⁵ kg
D. 9,30 × 10⁻²⁶ kg
Câu 5: Nguyên tử X có khối lượng khoảng 3,82 × 10⁻²⁶ kg. X là nguyên tố nào?
A. Magie (A = 24)
B. Natri (A = 23)
C. Nhôm (A = 27)
D. Kali (A = 39)
| Câu | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| Đáp án | B | C | A | D | B |
Giải thích Câu 1 — Đáp án B đúng: Một đơn vị khối lượng nguyên tử u bằng 1,6605 × 10⁻²⁷ kg, đúng bằng khối lượng của một hạt proton. Đáp án A sai vì số mũ −26 lớn gấp 10 lần giá trị đúng. Đáp án C sai vì 6,022 × 10²³ là số Avogadro, không phải khối lượng của 1 u. Đáp án D sai vì số mũ −24 còn lớn gấp 1000 lần giá trị đúng.
Giải thích Câu 2 — Đáp án C đúng: Khối lượng nguyên tử cacbon-12 bằng 12 × 1,6605 × 10⁻²⁷ kg bằng 19,926 × 10⁻²⁷ kg, chuẩn hóa thành 1,9926 × 10⁻²⁶ kg, làm tròn thành 1,99 × 10⁻²⁶ kg. Đáp án A sai vì số mũ −25 lớn gấp 10 lần. Đáp án B sai vì quên chuẩn hóa số mũ sau khi nhân. Đáp án D sai vì 12 là số khối, không phải khối lượng tính bằng kilôgam.
Giải thích Câu 3 — Đáp án A đúng: Khối lượng nguyên tử oxi bằng 16 × 1,6605 × 10⁻²⁷ kg bằng 26,568 × 10⁻²⁷ kg, chuẩn hóa thành 2,6568 × 10⁻²⁶ kg, làm tròn thành 2,66 × 10⁻²⁶ kg. Đáp án B sai vì quên chuẩn hóa số mũ. Đáp án C sai vì 1,66 × 10⁻²⁶ kg là khối lượng của 10 hạt nucleon, không phải 16 hạt. Đáp án D sai vì 1,60 × 10⁻²⁶ kg là kết quả khi lấy 16 × 10⁻²⁷ kg mà quên nhân với 1,6605.
Giải thích Câu 4 — Đáp án D đúng: Khối lượng nguyên tử sắt bằng 56 × 1,6605 × 10⁻²⁷ kg bằng 92,988 × 10⁻²⁷ kg, chuẩn hóa thành 9,2988 × 10⁻²⁶ kg, làm tròn thành 9,30 × 10⁻²⁶ kg. Đáp án A sai vì quên chuẩn hóa số mũ. Đáp án B sai vì 5,60 × 10⁻²⁶ kg là kết quả khi lấy 56 × 10⁻²⁷ kg mà quên nhân với 1,6605. Đáp án C sai vì số mũ −25 lớn gấp 10 lần giá trị đúng.
Giải thích Câu 5 — Đáp án B đúng: Số khối của X bằng khối lượng chia cho u, tức 3,82 × 10⁻²⁶ chia 1,6605 × 10⁻²⁷ bằng khoảng 23,0, nên A = 23, đó là nguyên tố natri. Đáp án A sai vì magie có số khối bằng 24, khối lượng của nó bằng khoảng 3,99 × 10⁻²⁶ kg. Đáp án C sai vì nhôm có số khối bằng 27, khối lượng của nó bằng khoảng 4,48 × 10⁻²⁶ kg. Đáp án D sai vì kali có số khối bằng 39, khối lượng của nó bằng khoảng 6,48 × 10⁻²⁶ kg.
Câu hỏi thường gặp về khối lượng nguyên tử
Hỏi: Vì sao khối lượng nguyên tử tính bằng kilôgam lại nhỏ đến vậy?
Đáp: Vì nguyên tử là hạt vô cùng nhỏ, một hạt proton chỉ nặng khoảng 1,67 × 10⁻²⁷ kg. Một nguyên tử chỉ gồm vài chục hạt proton và neutron nên khối lượng của nó chỉ vào khoảng 10⁻²⁷ đến 10⁻²⁵ kg. Chính vì quá nhỏ nên người ta mới dùng đơn vị u để nói về khối lượng nguyên tử cho gọn.
Hỏi: Đơn vị khối lượng nguyên tử u và nguyên tử khối khác nhau thế nào?
Đáp: Đơn vị u là một đơn vị đo khối lượng thật, bằng 1,6605 × 10⁻²⁷ kg, giống như gam hay kilôgam. Nguyên tử khối là khối lượng tương đối của nguyên tử so với đơn vị u, nó là một số không có đơn vị, ví dụ nguyên tử khối của oxi là 16. Khối lượng nguyên tử tính theo u thì có đơn vị u, ví dụ nguyên tử oxi nặng khoảng 16 u.
Hỏi: Vì sao có thể bỏ qua khối lượng của electron khi tính khối lượng nguyên tử?
Đáp: Vì một electron chỉ nặng khoảng 9,11 × 10⁻³¹ kg, nhẹ hơn proton khoảng 1836 lần. Ngay cả nguyên tử có nhiều electron nhất trong chương trình lớp 7 cũng chỉ có vài chục electron, tổng khối lượng của chúng vẫn nhỏ hơn 1 phần trăm khối lượng hạt nhân, nên bỏ qua là hợp lí và không làm sai kết quả ở mức làm tròn thường dùng.
Hỏi: Khối lượng nguyên tử có bằng khối lượng hạt nhân không?
Đáp: Gần bằng, nhưng không bằng đúng. Khối lượng nguyên tử bằng khối lượng hạt nhân cộng khối lượng các electron, nhưng vì electron quá nhẹ nên hai giá trị này gần như bằng nhau. Trong chương trình lớp 7, bạn có thể coi khối lượng nguyên tử bằng khối lượng hạt nhân mà không sợ sai.
Hỏi: Số khối A lấy ở đâu khi đề bài không cho?
Đáp: Bạn tra bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, cột nguyên tử khối rồi làm tròn đến số nguyên gần nhất, đó chính là số khối A. Ví dụ nguyên tử khối của natri là 23 thì số khối bằng 23, nguyên tử khối của clo là 35,5 thì số khối thường lấy bằng 35 hoặc 36 tùy đồng vị, trong bài tập lớp 7 thường cho sẵn số khối để bạn không phải tra bảng.
Kết luận
Khối lượng nguyên tử chỉ gói gọn trong một công thức: m ≈ A · u, với u = 1,6605 × 10⁻²⁷ kg. Bạn hãy nhớ ba điều: số khối A bằng tổng số proton và neutron trong hạt nhân; sau khi nhân phải chuẩn hóa số mũ để phần số nằm từ 1 đến dưới 10, ví dụ 12 × u cho ra 1,99 × 10⁻²⁶ kg chứ không phải 10⁻²⁷ kg; và khối lượng nguyên tử tính bằng kilôgam khác với nguyên tử khối là số không có đơn vị. Làm xong 5 bài tập ở trên, bạn đã đủ tự tin để tính khối lượng của bất kì nguyên tử nào, từ hiđro nhẹ nhất đến sắt nặng gấp hàng chục lần, và cũng hiểu vì sao các nhà khoa học lại cần đến đơn vị u. Khi cần kiểm tra phép tính với số mũ, bạn có thể dùng máy tính Casio online để tính nhanh, nhưng bạn vẫn cần hiểu rõ từng bước để làm bài tốt trong phòng thi.